Альфа-частица: масса, основные характеристики и свойства

Альфа-частица представляет собой ядро гелия. Если у атома гелия убрать электронную оболочку, то останется эта частица. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, имеет сферическую форму с радиусом 10^-5 метра. Масса альфа-частицы составляет 6,68 * 10^-27 килограмм.

История открытия

На рубеже XIX-XX веков два физика с мировым именем открыли существование альфа-частиц. Это были новозеландский физик Эрнест Резерфорд, который работал в Канаде в городе Монреале, и французский химик и физик Поль Вийяр, который ставил свои эксперименты в Париже. Эти два ученых изучали различные виды радиации по их свойствам проникать через различные среды, а также по их взаимодействию с искусственным магнитным полем.

В результате этих экспериментов Резерфорд выделил три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Альфа-лучи были определены как лучи, имеющие наименьшую проникающую способность через различные предметы среди изучаемых видов радиации.

Элементарные частицы: протоны и нейтроны

В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики - электрический заряд и массу, так как эти критерии определяют во многом ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.

Как было сказано выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон представляет собой элементарную частицу, имеющую массу 1,6726 * 10^-27 кг и заряд +1,602 * 10^–19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше, чем у протона, то есть составляет 1,67489*10^-27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица является электрически нейтральной (отсюда и название - "нейтрон").

Альфа-частицы и их заряд

Заряд и массу альфа-частицы можно определить, если принимать во внимание названные выше цифры, а также учитывать, что сама частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Заряд альфа-частицы является положительным и равен +3,204 * 10^–19 Кл. Отметим, что значение +1,602 * 10^–19 Кл принято в физике называть элементарным зарядом, поскольку он равен по модулю этим же величинам у протона и электрона. Таким образом, заряд альфа-частицы равен +2 элементарных заряда.

Масса альфа-частицы

Если учитывать аддитивное свойство физической величины "масса", то можно рассчитать самостоятельно, сколько весит альфа-частица. Приведенные выше цифры для протонов и нейтронов говорят, что масса альфа-частицы равна 6,69498 * 10^-27 кг. Получается эта цифра, если сложить массы в покое двух протонов и двух нейтронов. В итоге отношение масс протона и альфа-частицы приблизительно составляет 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.

Однако множество проведенных экспериментов по установлению точной массы этой частицы говорят, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10^-27 кг, то есть она меньше на 0,015 * 10^-27 кг полученного выше значения. Куда же девается разница? Ответ на этот вопрос достаточно прост - она переходит в энергию. Дело в том, что при образовании альфа-частицы из протонов и нейтронов в результате ядерных взаимодействия между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние - нашу альфа-частицу.

Энергия образования

Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной - скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc², где E - энергия, m - масса, c - скорость света в вакууме.

Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10^-27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 10⁸ м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10^-27 * 9 * 10¹⁶ = 1,35 * 10^-12 Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10⁻¹⁹ Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 10⁶ эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).

Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv²/2, где v - скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 10⁷ м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.

Основные физические свойства

Альфа-частица тяжелее в 4 раза протона и в 8000 раз - электрона, то есть для мира элементарных частиц она обладает большой массой. Напомним, что масса одного протона или одного нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в единицах элементарного заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а массу - 4. Тогда отношение заряда к массе альфа-частицы равно +1/2 = +0,5.

Поскольку она обладает электрическим зарядом, пролетая через электрическое или магнитное поле, она взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, которая действует на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо воспользоваться так называемым правилом левой руки: четыре пальца следует расположить вдоль вектора движения альфа частицы, а ладонь повернуть таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Тогда оттопыренный под прямым углом большой палец укажет направление действующей силы на движущуюся заряженную частицу.

Альфа-частицы могут разгоняться до больших скоростей, достигающих величин 15 млн км/с, то есть 5 % от скорости света. Ввиду большой массы и огромных скоростей они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может составлять до 10 МэВ.

Проникающая способность

Поскольку альфа-частица обладает значительной массой (по сравнению с массой электрона), а также электрическим зарядом, который по модулю превышает заряд электрона в 2 раза, то ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой вещества, является незначительной.

Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, которая приводит к ионизации атомов, то есть к отрыву электронов от них. Например, проходя всего 5 см в воздухе, альфа-частица испытывает огромное число столкновений и практически полностью теряет свою кинетическую энергию.

Любое твердое вещество легко задерживает альфа-частицу. Так, она не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм задерживает поток любой интенсивности из альфа-частиц. Еще раз отметим, хотя проникающая способность этой частицы мала, она очень сильно ионизирует всякое вещество, через которое движется.

Альфа-частица - продукт радиоактивного распада

Несмотря на то что альфа-частица состоит из протонов и нейтронов, из этих элементарных частиц она в природе не образуется, а получается в результате радиоактивного альфа-распада некоторых химических элементов.

Альфа-распад является одним из видов радиоактивного распада, в результате которого атомное ядро некоторого химического элемента, испуская альфа-частицу, превращается в ядро другого элемента, масса которого на 4 а.е.м. меньше, чем эта величина у родительского ядра, а порядковый номер в таблице Менделеева на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента.

Альфа-распад бывает спонтанным (происходит произвольным образом в природе) и вынужденным (вызван в результате какого-либо специального воздействия на атомное ядро). Спонтанный распад характерен только для очень тяжелых атомных ядер. Так, самым легким элементом, который испытывает спонтанный альфа-распад, является теллурий 106. Уран 238 также претерпевает альфа-распад с образованием технеция 234.

Поскольку альфа-частица обладает двойным положительным элементарным зарядом, она при распаде радиоактивного ядра быстро захватывает электроны, образуя при этом атом гелия. Именно по этой причине во многих породах с большим содержанием альфа-радиоактивных элементов имеются полости, заполненные газом гелием, например в минералах, богатых ураном или торием. Основным источником альфа-частиц на Земле является благородный газ радон, который находится в почве, воде, воздухе и различных типах горных пород.