Они невидимы для глаза, но их влияние колоссально. Они рождаются в недрах атомных ядер, несут в себе гигантскую энергию и таят множество загадок. Что это за таинственные частицы и какую роль они играют в природе и науке? Давайте разбираться!
История открытия альфа частиц
Впервые о существовании альфа частиц заговорил британский ученый Эрнест Резерфорд в 1899 году. Он проводил эксперименты по изучению радиоактивного излучения с использованием фотопластинок. Резерфорд обнаружил, что радиоактивные вещества испускают три вида лучей, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:
- Тяжелые положительно заряженные частицы (названные альфа частицами)
- Легкие отрицательно заряженные частицы (названные бета частицами)
- Электрически нейтральные частицы (названные гамма лучами)
Измерив отношение заряда к массе, Резерфорд выяснил, что альфа частицы имеют положительный заряд, равный удвоенному заряду протона. А их масса в 4 раза больше массы атома водорода. Такими характеристиками обладает ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов.
В 1919 году Резерфорд осуществил первую в истории ядерную реакцию, облучив азот альфа частицами и превратив его в кислород:
14N + 2He → 16O
Этот опыт еще раз подтвердил, что альфа частицы представляют собой ядра гелия-4.
Физические свойства и характеристики альфа частиц
Итак, что же из себя представляют альфа частицы с точки зрения физики?
Альфа частица — это положительно заряженное ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов.
Давайте подробнее разберем основные характеристики альфа частиц:
| Масса | 6,644∙10-27 кг (в 4 раза больше массы протона) |
| Размер | ~2∙10-15 м |
| Заряд | +2e (удвоенный элементарный заряд) |
| Скорость движения | До 20 мм/с |
| Кинетическая энергия | 1,8-15 МэВ |
Как видно из таблицы, альфа частицы довольно массивны и медленно движутся по сравнению с другими видами излучений. При этом они несут в себе гигантскую энергию, заключенную в микроскопических размерах.
Интересный факт: ядро гелия обладает высокой энергетической стабильностью. Именно поэтому при распаде тяжелых нестабильных ядер чаще всего от них отрывается целый набор из 4 нуклонов — два протона и два нейтрона, образуя альфа частицу.
Взаимодействие альфа частиц с веществом
Несмотря на кажущуюся «медлительность», альфа частицы весьма активно взаимодействуют с веществом, через которое они проходят. Это взаимодействие проявляется в ионизации и возбуждении атомов.
Ионизация — это выбивание электронов из атомов. Возбуждение — перевод атомов на более высокие энергетические уровни. В результате этих процессов альфа частицы теряют практически всю свою энергию уже после прохождения нескольких сантиметров в воздухе или миллиметров в плотной среде.
Таким образом, несмотря на высокую начальную энергию, альфа частицы обладают крайне малой проникающей способностью. Их полностью блокируют даже тонкие листы бумаги или одежда.
Зато при попадании внутрь живой клетки они вызывают серьезные повреждения ДНК, белков и других жизненно важных структур. Поэтому альфа-излучение чрезвычайно опасно при внутреннем облучении организма.
Методы регистрации альфа частиц
Для регистрации и измерения потоков альфа частиц используется специальная аппаратура, учитывающая особенности этих частиц.
Поскольку альфа частицы не проникают сквозь воздух, детекторы выполняют с тонким входным окном из материала, прозрачного для них (например, слюды). Чувствительный объем детектора отделен от атмосферы этим окном.
Для регистрации альфа частиц применяют:
- Сцинтилляционные детекторы
- Газоразрядные детекторы
- Полупроводниковые детекторы
- Трековые детекторы (регистрирующие треки частиц в твердых материалах)
Наиболее распространены в настоящее время полупроводниковые детекторы на основе кремния с p-n переходом. Они регистрируют ионизацию, вызванную альфа частицей в чувствительном слое, и выдают электрический импульс, пропорциональный ее энергии.
Биологическое действие альфа частиц
Несмотря на низкую проникающую способность, альфа частицы чрезвычайно опасны при попадании радиоактивных веществ внутрь организма. Даже микрограммы альфа-активного вещества могут вызвать тяжелейшие поражения внутренних органов.
В 20 раз эффективнее в плане биологического воздействия, чем бета- и гамма-излучения той же мощности. Это связано с большой плотностью ионизации вдоль трека альфа частиц.
Альфа излучение полония-210, плутония-239 и других трансурановых элементов особенно опасно при попадании в организм. Эти вещества активно накапливаются в почках, печени, легких и костном мозге.
Применение альфа частиц
Несмотря на радиационную опасность, альфа частицы нашли применение в различных областях:
- Исследования в ядерной физике
- Анализ элементного состава материалов
- Изучение механизмов биологического действия излучений
- Создание альфа-датчиков дыма и пожаров
- Альфа-терапия в онкологии
Для альфа-терапии используют ускорители заряженных частиц, формирующие направленные пучки альфа частиц. Так можно подводить высокую дозу излучения непосредственно к опухоли, не затрагивая здоровые ткани.
Высокоэнергетические альфа частицы
Помимо альфа распадов атомных ядер, существуют и высокоэнергетические альфа частицы. Они могут образовываться в космических лучах или на ускорителях элементарных частиц.
Такие частицы имеют энергии от единиц до сотен МэВ и обладают гораздо бо́льшей проникающей способностью. Например, 10-МэВ альфа частица может пройти через кожу человека.
Высокоэнергетические альфа частицы применяются в фундаментальных ядерно-физических исследованиях. С их помощью можно изучать строение атомных ядер, механизмы взаимодействия частиц с веществом и другие процессы.
