Partícula alfa

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partícula alfa
α, α 2+ , Él 2+
partícula alfa
núcleo isotópico Helio-4 ( )
Elemento químico Helio
Compuesto 2 protones , 2 neutrones
Una familia bosón
Momento magnético 0
Momento cuadripolar eléctrico 0
Número de masa ( número bariónico ) cuatro
Peso 3,727379240(82) GeV (alrededor de 6,644656⋅10 −27 kg)
Misa , a.m.u. 4.001506179125(62)
Energía de enlace 28,3 MeV (7,1 MeV por nucleón) [1]
Toda la vida estable
Paridad +
números cuánticos
Carga eléctrica 2
Girar 0
giro isotópico 0
Hipercarga cuatro

Partícula alfa (partícula α) - partícula cargada positivamenteformada por dos protones y dos neutrones ; el núcleo de un átomo de helio-4 ( ) . Descubierto por primera vez por E. Rutherford en 1899 [1] . Las partículas alfa pueden causar reacciones nucleares ; en la primera reacción nuclear inducida artificialmente, realizada por E. Rutherford en 1919 (la transformación de núcleos de nitrógeno en núcleos de oxígeno), fueron las partículas alfa las que participaron. El flujo de partículas alfa se denomina rayos alfa [2] o radiación alfa [3] .

Educación

Las partículas alfa surgen de la descomposición alfa de los núcleos, durante las reacciones nucleares y como resultado de la ionización completa de los átomos de helio-4. Por ejemplo, como resultado de la interacción del núcleo de litio-6 con un deuterón , se pueden formar dos partículas alfa: 6 Li + 2 H = 4 He + 4 He . Las partículas alfa constituyen una parte esencial de los rayos cósmicos primarios ; la mayoría de ellos son núcleos de helio acelerado de atmósferas estelares y gas interestelar , algunos son el resultado de reacciones de desprendimiento nuclear de núcleos de rayos cósmicos más pesados. Las partículas alfa de alta energía se pueden generar usando aceleradores de partículas .

Propiedades

La masa de una partícula alfa es 4.001 506 179 127(63) unidades de masa atómica [4] (alrededor de 6.644 657 3357(20)⋅10 −27 kg ), lo que equivale a una energía de 3727.379 4066(11) MeV [5 ] . El espín y el momento magnético son cero. La energía de enlace (expresada en unidades de energía es la diferencia entre la masa total de dos protones y dos neutrones y la masa de una partícula alfa) es 28,295 6108(16) MeV ( 7,073 9027(4) MeV por nucleón ) [6] [ 7] . El exceso de masa es 2424,9158(1) keV [8] . La carga de una partícula alfa es positiva e igual al doble de la carga elemental , o aproximadamente 3.218 10 −19 C.

Penetración

Las partículas cargadas pesadas interactúan principalmente con electrones atómicos y, por lo tanto, se desvían poco de la dirección de su movimiento inicial. Como resultado, la trayectoria de una partícula pesada R se mide por la distancia en línea recta desde la fuente de partículas hasta el punto de su parada. Normalmente, la corrida se mide en unidades de longitud (m, cm, micras), así como la densidad superficial del material (o, de manera equivalente, la longitud de la corrida multiplicada por la densidad) (g/cm 2 ). La expresión del rango en unidades de longitud tiene sentido para una densidad fija del medio (por ejemplo, a menudo se elige aire seco como medio en condiciones normales ). El significado físico del rango en términos de densidad superficial es la masa por unidad de área de la capa suficiente para detener la partícula.

La longitud del camino de una partícula α dependiendo de su energía y medio
miércoles Energía de partículas α, MeV
cuatro 6 ocho diez
Longitud del camino de la partícula α, mm
Aire en condiciones normales 25 46 74 106
tejido biológico 0.031 0.056 0.096 0.130
Aluminio 0.016 0.030 0.048 0.069

Detección

Las partículas alfa se detectan utilizando detectores de centelleo, detectores de descarga de gas , pin diodos de silicio (detectores de barrera de superficie insensibles a la radiación beta y gamma) y electrónica de amplificación adecuada , así como detectores de seguimiento . Para detectar partículas alfa con energías características de la desintegración radiactiva, es necesario proporcionar una baja densidad superficial de la pantalla que separe el volumen sensible del detector del entorno. Por ejemplo, en los detectores de descarga de gas se puede instalar una ventana de mica de varias micras de espesor, transparente a las partículas alfa. En los detectores de barrera de superficie de semiconductores, no se necesita una pantalla de este tipo, el área de trabajo del detector puede estar en contacto directo con el aire. Cuando se detectan radionucleidos alfa activos en líquidos, la sustancia de prueba se mezcla con un centelleador líquido.

En la actualidad, los detectores de partículas alfa de barrera superficial de silicio son los más comunes, en los que se crea una capa delgada con conductividad de tipo n en la superficie de un cristal semiconductor con conductividad de tipo p mediante la introducción por difusión de una impureza donante (por ejemplo, fósforo ). La aplicación de una polarización inversa a la unión pn agota la región sensible del detector con portadores de carga . Una partícula alfa que ioniza una sustancia ingresa a esta región, provocando el nacimiento de varios millones de pares electrón-hueco, lo que provoca un pulso de corriente registrado con una amplitud proporcional al número de pares producidos y, en consecuencia, a la energía cinética de la partícula alfa absorbida. . Dado que la región de agotamiento tiene un espesor muy pequeño, el detector es sensible solo a partículas con una alta densidad de ionización (partículas alfa, protones, fragmentos de fisión, iones pesados) y es insensible a la radiación beta y gamma.

Impacto en la electrónica

El mecanismo descrito anteriormente para la creación de pares electrón-hueco por una partícula alfa en semiconductores puede provocar la conmutación no autorizada de un activador de semiconductor cuando una partícula alfa con suficiente energía golpea un chip de silicio. En este caso, un solo bit en la memoria se reemplaza por cero (o viceversa). Para reducir el número de tales errores, los materiales utilizados en la fabricación de microcircuitos deben tener una actividad alfa intrínseca baja.

Impacto humano

Las partículas alfa formadas durante la desintegración del núcleo tienen una energía cinética inicial en el rango de 1,8 a 15 MeV [9] . Cuando una partícula alfa se mueve a través de una sustancia, crea una fuerte ionización de los átomos circundantes y, como resultado, pierde energía muy rápidamente. La energía de las partículas alfa resultantes de la desintegración radiactiva no es suficiente ni siquiera para superar la capa muerta de la piel , por lo que no existe riesgo de radiación durante la exposición externa a dichas partículas alfa. La radiación alfa externa es peligrosa para la salud solo en el caso de partículas alfa de alta energía (con energías superiores a decenas de MeV), cuya fuente es un acelerador . Sin embargo, la penetración de radionúclidos alfa activos en el cuerpo, cuando los tejidos vivos del cuerpo están directamente expuestos a la radiación, es muy peligrosa para la salud, ya que una alta densidad de ionización a lo largo de la trayectoria de las partículas daña gravemente las biomoléculas . Se cree [10] que con una liberación de energía igual ( dosis absorbida ) , la dosis equivalente acumulada durante la irradiación interna con partículas alfa con energías características de la desintegración radiactiva es 20 veces mayor que durante la irradiación con cuantos de rayos gamma y X. Sin embargo, la transferencia de energía lineal de las partículas alfa de alta energía (con energías de 200 MeV y superiores) es mucho menor, por lo que su eficiencia biológica relativa es comparable a la de las partículas beta y gamma quanta .

Por lo tanto, las partículas α con energías de 10 MeV y superiores, suficientes para superar el estrato córneo muerto de la piel , pueden representar un peligro para los humanos durante la irradiación externa . Al mismo tiempo, la mayoría de los aceleradores de partículas α de investigación funcionan a energías inferiores a 3 MeV [11] .

Un peligro mucho mayor para los seres humanos son las partículas α que surgen de la desintegración alfa de los radionucleidos que han entrado en el cuerpo (en particular, a través del tracto respiratorio o del tracto digestivo ) [12] . Una cantidad microscópica de sustancia radiactiva α (por ejemplo , polonio-210 ) es suficiente para causar una enfermedad por radiación aguda en la víctima , a menudo con un desenlace fatal [12] .

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 Ogloblin A. A., Lomanov M. F. PARTICULA ALFA // Gran Enciclopedia Rusa. Versión electrónica (2016); https://bigenc.ru/physics/text/1816460 Archivado el 27 de marzo de 2022 en Wayback Machine Acceso: 27/03/2022
  2. ↑ Gordienko V. A. Introducción a la ecología (15 de mayo de 2012). Consultado el 27 de marzo de 2022. Archivado desde el original el 27 de marzo de 2022.
  3. ↑ Interacción de partículas con materia Archivado el 18 de julio de 2012 en Wayback Machine .
  4. ↑ Masa de partículas alfa en u Archivado el 30 de octubre de 2021 en Wayback Machine . Valores recomendados de CODATA 2018.
  5. ↑ Equivalente de energía de masa de partículas alfa en MeV . Archivado el 23 de marzo de 2021 en Wayback Machine . Valores recomendados de CODATA 2018.
  6. ↑ Meng Wang , Huang WJ , Kondev FG , Audi G. , Naimi S. La evaluación de la masa atómica de Ame2020 (II). Tablas, gráficos y referencias  (inglés)  // Chinese Physics C. - 2021. - Vol. 43 , edición. 3 . - Folio 030003-1-030003-512 . -doi : 10.1088 / 1674-1137/abddaf .
  7. ↑ Tenga en cuenta que las bases de datos Nubase2020 y AME 2020 enumeran masas y cantidades derivadas para un átomo de helio-4 neutro y no excitado; para convertir a una partícula alfa (un átomo de helio-4 doblemente ionizado), es necesario restar las masas de dos electrones 2 × 0.510 998 950 00 (15) MeV y agregar su energía de enlace en el estado más bajo, 0.000 079 005 MeV .
  8. ↑ Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. La evaluación Nubase2020 de propiedades nucleares  // Chinese Physics C  . - 2021. - Vol. 45 , edición. 3 . - P. 030001-1-030001-180 . -doi : 10.1088 / 1674-1137/abddae .Acceso abierto
  9. ↑ En algunos casos, durante la desintegración alfa, un núcleo que emite una partícula alfa primero puede entrar en un estado excitado . En este caso, la energía de la partícula alfa emitida resulta ser menor que durante la transición al nivel principal del núcleo hijo, ya que parte de la energía permanece en el núcleo. Posteriormente, el nivel excitado decae en el estado fundamental del núcleo y la energía se la lleva un rayo gamma o se transfiere a los electrones de la capa atómica (consulte Conversión interna ). Sin embargo, la probabilidad de transición del núcleo durante la desintegración alfa a un nivel excitado, por regla general, se suprime fuertemente, lo que se asocia con una disminución exponencial en la probabilidad de desintegración alfa con una disminución en la energía cinética del alfa emitido. partículas
  10. ↑ Publicación 103 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP). Per del inglés. / Bajo la dirección general. M. F. Kiseleva y N. K. Shandaly. - M. : Ed. LLC PKF "Alana", 2009. - S. 68-71. - 1000 copias.  - ISBN 978-5-9900350-6-5 .
  11. ↑ Vasilenko O.I. , Ishkhanov B.S. ,  Kapitonov I.M. ,  Seliverstova Zh.M. , Shumakov A.V. RADIATION . - M. : Editorial de la Universidad de Moscú, 1996.
  12. ↑ 1 2 BBC: "Se le dijo al tribunal cómo se encontró polonio en el cuerpo de Litvinenko" . Fecha de acceso: 29 de enero de 2015. Archivado desde el original el 31 de enero de 2015.

Literatura

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