Was ist Alphateilchendefinition

Alphateilchen sind energetische Kerne von Helium. Die Produktion von Alphateilchen wird als Alpha-Zerfall bezeichnet. Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alphateilchen sind relativ groß und tragen eine doppelte positive Ladung. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie bewegen sich nur wenige Zentimeter, deponieren aber all ihre Energien auf ihren kurzen Wegen., In Kernreaktoren werden sie beispielsweise im Brennstoff (Alpha-Zerfall schwerer Kerne) hergestellt. Alphateilchen werden üblicherweise von allen in der Natur vorkommenden schweren radioaktiven Kernen (Uran, Thorium oder Radium) sowie den transuranischen Elementen (Neptunium, Plutonium oder Americium) emittiert. Besonders energetische Alphateilchen (außer künstlich beschleunigten Heliumkernen) werden in einem Kernprozess erzeugt, der als ternäre Spaltung bekannt ist. In diesem Prozess wird der Kern von Uran in drei geladene Teilchen (Spaltfragmente) anstelle der normalen zwei aufgeteilt., Das kleinste der Spaltfragmente ist höchstwahrscheinlich (90% Wahrscheinlichkeit) ein extraenergetisches Alphateilchen.

Wechselwirkung von Alphateilchen mit Materie

Da sich die elektromagnetische Wechselwirkung über eine gewisse Distanz erstreckt, ist es für Alphateilchen nicht notwendig, eine direkte Kollision mit einem Atom zu machen. Sie können Energie übertragen, indem sie einfach in der Nähe vorbeikommen., Alpha-Teilchen interagieren mit Materie hauptsächlich durch Coulomb-Kräfte zwischen ihrer positiven Ladung und der negativen Ladung der Elektronen aus Atomorbitalen. Im Allgemeinen übertragen die Alphateilchen (wie andere geladene Teilchen) Energie hauptsächlich durch:

• Anregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau heben.
• Ionisation. Ionisation kann auftreten, wenn das geladene Teilchen genug Energie hat, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zu einer Bildung von Ionenpaaren in umgebender Materie.,

Die Erzeugung von Paaren erfordert Energie, die durch die kinetische Energie des Alphateilchens verloren geht, wodurch es langsamer wird. Die positiven Ionen und freien Elektronen, die durch den Durchgang des Alphateilchens erzeugt werden, vereinen sich dann und setzen Energie in Form von Wärme frei (z. B. Schwingungsenergie oder Rotationsenergie von Atomen). Es gibt erhebliche Unterschiede in den Arten des Energieverlusts und der Streuung zwischen dem Durchgang von leicht geladenen Teilchen wie Positronen und Elektronen und schwer geladenen Teilchen wie Spaltfragmenten, Alphateilchen, Myonen., Die meisten dieser Unterschiede basieren auf der unterschiedlichen Dynamik des Kollisionsprozesses. Wenn ein schweres Teilchen mit einem viel leichteren Teilchen (Elektronen in den Atomorbitalen) kollidiert, sagen die Gesetze der Energie-und Impulserhaltung im Allgemeinen voraus, dass nur ein kleiner Bruchteil der Energie des massiven Teilchens auf das weniger massive Teilchen übertragen werden kann. Die tatsächliche Menge der übertragenen Energie hängt davon ab, wie eng die geladenen Teilchen das Atom passieren, und es hängt auch von Einschränkungen bei der Quantisierung der Energieniveaus ab.,

Siehe auch: Wechselwirkung schwer geladener Teilchen mit Materie

Stoppleistung-Bethe-Formel

Eine praktische Variable, die die Ionisierungseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppleistung., Die lineare Stoppleistung des Materials ist definiert als das Verhältnis des differentiellen Energieverlusts für das Teilchen innerhalb des Materials zur entsprechenden differentiellen Weglänge:

,wobei T die kinetische Energie des geladenen Teilchens ist, nion die Anzahl der pro Einheit gebildeten Elektronen-Ionen-Paare ist Weglänge, und I bezeichnet die durchschnittliche Energie, die benötigt wird, um ein Atom im Medium zu ionisieren. Bei geladenen Teilchen nimmt S mit abnehmender Partikelgeschwindigkeit zu. Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, wird als Bethe-Formel bezeichnet., Die nicht-relativistische Formel wurde 1930 von Hans Bethe gefunden. Die relativistische Version (siehe unten) wurde 1932 auch von Hans Bethe gefunden.

In diesem Ausdruck ist m die Restmasse des Elektrons, β gleich v/c, was die Geschwindigkeit des Teilchens relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdrückt, γ ist der Lorentz-Faktor des Teilchens, Q ist gleich seiner Ladung, Z ist die Ordnungszahl des Mediums und n ist die Atomdichte im Volumen. Für nichtrelativistische Teilchen (schwer geladene Teilchen sind meist nichtrelativistisch) ist dT/dx von 1/v2 abhängig., Dies kann durch die größere Zeit erklärt werden, die das geladene Teilchen im negativen Feld des Elektrons verbringt, wenn die Geschwindigkeit niedrig ist.

Die Stoppleistung der meisten Materialien ist für schwer geladene Teilchen sehr hoch und diese Teilchen haben sehr kurze Reichweiten. Beispielsweise beträgt der Bereich eines 5 MeV-Alphateilchens in Aluminiumlegierung etwa nur 0,002 cm. Die meisten Alphateilchen können durch ein gewöhnliches Blatt Papier oder lebendes Gewebe gestoppt werden., Daher stellt die Abschirmung von Alphateilchen kein schwieriges Problem dar, andererseits können alpha-radioaktive Nuklide bei Einnahme oder Inhalation zu ernsthaften Gesundheitsgefahren führen (interne Kontamination).

Bragg-Kurve

Die Bragg-Kurve ist typisch für Alphateilchen und andere schwer geladene Teilchen und beschreibt den Energieverlust ionisierender Strahlung während der Reise durch Materie. Für diese Kurve ist typisch der Bragg-Peak, der das Ergebnis einer 1 / v2-Abhängigkeit der Bremsleistung ist. Dieser Peak tritt auf, weil der Querschnitt der Wechselwirkung unmittelbar vor dem Ruhen des Partikels zunimmt. Für den größten Teil der Strecke bleibt die Ladung unverändert und der spezifische Energieverlust steigt entsprechend dem 1/v2., Am Ende der Strecke kann die Ladung durch Elektronenaufnahme reduziert werden und die Kurve kann abfallen.

Die Bragg-Kurve unterscheidet sich auch etwas durch den Effekt des Nachzügelns. Für ein gegebenes Material ist der Bereich für alle Teilchen der gleichen Art mit der gleichen Anfangsenergie nahezu gleich. Da die Details der mikroskopischen Wechselwirkungen, denen ein bestimmtes Teilchen ausgesetzt ist, zufällig variieren, kann eine kleine Variation im Bereich beobachtet werden., Diese Variation wird als Nachzügler bezeichnet und wird durch die statistische Natur des Energieverlustprozesses verursacht, der aus einer großen Anzahl einzelner Kollisionen besteht.

Dieses Phänomen, das durch die Bragg-Kurve beschrieben wird, wird in der Partikeltherapie von Krebs ausgenutzt, da dadurch die Stoppenergie auf den Tumor konzentriert und gleichzeitig die Wirkung auf das umgebende gesunde Gewebe minimiert werden kann.

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