co to jest cząstka Alfa – definicja

cząstki alfa są energetycznymi jądrami helu. Produkcja cząstek alfa jest określana jako rozpad Alfa. Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów połączonych razem w cząstkę identyczną z jądrem helu. Cząstki alfa są stosunkowo duże i posiadają podwójny ładunek dodatni. Nie są bardzo przenikliwe i kawałek papieru może je zatrzymać. Podróżują tylko kilka centymetrów, ale gromadzą całą swoją energię na krótkich ścieżkach., W reaktorach jądrowych są one wytwarzane np. w paliwie (rozpad Alfa ciężkich jąder). Cząstki alfa są zwykle emitowane przez wszystkie ciężkie radioaktywne jądra występujące w przyrodzie (uran, tor lub rad), a także pierwiastki transuraniczne (Neptun, Pluton lub Ameryk). Szczególnie energetyczne cząstki alfa (z wyjątkiem sztucznie przyspieszonych jąder helu) są wytwarzane w procesie jądrowym, który jest znany jako rozszczepienie trójskładnikowe. W tym procesie jądro uranu jest dzielone na trzy naładowane cząstki (fragmenty rozszczepienia) zamiast dwóch normalnych., Najmniejszy z fragmentów rozszczepienia najprawdopodobniej (90% prawdopodobieństwa) jest dodatkową energiczną cząstką Alfa.

oddziaływanie cząstek alfa z materią

ponieważ oddziaływanie elektromagnetyczne rozciąga się na pewną odległość, nie jest konieczne, aby cząstki alfa dokonały bezpośredniego zderzenia z atomem. Mogą przenosić energię po prostu przechodząc obok., Cząstki alfa oddziałują z materią głównie poprzez siły Coulomba pomiędzy ich dodatnim ładunkiem a ujemnym ładunkiem elektronów z orbitali atomowych. Ogólnie rzecz biorąc, cząstki alfa (podobnie jak inne naładowane cząstki) przenoszą energię głównie przez:

• wzbudzenie. Naładowana cząstka może przenosić energię do atomu, podnosząc elektrony do wyższych poziomów energetycznych.
• Jonizacja. Jonizacja może wystąpić, gdy naładowana cząstka ma wystarczająco dużo energii, aby usunąć elektron. Powoduje to tworzenie par jonowych w otaczającej materii.,

tworzenie par wymaga energii, która jest tracona z energii kinetycznej cząstki alfa, powodując jej spowolnienie. Jony dodatnie i wolne elektrony powstałe w wyniku przejścia cząstki alfa łączą się ponownie, uwalniając energię w postaci ciepła (np. energia wibracyjna lub energia obrotowa atomów). Istnieją znaczne różnice w sposobach utraty i rozpraszania energii między przepływem cząstek naładowanych światłem, takich jak pozytony i elektrony, a ciężkimi naładowanymi cząstkami, takimi jak fragmenty rozszczepienia, cząstki alfa, miony., Większość z tych różnic opiera się na różnej dynamice procesu kolizji. Ogólnie rzecz biorąc, gdy ciężka cząstka zderza się ze znacznie lżejszą cząstką (elektrony na orbitalach atomowych), prawa zachowania energii i pędu przewidują, że tylko niewielka część energii masywnej cząstki może zostać przeniesiona na mniej masywną cząstkę. Rzeczywista ilość przenoszonej energii zależy od tego, jak blisko naładowane cząstki przechodzą przez atom, a także od ograniczeń wynikających z kwantyzacji poziomów energetycznych.,

Zobacz też: oddziaływanie ciężkich naładowanych cząstek z materią

Siła zatrzymująca – wzór Bethe

wygodną zmienną opisującą właściwości jonizacyjne otaczającego ośrodka jest siła zatrzymująca., Liniowa siła hamowania materiału jest zdefiniowana jako stosunek różnicowej straty energii dla cząstki w materiale do odpowiedniej długości ścieżki różnicowej:

,gdzie T jest energią kinetyczną naładowanej cząstki, nion jest liczbą par elektron-jon utworzonych na jednostkę długości ścieżki, a I oznacza średnią energię potrzebną do zjonizowania atomu w ośrodku. Dla naładowanych cząstek, S zwiększa się wraz ze spadkiem prędkości cząstek. Klasyczne wyrażenie opisujące straty energii właściwej znane jest jako wzór Bethe ' a., Nie relatywistyczną formułę odkrył Hans Bethe w 1930 roku. Relatywistyczną wersję (patrz niżej) odkrył także Hans Bethe w 1932 roku.

w tym wyrażeniu m jest masą spoczynkową elektronu, β jest równa V / c, co wyraża prędkość cząstki w stosunku do prędkości światła, γ jest czynnikiem Lorentza cząstki, Q jest jej ładunkiem, Z jest liczbą atomową ośrodka i N jest gęstością atomów w objętości. Dla cząstek nierelatywistycznych (ciężkie naładowane cząstki są w większości nierelatywistyczne), dT/dx jest zależny od 1/v2., Może to być wyjaśnione przez większy czas, jaki naładowana cząstka spędza w ujemnym polu elektronu, gdy prędkość jest niska.

siła hamowania większości materiałów jest bardzo wysoka dla ciężkich naładowanych cząstek i cząstki te mają bardzo krótkie zakresy. Na przykład zakres cząstek alfa 5 MeV wynosi w przybliżeniu tylko 0,002 cm w stopie aluminium. Większość cząstek alfa może zostać zatrzymana przez zwykłą kartkę papieru lub żywą tkankę., Dlatego ekranowanie cząstek alfa nie stanowi trudnego problemu, ale z drugiej strony Alfa radioaktywne nuklidy mogą prowadzić do poważnych zagrożeń dla zdrowia, gdy są one spożywane lub wdychane (skażenie wewnętrzne).

Krzywa Bragga

krzywa Bragga jest typowa dla cząstek alfa i innych ciężkich cząstek naładowanych i opisuje straty energii promieniowania jonizującego podczas podróży przez materię. Dla tej krzywej typowy jest pik Bragga, który jest wynikiem zależności 1 / v2 siły hamowania. Ten szczyt występuje, ponieważ przekrój interakcji zwiększa się bezpośrednio przed spoczynkiem cząstki. Dla większości toru ładunek pozostaje niezmieniony, a właściwa strata energii wzrasta zgodnie z 1 / v2., W pobliżu końca toru ładunek można zmniejszyć poprzez odbiór elektronów, a krzywa może spaść.

krzywa Bragga również różni się nieco ze względu na efekt marudowania. Dla danego materiału zakres będzie prawie taki sam dla wszystkich cząstek tego samego rodzaju o tej samej energii początkowej. Ponieważ szczegóły oddziaływań mikroskopowych, którym poddawana jest jakaś konkretna cząstka, różnią się losowo, można zaobserwować niewielką zmianę w zakresie., Zmiana ta nazywana jest marnotrawstwem i jest spowodowana statystycznym charakterem procesu utraty energii, który składa się z dużej liczby pojedynczych kolizji.

to zjawisko, które jest opisane krzywą Bragga, jest wykorzystywane w terapii cząsteczkowej raka, ponieważ pozwala to skoncentrować energię zatrzymującą na guzie, minimalizując wpływ na otaczającą zdrową tkankę.

---