Лекция №4 альфа-излучение

Альфа-излучение – это корпускулярное ионизирующее излучение, состоящее из альфа-частиц. Альфа-частица (α-частица) представляет собой ядро атома гелия‑4 (₂Не⁴). Ядро атома гелия имеет двойной положительный заряд и четыре единицы массы. Масса α-частицы равна 4,002777 а.е.м. Скорость движения α-частиц порядка 10⁹ см/сек.

Эти частицы возникают при радиоактивном распаде ядер некоторых элементов или при ядерных реакциях. Известно более двухсот альфа - активных ядер. Альфа-распад характерен для тяжелых и редкоземельных элементов. Самым легким из альфа-активных ядер является изотоп церий-142.

Примерами источников альфа-частиц могут служить альфа-распад изотопов плутония-239 и самария-147:

₉₄Pu²³⁹ ® ₉₂U²³⁵ + ₂He⁴ ₆₂Sm¹⁴⁷ ® ₆₀Nd¹⁴³ + ₂He⁴.

Спектр энергий альфа-частиц, образованных при распаде какого-либо определенного изотопа дискретный (состоящий из одной или нескольких линий). Наличие в спектре нескольких линий объясняется тем, что при альфа-распаде иногда образуются возбужденные ядра, которые переходят в основное состояние, испуская гамма-кванты. В этом случае энергия распада делится между альфа-частицей и гамма-квантом. Например, при альфа -распаде ядра Th²²⁸ 72% испускаемых альфа-частиц имеют энергию 5,42 МэВ, а 28% альфа-частиц – 5,34 МэВ. Это значит, что в 28% случаев часть энергии (0,08 МэВ) уносится гамма-квантом (квантовый выход такого распада равен 28%). Спектр альфа-излучения Th²²⁸ приведен на рис. 1.

Рисунок1 - Спектр альфа-излучения тория-228

Периоды полураспада альфа-активных ядер варьируются в очень широких пределах от 1 мкс (изотоп ₈₆Rn²¹⁵) до 1,4·10¹⁷ лет (изотоп ₈₂Pb²⁰⁴).

Энергия альфа-частиц, испускаемых тяжелыми радионуклидами (А>200), лежит, как правило, в диапазоне 4...9 МэВ. Для редкоземельных элементов (А=140...160) этот диапазон составляет 2...4,5 МэВ. Энергии испускаемых альфа-частиц для некоторых тяжелых радионуклидов приведены в таблице1.

Таблица 1 - Характеристики некоторых альфа - излучателей

Изотоп	Название	Энергия альфа-частиц, МэВ	Период полураспада	Дочерний изотоп
Ra^226	радий-226	4,78 (94,3%); 4,60 (5,7%)	1620 лет	Rn^222
Ra^224	радий-224	5,68 (95%); 5,44 (5%)	3,64 сут.	Rn^220
Rn^222	радон-222	5,49 (99%); 4,89 (1%)	3,82 сут.	Po^218
Po^218	полоний-218	6,00	3,05 мин.	Pb^214
Po^210	полоний-210	5,30	140 сут.	Pb^206
Th^228	торий-228	5,42 (72%); 5,34(28%)	1,91 года	Ra^224
Bi^212	висмут-212	6,09	60,5 мин.	Tl^208
U^238	уран-238	4,17	4,5·10^9 лет	Th^234
Am^241	америций-241	5,57	432,2 года	Np^237

При прохождении альфа-частиц через вещество их энергия расходуется, в основном, на ионизацию и возбуждение атомов среды. Потери энергии за счет торможения пренебрежимо малы из-за большой массы альфа-частиц.

Одним из наиболее характерных свойств α-частиц является наличие у них определенного пробега. На практике часто нужно знать величину пробега частиц в веществе. Для альфа-частиц длина пробега обычно определяется по эмпирическим формулам. Средний линейный пробег в воздухе (R_в) можно вычислить по формулам:

(1)

R_в = 0,56 E_a, см, (для E_a <3МэВ)    

(2)

где E_a- энергия альфа-частиц, МэВ.

Как видно из формул длина пробега альфа-частиц даже в таком неплотном веществе как воздух составляет считанные сантиметры (для диапазона энергий 2...9 МэВ).

В других веществах пробег альфа-частиц может быть определен с учетом пробега в воздухе по формуле (3):

где R_в – длина пробега в воздухе, см;
ρ – плотность вещества, г/см³;

А – атомный вес вещества.

В таблице 2 приведены экспериментальные данные по пробегу альфа-частиц в различных веществах.

Таблица 2 - Пробег альфа-частиц в различных веществах, мкм

Еa,МэВ	Алюминий	Биологическая ткань	Вода	Медь	Свинец	Графит
	4,05	5,06	4,96	2,26	3,34	2,76
	7,38	10,4	10,2	3,96	5,61	5,37
	11,5	17,4	17,1	5,88	8,39	8,82
	16,5	26,2	25,8	8,13	11,7	13,2
	22,2	36,7	36,2	10,6	15,3	18,4
	28,8	48,8	48,2	13,5	19,4	24,3
	36,2	62,4	61,7	16,6	23,8	31,0
	43,4	78,0	76,8	20,9	31,5	39,1
	52,2	94,4	93,0	24,5	37,0	47,2
	61,6			28,3	42,7	56,1

α-Частицы с одинаковой энергией (моноэнергетические) в поглотителе проходят практически одно и то же расстояние, т.е. число α-частиц почти на всем пути пробега постоянно и резко падает до нуля в конце пробега.

Пробег α-частиц практически прямолинеен из-за их большой массы, которая препятствует отклонению α-частицы от прямолинейного пути под действием электрических сил атома. Установлено, что разброс частиц по длине пробега относительно некоторого среднего значения R_o составляет всего 1...2% (рис.2).

Рисунок 2 - Разброс альфа-частиц по длине пробега в веществе

Ионизирующую способность излучения можно охарактеризовать линейной плотностью ионизации d. Она представляет собой отношение числа пар ионов DN, образуемых заряженной частицей к длине пройденного ею пути Dl.

Полная ионизация для α-частиц составляет несколько сот тысяч пар ионов.

Чем больше энергия α-частицы, тем больше ее пробег и больше образованных пар ионов. Линейная плотность ионизации также зависит от энергии α-частицы, но зависимость обратная — чем меньше энергия частицы, а следовательно и скорость, тем больше вероятность взаимодействия ее с орбитальными электронами.

Линейная плотность ионизации воздуха вдоль пробега α-частицы показана на рисунке 3.

Рисунок 3 -Линейная плотность ионизации воздуха вдоль пробега α-частицы.

Из рисунка видно, что линейная плотность ионизации распределяется неравномерно, возрастает к концу пути, а затем резко падает до нуля. Например, α-частица с энергией 4,8 МэВ в воздухе вначале пути образует 2·10⁴ пар ионов/см, а в конце пути 6·10⁴ пар ионов/см. Увеличение плотности ионизации в конце пути с последующим резким уменьшением до нуля объясняется тем, что α-частица, испытывая торможение, по мере движения в веществе теряет свою скорость; следовательно, увеличиваются время прохождения ее через атом в конце пути и, соответственно, вероятность передачи электрону энергии, достаточной для его вырывания из атома. Когда же скорость α-частицы становится сравнимой со скоростью движения атомов вещества, то α-частица захватывает и удерживает сначала один, а затем и второй электрон и превращается в атом гелия — ионизация прекращается.

Несмотря на высокие значения энергий α-частиц, их проникающая способность и пробег крайне малы, например в воздухе 4·10 см, а в мягких тканях человека, в жидких и твердых веществах будет составлять несколько микрон. Максимальный пробег α-частиц в воздухе при изменении энергии от 1 до 10 МэВ меняется от 0,52 до 10,5 см и при Е_α = 5 МэВ составляет 3.52 см, а в биологической ткани меняется от 7,2· 10^-1 до 1,2· 10^{-2 см, при Е}_α = 5 МэВ R_max = 4,4· 10^{-3 см.}

Дата добавления: 2014-01-20