Атом любого вещества состоит из ядра и отрицательно заряженных электронов; ядро, в свою очередь, включает положительно заряженные частицы — протоны и нейтральные — нейтроны. Ядро атома может быть стабильным только при определенном соотношении протонов и нейтронов. И соотношение это меняется нелинейно: чем больше протонов в ядре, тем больше требуется нейтронов на каждый протон, чтобы стабилизировать ядро. Легкие стабильные ядра с атомным весом меньше 40 имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов, поэтому такие вещества не радиоактивны. В области более тяжелых ядер, ближе к концу таблицы Менделеева, количество нейтронов в ядре быстро растет, но не «успевает» за ростом числа протонов. Поэтому самые тяжелые ядра проявляют тенденцию к распаду, то есть к излучению. Чем нестабильнее ядро, тем короче период полураспада – время, за которое примерно половина ядер вещества распадется.
Что такое альфа-излучение и альфа-частица?
Но как именно будут распадаться нестабильные ядра? Неустойчивое ядро может распасться, либо испуская альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов – это ядро гелия-4; либо бета-частицу — электрон или позитрон; либо одиночный нейтрон (нейтронное излучение). Еще один вариант — гамма-излучение.
Если в ядре слишком мало нейтронов, то оно, распадаясь, испускает альфа-частицу. Если образовавшееся в ходе такого распада ядро все равно нестабильно, оно продолжает распадаться по одной из перечисленных выше схем, в зависимости от нового соотношения протонов и нейтронов.
Поток альфа-частиц образует альфа-излучение.
Источники альфа-частиц
Альфа-частицы испускаются радионуклидами, такими как уран-238, радий-226, и другими членами естественного ряда распада урана, тория и актиния, которые присутствуют почти во всех породах, почвах и воде.
Искусственно созданные источники альфа-частиц включают радиоизотопы таких элементов, как плутоний, америций, кюрий и калифорний. Обычно они производятся в ядерном реакторе путем поглощения нейтронов различными изотопами урана.
Свойства альфа-излучения
По сравнению с другими формами ядерного излучения альфа-частицы относительно медленные и тяжелые. Они движутся со скоростью от 5 до 7% скорости света, или около 20 тыс. км/с. Кроме того, альфа-частицы стремятся перейти в наиболее энергетически стабильное состояние, захватив из окружающей среды два электрона. Поэтому альфа-частицы сильно ионизируют окружающую среду, а ионизированная среда вызывает еще более быстрое замедление частиц.
На практике это означает, что задержать альфа-частицы может даже бумага, или слой воздуха, или самый верхний слой человеческой кожи. Тогда как нейтронное излучение можно остановить только толстым бетонным или водяным барьером, а от гамма-излучения защищают только железо и свинец.
Воздействие на человека
Альфа-частицы не могут проникнуть через кожу, но могут повредить роговицу глаза, либо внутренние органы, если попадут в организм через воздух, воду, пищу или открытую рану. В этом случае, из-за высокой ионизирующей способности, альфа-частицы наносят локальный, но более сильный ущерб, чем другие виды радиоактивного излучения (бета, гамма и нейтронное): грубые мутации ДНК и изменения тканей. Альфа-частицы накапливаются в организме, и вывести их из тела практически невозможно.
Использование альфа-частиц
Альфа-частицы используют для экспериментально лечения некоторых видов рака. Пациентам дают таблетку, содержащую изотоп радия (Радий 223 или Радий 224). Исследования на небольшом количестве пациентов показали, что благодаря мощному воздействию альфа-частицы более эффективны, чем другие виды облучения; при этом из-за очень маленькой области воздействия они не повреждают окружающие ткани. Сложность только в том, чтобы доставить их «по адресу» — прямо в опухоль — а потом вывести из тела.
В детекторах дыма обычно используются детекторы америция-241. Дым, попадающий в детектор, задерживает альфа-частицы, детектор обнаруживает, что их стало слишком мало, и поднимает тревогу.
Альфа-частицы применяют и в нейтрализаторах статического электричества, для снятия статических зарядов с точного оборудования. Там обычно используется полоний-210.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют альфа-распад плутония-238 для выработки тепла, которое преобразуется в электричество. Такие устройства, называемые «реакторами», по аналогии с ядерными реакторами, обычно используются в космических зондах.
Читайте также:
Лучевая терапия и космические вспышки: что мы знаем о гамма-лучах?
Радиоактивная рыба: есть ли опасность для здоровья?
