Какой заряд имеет альфа частица


Все мы слышали о радиации и о том, как она опасна. Но не все понимают в чем именно состоит ее опасность. С этой статьи я начну серию выпусков, в которых буду объяснять, что такое радиация, ее опасность, как защититься и практическое применение. Поэтому не забудьте подписаться, чтобы не пропустить ничего нового.

Начну я с альфа излучения. Давайте для начала поймем, что это и как оно происходит?

Что это за излучение?

Альфа излучение- это поток альфа частиц. Говоря о радиации, обычно подразумевают, что эти частицы образуются в процессе распада ядра. Альфа частица представляет собой ядро атома гелия, которое содержит в себе 2 протона и 2 нейтрона. Давайте взглянем на модель альфа распада:


Здесь мы видим, что какое то ядро распадается на ядро гелия и ядро другого элемента. Но какие ядра могут испытывать такие превращения?

Какие ядра могут распадаться?

Как правило, альфа распаду подвержены последние элементы периодической системы. Связанно это с тем, что альфа превращение происходит по каналу сильного взаимодействия и при этом должны соблюдаться все законы сохранения, в том числе и закон сохранения энергии. То есть, энергия исходного ядра должна быть больше энергии образованного ядра и альфа частицы. Энергия ядра складывается из массы покоя, энергии связи ядра и его кинетической энергии. Именно из-за энергии связи получается вывод, что такому превращению подвержены только тяжелые ядра. Давайте взглянем на этот вопрос по подробнее:


На этом графике мы видим значение средней энергии связи Е на один нуклон в ядре, в зависимости от массового числа А(число протонов + число нейтронов). Все ядра стремятся к максимальному значению этой энергии (к железу) и тут видно, что тяжелым ядрам нужно испытывать распад, чтобы прийти к такому состоянию. Следующим шагом будет выяснение зависимости энергии альфа частицы от массового числа исходного ядра.

Из этого графика можно сделать вывод, что энергия альфа частицы больше 0 для элементов, превосходящих 140 а.е.м. График имеет 2 пика и процесс альфа распада наиболее вероятен для ядер, находящихся правее после первого пика. То есть для ядер порядковый номер которых больше 82 (все дальше свинца).


Механизм по которому происходит альфа распад в этой статье я излагать не стану, ввиду его сложности и не малого объема. Если вам интересно как именно происходит данный вид превращений(процессы внутри ядра и необходимые условия), то пишите об этом в комментариях!

Взаимодействие с веществом

Как и говорилось раньше, альфа частицы это ядра атома гелия. Они обладают зарядом двух протонов и относительно большой массой. Из-за этого они очень хорошо взаимодействуют с веществом. Главный механизм потерь энергии заряженными частицами в веществе — это ионизационные потери. При прохождении через какое либо тело, кинетическая энергия частицы тратится на возбуждение атомов этой среды — то есть на ионизацию. Относительная ионизация пропорциональна заряду частицы, то есть чем больше заряд, тем сильнее частица ионизирует. Делая вывод для альфа частицы, можно сказать, что она имеет небольшой пробег внутри вещества, но при этом, очень сильно ионизирует вещество.

Применение

Одной из уникальных особенностей альфа излучения является кривая Брэгга. Это зависимость ионизационных потерь от величины пробега внутри вещества.


Тут видно, что она имеет резкий пик. Это явление нашло свое применение в медицине. У человека находят расположение раковой опухоли и облучают потоком альфа частиц с определенной энергией, чтобы этот пик приходился на опухоль. Таким образом удается избежать нежелательных повреждений здоровых органов. Несколько подробнее о таком методе лечения читайте в статье.

Так же свое применение альфа радиоактивность имеет в авиации. На корпусе самолета на некотором расстоянии от него ставится источник альфа излучения, а на самом корпусе его детектор. Так, если на корпусе появляется слой льда, то детектор перестает фиксировать поток, и пилоту сообщается об образовании наледи.

Этим применение альфа радиоактивности не заканчивается, я привел лишь малую часть ее области применения.


Как защититься

Альфа излучение является самым опасным из-за его высокой ионизации, но на счастье оно обладает низкой величиной пробега, поэтому может быть задержано обычным листом бумаги. Но это только при условии, что ядра гелия получаются в результате деления, так как при этом они не обладают высокой энергией. Но если источник попадет внутрь вашего тела(с пылью при дыхании или с пищей), то последствия скорее всего будут смертельными.

На этом все. В этой статье были рассказаны основные вещи касательно альфа излучения. Я постарался донести материал максимально понятным языком, если вам понравилась статья, то не забудьте ее оценить! В следующей статье я расскажу о бета излучении. Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые выпуски!

Источник: zen.yandex.ru

История открытия

На рубеже XIX-XX веков два физика с мировым именем открыли существование альфа-частиц. Это были новозеландский физик Эрнест Резерфорд, который работал в Канаде в городе Монреале, и французский химик и физик Поль Вийяр, который ставил свои эксперименты в Париже. Эти два ученых изучали различные виды радиации по их свойствам проникать через различные среды, а также по их взаимодействию с искусственным магнитным полем.

В результате этих экспериментов Резерфорд выделил три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Альфа-лучи были определены как лучи, имеющие наименьшую проникающую способность через различные предметы среди изучаемых видов радиации.

Элементарные частицы: протоны и нейтроны


В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики — электрический заряд и массу, так как эти критерии определяют во многом ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.

Как было сказано выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон представляет собой элементарную частицу, имеющую массу 1,6726 * 10-27 кг и заряд +1,602 * 10–19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше, чем у протона, то есть составляет 1,67489*10-27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица является электрически нейтральной (отсюда и название — «нейтрон»).

Альфа-частицы и их заряд

Заряд и массу альфа-частицы можно определить, если принимать во внимание названные выше цифры, а также учитывать, что сама частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Заряд альфа-частицы является положительным и равен +3,204 * 10–19 Кл. Отметим, что значение +1,602 * 10–19 Кл принято в физике называть элементарным зарядом, поскольку он равен по модулю этим же величинам у протона и электрона. Таким образом, заряд альфа-частицы равен +2 элементарных заряда.

Масса альфа-частицы


Если учитывать аддитивное свойство физической величины «масса», то можно рассчитать самостоятельно, сколько весит альфа-частица. Приведенные выше цифры для протонов и нейтронов говорят, что масса альфа-частицы равна 6,69498 * 10-27 кг. Получается эта цифра, если сложить массы в покое двух протонов и двух нейтронов. В итоге отношение масс протона и альфа-частицы приблизительно составляет 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.

Однако множество проведенных экспериментов по установлению точной массы этой частицы говорят, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10-27 кг, то есть она меньше на 0,015 * 10-27 кг полученного выше значения. Куда же девается разница? Ответ на этот вопрос достаточно прост — она переходит в энергию. Дело в том, что при образовании альфа-частицы из протонов и нейтронов в результате ядерных взаимодействия между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние — нашу альфа-частицу.

Энергия образования

Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной — скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света в вакууме.


Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10-27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 108 м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10-27 * 9 * 1016 = 1,35 * 10-12 Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10−19 Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 106 эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).

Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv2/2, где v — скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 107 м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.

Основные физические свойства

Альфа-частица тяжелее в 4 раза протона и в 8000 раз — электрона, то есть для мира элементарных частиц она обладает большой массой. Напомним, что масса одного протона или одного нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в единицах элементарного заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а массу — 4. Тогда отношение заряда к массе альфа-частицы равно +1/2 = +0,5.


Поскольку она обладает электрическим зарядом, пролетая через электрическое или магнитное поле, она взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, которая действует на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо воспользоваться так называемым правилом левой руки: четыре пальца следует расположить вдоль вектора движения альфа частицы, а ладонь повернуть таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Тогда оттопыренный под прямым углом большой палец укажет направление действующей силы на движущуюся заряженную частицу.

Альфа-частицы могут разгоняться до больших скоростей, достигающих величин 15 млн км/с, то есть 5 % от скорости света. Ввиду большой массы и огромных скоростей они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может составлять до 10 МэВ.

Проникающая способность

Поскольку альфа-частица обладает значительной массой (по сравнению с массой электрона), а также электрическим зарядом, который по модулю превышает заряд электрона в 2 раза, то ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой вещества, является незначительной.

Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, которая приводит к ионизации атомов, то есть к отрыву электронов от них. Например, проходя всего 5 см в воздухе, альфа-частица испытывает огромное число столкновений и практически полностью теряет свою кинетическую энергию.


Любое твердое вещество легко задерживает альфа-частицу. Так, она не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм задерживает поток любой интенсивности из альфа-частиц. Еще раз отметим, хотя проникающая способность этой частицы мала, она очень сильно ионизирует всякое вещество, через которое движется.

Альфа-частица — продукт радиоактивного распада

Несмотря на то что альфа-частица состоит из протонов и нейтронов, из этих элементарных частиц она в природе не образуется, а получается в результате радиоактивного альфа-распада некоторых химических элементов.

Альфа-распад является одним из видов радиоактивного распада, в результате которого атомное ядро некоторого химического элемента, испуская альфа-частицу, превращается в ядро другого элемента, масса которого на 4 а.е.м. меньше, чем эта величина у родительского ядра, а порядковый номер в таблице Менделеева на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента.

Альфа-распад бывает спонтанным (происходит произвольным образом в природе) и вынужденным (вызван в результате какого-либо специального воздействия на атомное ядро). Спонтанный распад характерен только для очень тяжелых атомных ядер. Так, самым легким элементом, который испытывает спонтанный альфа-распад, является теллурий 106. Уран 238 также претерпевает альфа-распад с образованием технеция 234.

Поскольку альфа-частица обладает двойным положительным элементарным зарядом, она при распаде радиоактивного ядра быстро захватывает электроны, образуя при этом атом гелия. Именно по этой причине во многих породах с большим содержанием альфа-радиоактивных элементов имеются полости, заполненные газом гелием, например в минералах, богатых ураном или торием. Основным источником альфа-частиц на Земле является благородный газ радон, который находится в почве, воде, воздухе и различных типах горных пород.

Источник: FB.ru

См. также

  • Альфа-распад
  • Бета-частица
  • Гамма-излучение
  • Гелион
  • Нейтрон
  • Ядерная реакция

Источник: dic.academic.ru

Открытие в ядерной физике

Впервые о данном явлении упомянул ученый Э. Резерфорд еще вначале XX в., который в числе первых предположил наличие бета, гамма и, конечно же, альфа частиц, провел много опытов превращения ядер азота в ядра кислорода. Среди нескольких видов излучений, альфа излучение наиболее безопасное для живых существ.

Основные характеристики

Альфа частица выглядит как симметричный объект в виде сферы, при  радиусе  приблизительно  2·10-13 см. Что касается ее массы,  то это — 6.6·10-27 кг. Скорость ее передвижения довольно низкая,  при выхождении из ядра, она способна перемещаться еще некоторое расстояние, затем останавливается.

При близком контакте с  кожей человека она способна проникнуть на расстояние всего  нескольких микрон. Это объясняется процессом ионизации, при котором поток отдает большую часть своей первоначальной энергии.

Взаимодействие альфа излучения с различными веществами

Частицы, образующие альфа излучение, являются довольно тяжелыми, вследствие чего у них небольшая скорость. Также, стоит отметить, что большое количество своей энергии они передают поглотителю при малой скорости, при этом образуется большое количество  пар ионов. Для примера рассматривается частица со скоростью 20 мм/с которая способна образовать в воздухе приблизительно сто тысяч пар ионов.

Влияние на живые организмы

Внешняя проникающая способность данного излучения небольшая, может вполне задерживаться слоем бумаги. При малом внешнем воздействии возможно развитие злокачественных образований и нарушение правильного обмена веществ. Однако, при таком виде подвержены поражению слизистые участки тела и глаза, которые не поддаются дальнейшему излечению.

В процессе большого количества исследований, ученые пришли к выводу, что альфа частицы при попадании в живой организм с помощью пищи, воды и воздуха могут принести поистине катастрофические разрушения, поскольку они полностью сжигают живой организм изнутри. Особенно опасными признаны альфа частицы плутония 239, которые активно накапливаются в почках, печени, легких, селезенке и приводят к тяжелой форме лучевой болезни, затем и к скорому летальному исходу.


Научно-популярный фильм о Эрнесте Резерфорде

Источник: SpaceGid.com

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Какой из типов радиоактивного излучения представляет собой поток положительно заряженных частиц?

1) ​( alpha )​-излучение
2) ​( beta )​-излучение
3) ​( gamma )​-излучение
4) поток нейтронов

2. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение. Что представляет собой гамма-излучение?

1) поток электронов
2) поток нейтронов
3) поток ядер атомов гелия
4) электромагнитное излучение

3. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Каковы знак и модуль заряда бета-частиц?

1) отрицательный и равный элементарному заряду
2) положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3) положительный и равный по модулю элементарному заряду
4) альфа-частицы не имеют заряда

4. Радиоактивный препарат помещен в магнитное поле. В этом поле не отклоняются

A. ​( alpha )​-лучи
Б. ( beta )-лучи
B. ( gamma )-лучи

Правильный ответ

1) только А
2) только А и Б
3) только В
4) только А и В

5. Какое из трёх типов излучения — ​( alpha )​, ​( beta )​ или ​( gamma )​ — обладает наименьшей проникающей способностью?

1) ​( alpha )​
2) ( beta )
3) ( gamma )
4) проникающая способность всех типов излучения одинакова

6. Какой вывод можно было сделать из результатов опытов Резерфорда?

1) атом представляет собой положительно заряженный шар, в который вкраплены электроны
2) ядро атома имеет такие же размеры, что и ​( alpha )​-частицы
3) атом имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны
4) атом излучает и поглощает энергию порциями

7. Почему в опыте Резерфорда большая часть ​( alpha )​-частиц практически не отклоняется от прямолинейной траектории?

1) ядро атома имеет малые но сравнению с ( alpha )-частицей размеры
2) ядро атома имеет положительный заряд
3) ядро атома имеет малые по сравнению с атомом размеры
4) ядро атома притягивает ( alpha )-частицы

8. Суммарный заряд электронов в нейтральном атоме:

1) отрицательный и равен по модулю заряду ядра
2) положительный и равен по модулю заряду ядра
3) может быть положительным или отрицательным, но равным по модулю заряду ядра
4) отрицательный и всегда больше по модулю заряда ядра

9. Число электронов в нейтральном атоме равно

1) числу нейтронов в ядре
2) числу протонов в ядре
3) суммарному числу нейтронов и протонов
4) разности между числом протонов и нейтронов

10. Атом становится отрицательно заряженным ионом, если

1) он потеряет электроны
2) к нему присоединятся электроны
3) он потеряет протоны
4) к нему присоединятся протоны

11. Установите соответствие между видом излучения (в левом столбце таблицы) и его характеристикой (в правом столбце таблицы). В таблице под номером вида излучения левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ВЕЛИЧИНА
A. Альфа-излучение
Б. Бета-излучение
B. Гамма-излучение

ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Отрицательный заряд, равный двум элементарным зарядам
2. Отрицательный заряд, равный элементарному заряду
3. Положительный заряд, равный по модулю двум элементарным зарядам
4. Положительный заряд, равный по модулю элементарному заряду
5. Отсутствие заряда

12. Из приведённых ниже высказываний выберите 2 правильных и запишите их номера в таблицу.

1) магнитное поле не действует на гамма-излучение
2) магнитное поле сильнее отклоняет альфа-частицы
3) магнитное поле сильнее отклоняет бета-частицы
4) все три вида излучения, обнаруженные при исследовании естественной радиоактивности, отклоняются магнитным полем
5) радиоактивностью обладают все элементы таблицы Менделеева

Источник: fizi4ka.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.