Альфа-частинка являє собою ядро гелію. Якщо у атома гелію прибрати електронну оболонку, то залишиться ця частка. Вона складається з двох протонів і двох нейтронів, має сферичну форму з радіусом 10-5 метра. Маса альфа-частинки становить 6,68 * 10-27 кілограм.
Історія відкриття
На рубежі XIX-XX століть два фізика зі світовим ім’ям відкрили існування альфа-частинок. Це були новозеландський фізик Ернест Резерфорд, що працював в Канаді в місті Монреалі, і французький хімік і фізик Поль Вийяр, який ставив свої експерименти в Парижі. Ці два вчених вивчали різні види радіації за їх властивостями проникати через різні середовища, а також за їх взаємодії з штучним магнітним полем.
В результаті цих експериментів Резерфорд виділив три типу радіоактивного випромінювання: альфа, бета і гамма. Альфа-промені були визначені як промені, що мають найменшу проникну здатність через різні предмети серед досліджуваних видів радіації.
Елементарні частинки: протони і нейтрони
У фізиці будь-якій частці прийнято приписувати дві основні характеристики – електричний заряд і масу, так як ці критерії визначають у чому її властивості і поведінка в конкретних фізичних умовах.
Як було сказано вище, альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів. Протон являє собою елементарну частинку, яка має масу 1,6726 * 10-27 кг і заряд +1,602 * 10-19 Кл. Що стосується нейтрона, то його маса в 1,00137 разів більше, ніж у протона, тобто становить 1,67489*10-27 кг Заряд нейтрона дорівнює нулю, тобто ця частка є електрично нейтральною (звідси і назва – “нейтрон”).
Альфа-частинки і їх заряд
Заряд і масу альфа-частинки можна визначити, якщо брати до уваги названі вище цифри, а також враховувати, що сама частинка складається з двох протонів і двох нейтронів. Заряд альфа-частинки є позитивним і дорівнює +3,204 * 10-19 Кл. Відзначимо, що значення +1,602 * 10-19 Кл прийнято у фізиці називати елементарним зарядом, оскільки він дорівнює по модулю цим же величин у протона й електрона. Таким чином, заряд альфа-частинки дорівнює +2 елементарних заряду.
Маса альфа-частинки
Якщо враховувати адитивний властивість фізичної величини “маса”, то можна розрахувати самостійно, скільки важить альфа-частинка. Наведені вище цифри для протонів і нейтронів кажуть, що маса альфа-частинки дорівнює 6,69498 * 10-27 кг Виходить ця цифра, якщо скласти маси в спокої двох протонів і двох нейтронів. В результаті відношення мас протони й альфа-частинки становить приблизно 1/4. Тобто альфа-частинка в чотири рази важче протона.
Однак безліч проведених експериментів по встановленню точної маси цієї частки кажуть, що маса спокою альфа-частинки становить 6,68 * 10 * 10-27 кг, тобто вона менше на 0,015 * 10-27 кг отриманого вище значення. Куди ж дівається різниця? Відповідь на це питання досить проста – вона переходить в енергію. Справа в тому, що при утворенні альфа-частинки з протонів і нейтронів в результаті ядерних взаємодії між ними виділяється енергія у вигляді електромагнітного випромінювання, два протони і два нейтрона переходять в більш вигідну енергетичний стан – нашу альфа-частинку.
Енергія утворення
Щоб розрахувати енергію освіти альфа-частинки, слід скористатися відомим рівнянням Ейнштейна, яка зв’язує масу і енергію через одну з фундаментальних постійних нашого Всесвіту – швидкість світла. Це рівняння має вигляд: E = mc2, де E – енергія, m – маса, з – швидкість світла у вакуумі.
Знаючи, що при утворенні альфа-частинки маса її компонентів зменшується на 0,015 * 10-27 кг, а також знаючи, що швидкість світла дорівнює 3 * 108 м/с, отримуємо енергію, яка виділяється під час цього процесу. Вона дорівнює E = 0,015 * 10-27 * 9 * 1016 = 1,35 * 10-12 Дж. У фізиці елементарних частинок прийнято енергії записувати в електрон-вольтах (ев). Один електрон-вольт дорівнює 1,602177 * 10-19 Дж. Тоді енергія утворення альфа-частинки дорівнює 8,426 * 106 ев, або 8,426 Мев (мегаэлектрон-вольт).
Щоб зрозуміти, наскільки велика ця енергія, можна провести простий розрахунок. Уявімо, що вся енергія утворення альфа-частинки перекладається на її прискорення. Користуючись рівнянням Лоренца для нерелятивістських швидкостей, тобто вважаючи, що кінетична енергія-альфа частинки дорівнює mv2/2, де v – швидкість її руху, отримуємо, що цієї енергії освіти буде достатньо, щоб розігнати альфа-частинку до швидкості 2 * 107 м/c, що становить 6,7 % від швидкості світла у вакуумі. Зазначимо, що ставити питання про те, на скільки збільшиться маса альфа-частинки при таких швидкостях, не має сенсу, оскільки збільшенням її маси можна знехтувати, так як вона складе всього 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.
Основні фізичні властивості
Альфа-частинка важче в 4 рази протона і в 8000 разів – електрона, тобто для світу елементарних частинок вона володіє великою масою. Нагадаємо, що маса одного протона або нейтрона в атомних одиницях (а.е.м.) дорівнює 1, а заряд протона дорівнює +1 в одиницях елементарного заряду, тобто альфа-частинка має заряд +2, а масу – 4. Тоді відношення заряду до маси альфа-частинки дорівнює +1/2 = +0,5.
Оскільки вона володіє електричним зарядом, пролітаючи через електричне або магнітне поле, вона взаємодіє з ним. Щоб визначити напрямок сили, що діє на альфа-частинку в магнітному полі, необхідно скористатися так званим правилом лівої руки: чотири пальці слід розташувати уздовж вектора руху альфа частинки, а долоню повернути таким чином, щоб лінії магнітної індукції входили в неї. Тоді оттопыренный під прямим кутом великий палець вкаже напрям діючої сили на рухому заряджену частинку.
Альфа-частинки можуть розганятися до великих швидкостей, досягають величин 15 млн км/з, тобто 5 % від швидкості світла. Зважаючи на великий маси і величезних швидкостей вони набувають значну кінетичну енергію, яка може становити до 10 Мев.
Проникаюча здатність
Оскільки альфа-частинка володіє значною масою (у порівнянні з масою електрона), а також електричним зарядом, який по модулю перевищує заряд електрона в 2 рази, то її проникаюча здатність, тобто здатність проходити через шар речовини, є незначною.
Під час свого руху альфа-частинка відчуває зіткнення з атомами, передаючи їм значну кількість енергії, яка призводить до іонізації атомів, тобто до відриву електронів від них. Наприклад, проходячи всього 5 см у повітрі, альфа-частинка відчуває величезне число зіткнень і практично повністю втрачає свою кінетичну енергію.
Будь-яка тверда речовина легко затримує альфа-частинку. Так, вона не може пройти через шар з кількох аркушів паперу, а алюмінієва пластина товщиною 0,1 мм затримує потік будь-якої інтенсивності з альфа-частинок. Ще раз відзначимо, хоча проникаюча здатність цієї частки мала, вона дуже сильно іонізує всяке речовина, через яке рухається.
Альфа-частинка – продукт радіоактивного розпаду
Незважаючи на те, що альфа-частинка складається з протонів і нейтронів, з цих елементарних частинок вона в природі не утворюється, а виходить в результаті радіоактивного альфа-розпаду деяких хімічних елементів.
Альфа-розпад є одним з видів радіоактивного розпаду, у результаті якого атомне ядро певного хімічного елемента, випускаючи альфа-частинку, перетворюється в ядро іншого елемента, маса якого на 4 а.е.м. менше, ніж ця величина батьківського ядра, а порядковий номер у таблиці Менделєєва на 2 одиниці менше, ніж у вихідного елемента.
Альфа-розпад буває спонтанним (відбувається довільним чином в природі) та вимушеним (викликаний в результаті якого-небудь спеціального впливу на атомне ядро). Спонтанний розпад характерний тільки для дуже важких атомних ядер. Так, найлегшим елементом, який відчуває спонтанний альфа-розпад, є теллурий 106. Уран 238 також зазнає альфа-розпад з утворенням технецію 234.
Оскільки альфа-частинка володіє подвійним позитивним елементарним зарядом, вона при розпаді радіоактивного ядра швидко захоплює електрони, утворюючи при цьому атом гелію. Саме з цієї причини в багатьох породах з великим вмістом альфа-радіоактивних елементів є порожнини, заповнені газом гелієм, наприклад, в мінералах, багатих ураном або торієм. Основним джерелом альфа-частинок на Землі є благородний газ радон, який знаходиться в ґрунті, воді, повітрі та на різних типах гірських порід.
