Alfa bozunması

Alfa bozunması veya a-bozunması, bir atom çekirdeğinin bir alfa parçacığı (helyum çekirdeği) yaydığı ve böylece kütle numarası dörde indirgenmiş ve atom numarası ikiye indirilmiş farklı bir atom çekirdeğine dönüşür veya "bozunduğu" bir tür radyoaktif bozunmadır. Bir alfa parçacığı, iki proton ve iki nötrondan oluşan bir helyum-4 atomunun çekirdeğiyle aynıdır. Yükü +2 e ve kütlesi 4 u. Örneğin uranyum-238, toryum-234'ü oluşturmak için bozunur. Alfa parçacıklarının yükü +2 e'dir, ancak bir nükleer denklem olarak, elektronları dikkate almadan bir nükleer reaksiyonu tanımladığı için - çekirdeklerin zorunlu olarak nötr atomlarda meydana geldiği anlamına gelmeyen bir konvansiyon - yük genellikle gösterilmez. Alfa bozunması tipik olarak en ağır çekirdeklerde meydana gelir. Teorik olarak, yalnızca nükleon başına toplam bağlanma enerjisinin artık minimum olmadığı ve bu nedenle çekirdeklerin kendiliğinden fisyon tipi işlemlere karşı kararsız olduğu nikelden biraz daha ağır çekirdeklerde (element 28) meydana gelebilir. Pratikte, bu bozulma modu sadece nikelden önemli ölçüde daha ağır olan çekirdeklerde gözlenmiştir, bilinen en hafif alfa yayıcılar tellürün (element 52) en hafif izotoplarıdır (kütle numaraları 104-109). Ancak istisnai olarak berilyum-8 iki alfa parçacığına bozunur. Alfa bozunması, ana atomun tanımlanmış bir yavru nükleon koleksiyonunu çıkararak geride başka bir tanımlanmış ürün bıraktığı en yaygın küme bozunması biçimidir. Son derece yüksek nükleer bağlanma enerjisi ve alfa parçacığının nispeten küçük bir kütlesi nedeniyle en yaygın formdur. Diğer küme bozunmaları gibi, alfa bozunması da temelde bir kuantum tünelleme sürecidir. Beta bozunmasının aksine, hem nükleer kuvvet hem de elektromanyetik kuvvet arasındaki etkileşim tarafından yönetilir. Alfa parçacıkları tipik kinetik enerjileri 5 MeV (veya toplam enerjilerinin ≈ %0,13'ü, 110 TJ/kg) ve yaklaşık 15.000.000 m/s veya ışık hızının %5'i hıza sahiptir. Bu sürecin yarı ömrünün üretilen enerjiye aşırı derecede bağımlı olması nedeniyle, bu enerjinin etrafında şaşırtıcı derecede küçük farklılıklar vardır. Nispeten büyük kütleleri, +2 e'lik elektrik yükleri ve nispeten düşük hızları nedeniyle, alfa parçacıkları diğer atomlarla etkileşime girme ve enerjilerini kaybetme olasılığı çok yüksektir ve ileri hareketleri birkaç santimetre hava ile durdurulabilir. Dünyada üretilen helyumun yaklaşık %99'u, uranyum veya toryum içeren yer altı mineral yataklarının alfa bozunmasının bir sonucudur. Helyum, doğal gaz üretiminin bir yan ürünü olarak yüzeye çıkarılır.

Tarihçe

Alfa parçacıkları ilk olarak 1899'da Ernest Rutherford tarafından radyoaktivite araştırmalarında tanımlandı ve 1907'de He²⁺ iyonları olarak tanımlandılar. 1928'de George Gamow, tünel açma yoluyla alfa bozunması teorisini çözdü. Alfa parçacığı, çekirdek tarafından potansiyel bir kuyuya hapsolmuştur. Klasik olarak, kaçmak yasaktır, ancak (o zaman) yeni keşfedilen kuantum mekaniğinin ilkelerine göre, bariyerden "tünel açma" ve çekirdekten kaçmak için diğer tarafta görünme çok küçük olasılığı (ancak sıfır olmayan) vardır. Gamow çekirdek için bir model potansiyeli çözdü ve ilk prensiplerden yola çıkarak, daha önce ampirik olarak keşfedilen ve Geiger-Nuttall yasası olarak bilinen, bozunmanın yarı ömrü ile emisyon enerjisi arasında bir ilişki türetti.

Mekanizma

Atom çekirdeğini bir arada tutan nükleer kuvvet çok güçlüdür, genel olarak protonlar arasındaki itici elektromanyetik kuvvetlerden çok daha güçlüdür. Bununla birlikte, nükleer kuvvet de kısa menzilli olup, gücü yaklaşık 1 femtometrenin ötesine hızla düşerken, elektromanyetik kuvvet sınırsız bir menzile sahiptir. Çekirdeği bir arada tutan çekici nükleer kuvvetin gücü, bu nedenle nükleonların sayısı ile orantılıdır, ancak çekirdeği parçalamaya çalışan toplam bozucu elektromanyetik kuvvet, atom numarasının karesiyle kabaca orantılıdır. 210 veya daha fazla nükleonlu bir çekirdek o kadar büyüktür ki, onu bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet, içerdiği protonlar arasındaki elektromanyetik itmeyi zar zor dengeleyebilir. Alfa bozunması, bu tür çekirdeklerde boyutu küçülterek kararlılığı artırmanın bir yolu olarak meydana gelir.

Bir ilginçlik, neden tek bir proton veya nötron veya diğer atom çekirdeği gibi diğer parçacıkların aksine alfa parçacıklarının, yani helyum çekirdeklerinin tercihli olarak yayılması gerektiğidir. Ana neden, alfa parçacığının çok yüksek bağlanma enerjisidir. Denklem tarafından verilen toplam parçalanma enerjisi şu şekilde hesaplanır:

$E=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2}$

$m_{\text{i}}$ çekirdeğin ilk kütlesi olduğunda, $m_{\text{f}}$ çekirdeğin parçacık emisyonundan sonraki kütlesi ve $m_{\text{p}}$, yayılan parçacığın kütlesi olduğunda, alfa parçacık emisyonunun genellikle sadece çekirdeğin kendisinden gelen enerjiyle mümkün olacağını gösterirken, diğerleri bozunma modları ek enerji gerektirir. Örneğin, uranyum-232 için hesaplama yapmak, alfa parçacık emisyonunun yalnızca 5,4 MeV'ye ihtiyaç duyacağını, tek bir proton emisyonunun ise 6,1 MeV gerektireceğini göstermektedir. Bu parçalanma enerjisinin çoğu, alfa parçacığının kinetik enerjisi haline gelir, ancak momentumun korunmasını sağlamak için bu enerjinin bir kısmı çekirdeğin geri tepmesi olur. Bununla birlikte, alfa yayan radyoizotopların çoğunun kütle sayıları, alfa parçacığının (4) kütle sayısından çok daha büyük olan 210'u aştığından, enerjinin çekirdeğin geri tepmesine giden kısmı genellikle oldukça küçüktür.

Bununla birlikte, bu parçalanma enerjileri, alfa parçacığının kaçmasını önleyen nükleer kuvvet tarafından sağlanan potansiyel engelden önemli ölçüde daha küçüktür. İhtiyaç duyulan enerji genellikle yaklaşık 25 MeV aralığındadır, bir alfa parçacığını sonsuzdan çekirdeğe yakın bir noktaya nükleer kuvvetin etki aralığının hemen dışındaki bir noktaya getirmek için elektromanyetik itmeye karşı yapılması gereken iş miktarıdır. Bir alfa parçacığının, duvarları 25 MeV olan potansiyel bir bariyerin içinde olduğu düşünülebilir. Bununla birlikte, bozunma alfa parçacıkları, kaçmak için gereken enerjiden çok daha az olan, yalnızca 4 MeV ile yaklaşık 9 MeV arasında kinetik enerjilere sahiptir.

Ancak kuantum mekaniği, alfa parçacığının kuantum tünelleme yoluyla kaçmasına izin verir. George Gamow ve Ronald Wilfred Gurney ve Edward Condon tarafından 1928'de bağımsız olarak geliştirilen alfa bozunmasının kuantum tünelleme teorisi, kuantum teorisinin çok çarpıcı bir doğrulaması olarak takdir edildi. Esasen, alfa parçacığı çekirdekten, kendisini çevreleyen duvarın üzerinden geçecek kadar enerji elde ederek değil, duvardan tünel açarak kaçar. Gurney ve Condon, konuyla ilgili makalelerinde şu gözlemi yaptılar:

Şimdiye kadar çekirdeğin bazı özel keyfi 'istikrarsızlığını' varsaymak gerekliydi, ancak aşağıdaki notta, dağılmanın herhangi bir özel hipotez olmaksızın kuantum mekaniği yasalarının doğal bir sonucu olduğuna işaret ediliyor ... α parçacığının çekirdekteki yerinden fırlatıldığı patlayıcı şiddet hakkında Çok şey yazıldı. Ancak, yukarıda resmedilen süreçten, α parçacığının neredeyse fark edilmeden kaydığı söylenebilir.

Teori, alfa parçacığının, çekirdek içinde sürekli hareket halinde olan ancak çekirdek içinde nükleer kuvvetler tarafından tutulan bağımsız bir parçacık olarak kabul edilebileceğini varsayar. Nükleer kuvvetin potansiyel bariyeriyle her çarpışmada, çıkış yolunu tünelle açması için sıfırdan farklı küçük bir olasılık vardır. Yaklaşık 10⁻¹⁴ m'lik bir nükleer çap içinde 1.5 × 10⁷ m/s hıza sahip bir alfa parçacığı, bariyerle saniyede 10²¹ defadan fazla çarpışacaktır. Bununla birlikte, her çarpışmada kaçma olasılığı çok küçükse, toplam kaçış olasılığının %50'ye ulaşması için gereken süre olduğundan, radyoizotopun yarı ömrü çok uzun olacaktır. Uç bir örnek olarak, bizmut-209 izotopunun yarı ömrü 2.01 x 10¹⁹ yıldır.

Beta bozunması kararlı izobarlardaki izotoplar, kütle numarası A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162, ve A ≥ 165 ile çift beta bozunması açısından da kararlıdır. bozunma (kütle 5 bozunması helyum-4'e ve bir proton veya bir nötrona sahip olanlar ve kütle 8 bozunması iki helyum-4 çekirdeğine olanlar; yarı ömürleri (helyum-5, lityum-5 ve berilyum-8) çok uzun olan A 209 ile diğer tüm çekirdekler için yarı ömürlerin aksine çok kısadır. A 209 olan bu tür diğer tüm çekirdekler, A = 146 hariç ilkel çekirdeklerdir). Bununla birlikte, yalnızca 'A = 5, 8, 144, 146, 147, 148, 151, 186, ve ≥ 209 olan bu tür çekirdeklerin alfa bozunması olduğu gözlemlenmiştir (bozunma ayrıca A = 145, 149, 182, 183, 184, 192, 204, ve 208). Diğer tüm kütle sayıları (izobarlar) tam olarak bir teorik olarak kararlı çekirdeklere sahiptir).

Teorinin ayrıntılarını çalışmak, bir radyoizotopun yarı ömrünü, ampirik Geiger-Nuttall yasasının teorik bir türevi olan alfa parçacıklarının bozunma enerjisiyle ilişkilendiren bir denkleme götürür.

Kullanımlar

Bir alfa yayıcı olan Americium-241, duman dedektörlerinde kullanılır. Alfa parçacıkları havayı açık bir iyon odasında iyonize eder ve iyonize havadan küçük bir akım geçer. Yangından odaya giren duman parçacıkları akımı düşürerek duman dedektörünün alarmını tetikler.

Alfa bozunması, uzay sondaları için kullanılan ve yapay kalp pili için kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratörleri için güvenli bir güç kaynağı sağlayabilir. Alfa bozunması, diğer radyoaktif bozunma türlerinden çok daha kolay korunur.

Statik eliminatörler, havayı iyonize etmek için tipik olarak bir alfa yayıcı olan polonyum-210'u kullanır ve "statik yapışmanın" daha hızlı dağılmasını sağlar.

Toksisite

Yüksek yüklü ve ağır alfa parçacıkları, çok kısa bir ortalama serbest yolla birlikte küçük bir malzeme hacmi içinde birkaç MeV enerjisini kaybeder. Bu, içsel kontaminasyon durumlarında, yutulduğunda, solunduğunda, enjekte edildiğinde veya deri yoluyla verildiğinde DNA'da çift sarmallı kırılma olasılığını artırır. Aksi takdirde, bir alfa kaynağına dokunmak genellikle zararlı değildir, çünkü alfa parçacıkları epidermisi oluşturan birkaç santimetre hava, bir kağıt parçası veya ince ölü deri hücreleri tabakası tarafından etkin bir şekilde korunur; ancak, birçok alfa kaynağına beta yayan radyo bağları da eşlik eder ve her ikisine de sıklıkla gama foton emisyonu eşlik eder.

RBE göreceli biyolojik etkililiği, radyasyonun eşdeğer radyasyona maruz kalma için belirli biyolojik etkilere, özellikle kanser veya hücre ölümüne neden olma kabiliyetini ölçer. Alfa radyasyonu, alfa parçacığının hareketinin her angstromu için bir molekül / atomun yaklaşık bir iyonlaşması olan yüksek bir doğrusal enerji transfer (LET) katsayısına sahiptir. RBE, çeşitli hükümet düzenlemeleri tarafından alfa radyasyonu için 20 değerine ayarlanmıştır. RBE, nötron ışınlaması için 10'a ve beta radyasyonu ve iyonlaştırıcı fotonlar için 1'e ayarlanmıştır.

Bununla birlikte, ana çekirdeğin geri tepmesi (alfa geri tepmesi) ona önemli miktarda enerji verir ve bu da iyonlaşma hasarına neden olur (bkz. İyonlaştırıcı radyasyon). Bu enerji, kabaca alfa (4 u) ağırlığının ebeveynin ağırlığına (tipik olarak yaklaşık 200 u) bölünmesiyle alfa toplam enerjisinin toplamıdır. Bazı tahminlere göre, bu, iç radyasyon hasarının çoğunu açıklayabilir, çünkü geri tepme çekirdeği, bir alfa parçacığından çok daha büyük olan ve çok yoğun bir iyonizasyon izine neden olan bir atomun parçasıdır; atom tipik olarak, tercihen kromozomlar üzerinde toplanan bir ağır metaldir. Bazı çalışmalarda, bu, hükümet düzenlemelerinde kullanılan değer yerine 1.000'e yaklaşan bir RBE ile sonuçlanmıştır.

Kamusal radyasyon dozuna en büyük doğal katkı, toprakta ve kayada bulunan doğal olarak oluşan radyoaktif bir gaz olan radondur. Gaz solunursa, bazı radon partikülleri akciğerin iç yüzeyine yapışabilir. Bu parçacıklar, akciğer dokusundaki hücrelere zarar verebilecek alfa parçacıkları yayarak bozulmaya devam ediyor. Marie Curie'nin 66 yaşında aplastik anemiden ölümüne muhtemelen uzun süre yüksek doz iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmaya neden oldu, ancak bunun alfa radyasyonundan mı yoksa X ışınlarından mı kaynaklandığı net değil. Curie, beta ve gama ışınları yayan diğer radyoaktif maddelerle birlikte radona dönüşen radyumla yoğun bir şekilde çalıştı. Bununla birlikte, Curie, Birinci Dünya Savaşı sırasında korumasız X-ışını tüpleriyle de çalıştı ve bir yeniden yapılanma sırasında iskeletinin analizi, nispeten düşük seviyede radyoizotop yükü gösterdi.

Rus muhalif Alexander Litvinenko'nun 2006 yılında radyasyon zehirlenmesiyle öldürülmesinin bir alfa yayıcı olan polonyum-210 ile gerçekleştirildiği düşünülüyor.