Alfa-parchalanish

Alfa-parchalanish (α-parchalanish) — radioaktiv parchalanishning yadroda yuz beradigan turi bo‘lib, bunda ikki karra magik geliy yadrosi ⁴He — alfa-zarracha ajralib chiqadi. Bunda yadroning massa soni, Soddi va Fayansning radioaktiv siljish qoidasiga muvofiq, 4 taga, atom raqami esa 2 taga kamayadi.

Alfa-parchalanish — klasterli parchalanishning eng keng tarqalgan turi. Bu jarayonda dastlabki atom muayyan guruhdagi nuklonlarni (proton va neytronlarni) chiqaradi. Buning sababi shundaki, alfa-zarracha (⁴He) ajralib chiqishi ko‘p hollarda boshqa zarralarning (masalan, proton yoki geliy yadrosi ³He) ajralib chiqishiga qaraganda kamroq energiya talab etadi.

Alfa-parchalanish og‘ir yadrolarga, shuningdek, yuqori energiyali holatdagi izotoplarga va istisno tariqasida berilliy ⁸Be izotopiga xosdir.

Alfa-parchalanishning umumiy formulasi quyidagicha:

\ _{Z}^{A}{\rm {X}}\rightarrow _{Z-2}^{A-4}{\rm {Y}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}}).

Alfa-parchalanishga misol: uran izotopi — ²³⁸U:

\ _{92}^{238}{\rm {U}}\rightarrow _{90}^{234}{\rm {Th}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}}).

Jarayon mexanizmi va nazariyasi

Yadro va elektromagnit kuchlarning muvozanati

Atom yadrosida kuchli yadroviy o‘zaro ta’sir kuchlari nuklonlarni (neytron va protonlarni) birga ushlab turadi. Bu kuchlar nihoyatda katta bo‘lib, protonlar (bir xil musbat zaryadga ega zarralar) orasidagi elektromagnit itarilish kuchidan ustundir. Biroq kuchli o‘zaro ta’sir masofaga juda bog‘liq bo‘lib, $3\cdot 10^{-15}$ metrdan katta masofalarda keskin susayadi. Elektromagnit itarilish esa masofaga ancha kam bog‘liq. Shunday qilib, yadro ichidagi tortishish kuchi taxminan nuklonlarning umumiy soniga, protonlarning «yemiruvchi» itarilish kuchi esa taxminan nuklonlar sonining kvadratiga mutanosibdir. Katta yadrolarda kuchli o‘zaro ta’sir elektromagnit itarilishni zo‘rg‘a muvozanatlashtiradi. Bunday yadrolar uchun alfa-parchalanish o‘z hajmini kichraytirish orqali barqarorlikni oshirish usuliga aylanadi.

Aynan alfa-zarrachalarning (alohida proton yoki neytronlarning emas) ko‘proq ajralib chiqishi alfa-zarrachaning yuqori bog‘lanish energiyasi bilan izohlanadi. Alfa-zarrachaning massasi ikkita erkin proton va ikkita erkin neytron massalari yig‘indisidan kichik. Bu parchalanishda ajraladigan energiyani oshiradi. Parchalanish energiyasi quyidagi formula bilan hisoblanadi: $Q=(M_{i}-M_{f}-m_{\alpha })\cdot c^{2},$ bu yerda $M_{i}$ — yadroning boshlang‘ich massasi, $M_{f}$ — zarracha ajralganidan keyingi yadro massasi, $m_{\alpha }$ — alfa-zarrachaning massasi. Alfa-parchalanish faqat ushbu qiymat musbat bo‘lgandagina mumkin (dastlabki yadro massasi bog‘lanish energiyasi sababli kichikroq bo‘lishi mumkin). Masalan, ²³²U parchalanganda alfa-zarrachaning ajralishi natijasida 5,4 MeV energiya ajraladi. Alohida proton ajralishi uchun 6,1 MeV, geliyning boshqa izotopi uchun esa 9,6 MeV energiya sarflash kerak bo‘lardi. Ushbu izotop — ³He.

Kvant tunnellanishi

Alfa-parchalanish kuchli va elektromagnit maydonlarning o‘zaro ta’siri bilan belgilanadi. Potensial to‘siqni yengib o‘tish va alfa-zarrachani chiqarish uchun taxminan 25 MeV energiya kerak bo‘ladi. Biroq parchalanish paytida alfa-zarrachalarning energiyasi atigi 4 dan 9 MeV gacha bo‘ladi. Demak, yengib bo‘lmaydigan to‘siqning balandligi 16 dan 21 MeV gacha. Klassik fizika nuqtayi nazaridan zarracha yadrodan chiqib keta olmaydi.

Aynan kvant nazariyasiga ko‘ra, alfa-zarrachani atom yadrosi ichida mustaqil zarracha deb qarash mumkin. U doimiy ravishda taxminan $2\cdot 10^{7}$ m/s tezlikda harakatlanadi va $10^{21}$ martadan ko‘proq radiusi $10^{-14}$ metr bo‘lgan potensial to‘siqqa har soniyada uriladi. Har bir to‘qnashuvda kichik, ammo noldan katta tunnel orqali o‘tish ehtimoli bor. Tunnel effektining ehtimoli to‘siq balandligiga eksponensial bog‘liq bo‘lgani sababli, , yarim yemirilish davri alfa-faol yadrolarda alfa-zarracha energiyasi kamaygan sari eksponensial ravishda ortadi (bu Geyger — Nettoll qonunining). Alfa-zarracha energiyasi 2 MeVdan kam bo‘lsa, yashash muddati alfa-faol yadrolarda Koinotning mavjudlik muddatidan ancha uzoq bo‘ladi. Shuning uchun tabiiy izotoplarning ko‘pchiligi seriydan og‘irroq izotoplarning aksariyati nazariy jihatdan shu yo‘l bilan parchalana olsa ham, bunday parchalanish ulardan faqat ayrimlarida kuzatilgan.

Nurlanishning fizik xossalari

Alfa-zarrachaning uchib chiqish tezligi taxminan 5% yorug‘lik tezligiga teng. Odatda bu ko‘rsatkich 15 000 km/s atrofida bo‘lib, turli yadrolarda 9 400 km/s dan 23 700 km/s gacha o‘zgaradi (mos ravishda ¹⁴⁴Nd va ^212mPo yadrolarida). Muayyan izotop uchun zarrachalarning kinetik energiyasi juda barqaror bo‘lib, odatda 4 dan 9 MeV gacha bo‘ladi.

Parchalanish energiyasining asosiy qismi alfa-zarrachaning kinetik energiyasiga aylanadi. Biroq impulsning saqlanish qonuniga ko‘ra, energiyaning kichik qismi hosila yadroga (tepki olgan yadroga) ham o‘tadi. Og‘ir hosila yadroning massasi alfa-zarrachanikidan ancha katta bo‘lgani uchun tepki energiyasi umumiy energiyaning 2 foizidan kamini tashkil etadi.

Tarix

Alfa-nurlanishni birinchi bo‘lib britaniyalik fizik Ernest Rezerford 1899-yilda radioaktivlikni o‘rganish paytida tavsiflagan. U kirib boruvchi nurlanishning uch turini (alfa-, beta- va gamma-nurlanishni) ularning moddalardan o‘tish qobiliyati ortib borishiga qarab nomlagan. Ayni paytda Parijda fransuz fizigi Pol Viyyar ayrim tabiiy elementlarning radioaktiv nurlanishi bo‘yicha shunga o‘xshash tajribalar o‘tkazgan, biroq Rezerforddan oldin bu nurlanishni magnit maydoni yordamida alohida turlarga ajratishga ulgurmagan.

1907-yilda alfa-nurlanish zarralari ikki musbat zaryadli geliy ionlari, ya’ni ⁴He geliy atomining yadrolari ekani isbotlangan.

1928-yilda fiziklar Georgiy Gamov hamda undan mustaqil ravishda Ronald Gyorni va Edvard Kondon yaqinda kashf etilgan kvant mexanikasi tamoyillariga tayangan holda alfa-parchalanishning birinchi miqdoriy nazariyasini ishlab chiqqan. Ular jarayonni kvant tunnellanishi orqali izohlashgan. Gamov alfa-radioaktiv yadro uchun model potensialni nazariy jihatdan hisoblab, yarim yemirilish davri bilan uchib chiquvchi zarralar energiyasi o‘rtasidagi ilgari tajriba yo‘li bilan topilgan va Geyger — Nettoll qonuni deb ataladigan bog‘lanishni asosiy fizik tamoyillardan keltirib chiqargan.

Tarqalishi

Alfa-parchalanish, yuqori energiyali holatdagi izotoplar va berilliy ⁸Be izotopi bundan mustasno, faqat yetarlicha og‘ir yadrolarda kuzatiladi:

Og‘ir yadrolar: Og‘ir alfa-radioaktiv yadrolar massa soni 104 (¹⁰⁴Sb va ¹⁰⁴Te) dan massa soni 114 (¹¹⁴Ba, ¹¹⁴Cs) gacha bo‘lgan oraliqda paydo bo‘la boshlaydi. Massa soni 142 dan boshlab alfa-radioaktiv yadrolar yana uchraydi va izotoplar massasi ortgan sari ularning soni ko‘payadi. Masalan, tabiiy og‘ir elementlar orasida alfa-parchalanish quyidagi izotoplarga xos: ²⁰⁹Bi, ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U; ayrim noyob yer elementlari izotoplariga: ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁷Sm, ¹⁵²Gd; uran va toriyning qisqa umrli parchalanish mahsulotlariga, shuningdek, boshqa elementlarga.
Yengil yadrolar: Yengil elementlar orasida asosiy (qo‘zg‘almagan) holatdan faqat berilliyning ⁸Be izotopi alfa-parchalanadi (2α ga parchalanadi). Yuqori energiyali holatda ko‘proq yengil izotoplarda alfa-parchalanish nazariy jihatdan mumkin: ⁷Be, ¹²C, ¹³C, ¹³N, ¹⁶O, ²²Mg va boshqalar.

Yerdagi geliyning katta qismi yer ostidagi uran yoki toriy saqlovchi mineral konlarida yuz beradigan alfa-parchalanish natijasida hosil bo‘lgan.

Biologik ta’siri va zaharliligi

Alfa-zarrachalar boshqa nurlanish turlariga nisbatan katta massaga, +2 e elektr zaryadiga va nisbatan past tezlikka ega. Shu bois ular atrof-muhit atomlari bilan faol o‘zaro ta’sirlashib, juda qisqa masofada energiyasini tez yo‘qotadi. Ularning harakatini bir necha santimetr havo, bir varaq qog‘oz yoki epidermisning o‘lik shox qatlami to‘xtata oladi.

Shu sababli radioaktiv alfa-manbalardan keladigan (energiyasi 15 MeV gacha bo‘lgan) tashqi nurlanish inson uchun xavfsiz hisoblanadi — zarrachalar tirik hujayralarga yetib bormaydi. Ammo tezlatkichlarda yuqori energiyada olingan zarrachalar hatto tashqi nurlanishda ham sezilarli nurlanish dozasini yuzaga keltirishi mumkin. Bundan tashqari, ko‘plab alfa-manbalar bir vaqtda ko‘proq kirib boruvchi beta- va gamma-nurlanishni ham chiqaradi.

Alfa-radioaktiv elementlar organizmga kirganida ayniqsa xavflidir. Ichki nurlanish (nafas olish, yutish yoki teri orqali kirish natijasida) o‘ta katta xavf tug‘diradi. Alfa-zarrachalar energiyasini tez yo‘qotgani uchun nurlanishning butun energiyasi tirik to‘qimaning mikroskopik hajmida ajralib chiqadi.

Nisbiy biologik samaradorlik (NBS) alfa-nurlanish uchun 20 ga teng deb qabul qilingan. Demak, alfa-zarracha biologik to‘qimaga ayni energiyali gamma-kvant yoki beta-zarrachadan 20 baravar ko‘proq zarar yetkazadi.

Alfa-zarracha va og‘ir hosila yadrolar katta ionlashish zichligiga (yo‘l birligiga to‘g‘ri keladigan molekula yoki atomlarning ionlanishlari soniga) ega bo‘lib, bu hujayralar hamda DNKning jiddiy shikastlanishi va mutatsiyalariga olib keladi. Og‘ir hosila yadro atomlari ko‘pincha xromosomalarda ham to‘planib, buzilishlarni keltirib chiqaradi. Ayrim baholashlarga ko‘ra, tepki olgan yadro ichki radiatsion shikastlanishning katta qismiga sabab bo‘ladi.

Aholining alfa-nurlanishga duchor bo‘lishida eng katta tabiiy manba — radon — tuproqda hosil bo‘ladigan radioaktiv gazdir. Nafas bilan kirganda uning alfa-faol zarralari o‘pkada cho‘kib, o‘pka to‘qimalariga zarar yetkazadi. Radon sigaret tutunida ham uchraydi va chekuvchilarda o‘pka saratonining asosiy sabablaridan biri hisoblanadi.

Alfa-nurlanish o‘ta kanserogendir: u o‘pka saratonidan tashqari jigar saratoni, suyak saratoni va qon saratonini ham keltirib chiqarishi mumkin (leykoz).

Olim Mariya Kyurining aplastik anemiya tufayli vafot etishi uning uzoq vaqt alfa-zarrachalar bilan nurlanishiga bog‘lanadi (u radiy bilan faol ishlagan, radiy esa radonga parchalanadi). Biroq boshqa nurlanish turlari bilan solishtirganda aynan alfa-nurlanishning roli qanday bo‘lgani hali ham munozarali.

Aleksandr Litvinenkoning o‘ldirilishi 2006-yilda poloniy ²¹⁰Po izotopi — sof alfa-nurlanish manbai yordamida amalga oshirilgan.

Bog‘liq jarayonlar

Kechikkan alfa-zarracha ajralishi

Ba’zan yengil elementlarning beta-parchalanishi hosila nuklidda bir necha qo‘zg‘algan holatni yuzaga keltirishi mumkin. Bunday vaziyatda hosil bo‘lgan yadro nihoyatda beqaror, yuqori energiyali holatda bo‘ladi va deyarli darhol yana parchalanib, quyidagi zarralarni chiqaradi:

uchtagacha proton yoki neytron;
bitta deyteriy ²H yoki tritiy ³H yadrosi;
bitta alfa-zarracha.

Agar keyingi bosqichda alfa-zarracha ajralib chiqsa, bunday parchalanish beta-parchalanishdan keyingi kechikkan alfa-zarracha ajralishi (ingl. beta-delayed alpha emission) deb ataladi. Bu holda alfa-zarrachaning chiqishini dastlabki izotopning beta-parchalanishidagi kuchsiz o‘zaro ta’sir boshlaydi. Bu holat «haqiqiy» alfa-parchalanishda alfa-zarrachaning o‘z-o‘zidan kvant tunnellanishidan farq qiladi.

Asosan, bunday parchalanish yengil nuklidlarda (⁸Li, ⁸B, ⁹C, ¹¹Li, ¹¹Be va boshqalar) kuzatiladi; dastlabki jarayon beta-plyus parchalanish bo‘lsa, massa soni 108 dan 122 gacha bo‘lgan nuklidlarda ham (¹⁰⁸Te, ¹¹⁰I, ¹²²Cs va boshqalar) uchraydi.

Beta-minus parchalanish holatida «β⁻α-parchalanish», beta-plyus parchalanish holatida esa «β⁺α-parchalanish» deb belgilanadi.

Proton va neytron parchalanishi

Ayrim yengil izotoplarning parchalanishi natijasida ham alfa-zarrachalar hosil bo‘lishi mumkin: ⁵He (α + n), ⁵Li (α + p), ⁶Be (α + 2p), ⁹B (p + ⁸Be ga parchalanadi, u esa keyin 2α ga parchalanadi). Biroq bu hollarda atom yadrosidan faqat ortiqcha neytron yoki proton (yoki ikkita proton) chiqadi va natijada barqaror alfa-zarracha — geliy yadrosi ⁴He hosil bo‘ladi.

Shu sababli, bunday parchalanishlar natijasida alfa-zarracha hosil bo‘lishi mumkinligiga qaramay, ushbu izotoplarda alfa-parchalanish emas, balki proton yoki neytron parchalanishi kuzatiladi.

Qo‘llanilishi

Organizmga kirganda radiatsion xavf tug‘dirishiga qaramay, alfa-parchalanishning o‘ziga xos xususiyatlari texnika va tibbiyotda keng qo‘llanadi:

Tutun detektorlari: Alfa-nurlanish manbalari ochiq kameradagi havoni ionlab, kuchsiz elektr tokini hosil qiladi. Kameraga kirgan tutun zarralari bu tokni kamaytiradi va natijada signalizatsiya ishga tushadi.
Tibbiyot: Alfa-radioaktiv ²²³Ra izotopi suyakdagi metastazlarni kastratsiyaga chidamli prostata bezi saratonida muvaffaqiyatli davolashda qo‘llanadi.
Energiya manbalari: Radiatsiyadan himoyalash oson bo‘lgani uchun alfa-parchalanish radioizotopli termoelektr generatorlar (RTG) uchun xavfsiz energiya manbai hisoblanadi. Bunday generatorlar kosmik zondlarda ishlatiladi.
Statik elektr zaryadini yo‘qotish: Ilgari ²¹⁰Po izotopli qurilmalar ishlab chiqarishda havoni ionlash uchun ishlatilgan. Bu materiallarning statik zaryadlarini tez yo‘qotish imkonini bergan.

Adabiyotlar

Malyarov V. V. Atom yadrosi nazariyasi asoslari. — M.: Fizmatlit, 1959. — 472 b. — 18 000 nusxa.
Yavorskiy B. M., Detlaf A. A., Lebedev A. K. Alfa-parchalanish // Fizika bo‘yicha ma’lumotnoma. — 8-nashr, qayta ishlangan va tuzatilgan. — M.: «ONIKS», «Mir i Obrazovaniye», 2006. — B. 877—879.