Альфа-излучение

Альфа-излучение (альфа-распад) — это вид ионизирующего излучения, представляющий собой поток положительно заряженных частиц — альфа-частиц, испускаемых ядрами некоторых нестабильных (радиоактивных) атомов. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и по своему строению идентична ядру атома гелия-4 (⁴He²⁺). Альфа-излучение обладает высокой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью; оно практически полностью задерживается листом бумаги или слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров и представляет серьёзную опасность только при попадании источника излучения внутрь организма (ингаляция, заглатывание, проникновение через рану).

История открытия

Альфа-излучение было открыто в 1899 году британским физиком Эрнестом Резерфордом. Проводя опыты с ураном, Резерфорд обнаружил, что излучение, испускаемое радиоактивными элементами, неоднородно. Он пропускал излучение через слой алюминиевой фольги и установил, что часть излучения поглощается очень сильно, а часть — слабо. Сильно поглощаемый компонент он назвал альфа-излучением, а слабо поглощаемый — бета-излучением.

В 1903 году Резерфорд и его коллега Фредерик Содди доказали, что альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц. В 1909 году Резерфорд и его ассистент Ганс Гейгер (изобретатель счётчика Гейгера) провели эксперименты, показавшие, что альфа-частицы несут двойной положительный заряд и имеют атомную массу, примерно равную 4. В 1911 году Резерфорд с помощью альфа-частиц осуществил знаменитый эксперимент по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, который привёл к открытию атомного ядра.

Физическая природа альфа-излучения

Состав и свойства альфа-частицы

Альфа-частица представляет собой ядро гелия-4. Её масса составляет приблизительно 6,64 × 10⁻²⁷ кг, а заряд — +2 элементарных электрических заряда (около 3,2 × 10⁻¹⁹ Кл). Скорость вылета альфа-частиц из ядра зависит от энергии распада и обычно составляет от 1,5 × 10⁷ до 2,0 × 10⁷ м/с (от 5 до 10 % от скорости света). Энергия альфа-частиц, испускаемых различными радионуклидами, лежит в диапазоне от 4 до 9 МэВ (мегаэлектронвольт).

Механизм альфа-распада

Альфа-распад — это процесс самопроизвольного испускания ядром атома альфа-частицы. Он характерен для тяжёлых ядер с атомным номером Z > 82 (свинец) и для некоторых редкоземельных элементов. В результате альфа-распада исходное ядро (материнское) теряет два протона и два нейтрона, превращаясь в ядро другого элемента (дочернее) с атомным номером на 2 меньше и массовым числом на 4 меньше. Например, распад урана-238: ²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He.

Альфа-распад объясняется квантово-механическим туннельным эффектом: альфа-частица, находящаяся внутри ядра, преодолевает потенциальный барьер, удерживающий её, и покидает ядро. Вероятность распада (период полураспада) сильно зависит от энергии альфа-частицы: чем выше энергия, тем короче период полураспада.

Взаимодействие с веществом

Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью: проходя через вещество, они теряют энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов среды. Из-за большого заряда и массы они создают на своём пути плотный трек ионов. Пробег альфа-частицы с энергией 5 МэВ в воздухе составляет около 3,5–4 см, в биологической ткани — около 0,05 мм, в алюминии — около 0,02 мм. Лист обычной бумаги или верхний слой кожи (эпидермис) полностью поглощают альфа-излучение.

Источники альфа-излучения

Альфа-излучение испускают как природные, так и искусственные радионуклиды.

Природные источники

• Радиоактивные ряды — наиболее распространённые природные источники. К ним относятся ряды урана-238, урана-235 и тория-232. В процессе их распада образуются такие альфа-излучатели, как радон-222 (газ, продукт распада радия), полоний-210, радий-226 и другие.
• Космогенные радионуклиды — например, углерод-14 (испускает бета-излучение, но не альфа) — не являются альфа-излучателями.
• Первичные радионуклиды — например, самарий-147, неодим-144, которые имеют очень большие периоды полураспада.

Искусственные источники

• Трансурановые элементы — плутоний-239, плутоний-240, америций-241, кюрий-244 и другие, получаемые в ядерных реакторах.
• Искусственные изотопы — например, калифорний-252, используемый в нейтронных источниках.
• Ускорители частиц — могут генерировать пучки альфа-частиц для научных исследований.

Биологическое действие и опасность

Внешнее облучение

Альфа-излучение практически не опасно при внешнем облучении, так как его пробег в воздухе мал, а слой мёртвой кожи (роговой слой) полностью его поглощает. Однако при контакте с открытой раной или слизистыми оболочками (глаза, дыхательные пути) возможно местное поражение. Альфа-частицы могут вызывать ожоги кожи при длительном контакте с источником.

Внутреннее облучение

Основная опасность альфа-излучения связана с попаданием альфа-излучающих радионуклидов внутрь организма (ингаляция, заглатывание, всасывание через рану). Внутри организма альфа-частицы передают всю свою энергию в небольшом объёме ткани, вызывая чрезвычайно высокую локальную дозу облучения. Это приводит к:

• Повреждению ДНК — альфа-частицы вызывают множественные разрывы цепочек ДНК, что с высокой вероятностью приводит к мутациям и гибели клеток.
• Раку — наиболее опасен рак лёгких при вдыхании радона и его дочерних продуктов, а также рак костей при накоплении радия-226 (стронций-90 — бета-излучатель, но его часто путают с альфа-излучателями).
• Лучевой болезни — при остром отравлении большими количествами альфа-излучателей (например, полоний-210).

Коэффициент качества

В радиобиологии для оценки биологической эффективности различных видов излучения используется коэффициент качества (Q). Для альфа-излучения он принимается равным 20 (для бета- и гамма-излучения — 1). Это означает, что при одинаковой поглощённой дозе (в греях) альфа-излучение в 20 раз опаснее для живых тканей, чем бета- или гамма-излучение.

Применение альфа-излучения

Несмотря на опасность, альфа-излучение находит ряд практических применений.

Медицина

• Альфа-терапия — метод лечения онкологических заболеваний с помощью альфа-излучающих радионуклидов (например, радий-223, торий-227). Альфа-частицы, испускаемые в непосредственной близости от опухоли, эффективно уничтожают раковые клетки с минимальным поражением окружающих здоровых тканей.
• Диагностика — альфа-излучение используется в некоторых методах радиоизотопной диагностики (например, для изучения метаболизма костной ткани).

Промышленность и наука

• Детекторы дыма — некоторые типы ионизационных датчиков дыма содержат америций-241, который испускает альфа-частицы. При попадании дыма в камеру ионизация снижается, и срабатывает сигнализация.
• Нейтронные источники — смесь альфа-излучателя (например, плутоний-239) и бериллия используется для получения нейтронов (реакция (α, n)).
• Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) — альфа-распад плутония-238 используется для выработки тепла, которое преобразуется в электричество в космических аппаратах (например, «Вояджер», «Кассини»).
• Научные исследования — пучки альфа-частиц из ускорителей используются для изучения структуры ядер, ядерных реакций и для анализа состава материалов (метод резерфордовского обратного рассеяния).

Оборона и ядерное оружие

• Ядерное оружие — альфа-излучатели (плутоний-239, уран-235) используются в качестве делящегося материала для ядерных зарядов.
• Нейтронные боеприпасы — альфа-излучение может использоваться для инициирования нейтронного потока.

Защита от альфа-излучения

Основные меры защиты от альфа-излучения:

• Экранирование — достаточно листа бумаги, тонкого слоя пластика или нескольких сантиметров воздуха.
• Предотвращение внутреннего облучения — герметизация источников, использование средств индивидуальной защиты (респираторы, перчатки, защитные костюмы), контроль за распространением радиоактивных аэрозолей.
• Мониторинг — измерение концентрации радона в помещениях (особенно в подвалах и на первых этажах зданий).

Интересные факты

• Альфа-частицы, испускаемые при распаде радона-222, являются основной причиной облучения населения от природных источников радиации (до 50 % годовой дозы).
• Полоний-210, использованный в деле Литвиненко (2006 год), является мощным альфа-излучателем. Даже микрограммовые количества этого вещества, попавшие внутрь организма, вызывают смертельное отравление.
• Альфа-распад является одним из основных механизмов, приводящих к нагреву недр Земли (распад урана, тория и калия-40).

Источники

1. Резерфорд Э. Радиоактивные вещества и их излучения. — М.: Наука, 1964.
2. Мурин А. Н. Физика атомного ядра. — М.: Высшая школа, 1985.
3. Козлов В. Ф. Справочник по радиационной безопасности. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
4. Бекман И. Н. Радиохимия. — М.: Изд-во МГУ, 2002.
5. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Минздрав России, 2009.
6. Публикация МКРЗ № 103. Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите. — М.: Атомиздат, 2008.