La désintégration alpha - Alpha decay


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Représentation visuelle de la désintégration alpha

Désintégration alpha ou α-carie est un type de désintégration radioactive dans lequel un noyau atomique émet une particule alpha (noyau d'hélium) et transforme ainsi ou « désintègre » dans un autre noyau atomique, avec un nombre de masse qui est réduite par quatre et un atomique nombre qui est réduit par deux. Une particule alpha est identique au noyau d'un hélium 4 atome, qui est constitué de deux protons et deux neutrons . Il a une charge de e et une masse de u . Par exemple, l' uranium-238 se désintègre pour former le thorium-234 . Les particules alpha ont la charge e , mais comme une équation nucléaire décrit une réaction nucléaire sans tenir compte des électrons - une convention qui ne signifie pas que les noyaux se produisent nécessairement des atomes neutres - la charge ne figure généralement pas.

La désintégration alpha se produit généralement dans les plus lourds nucléides. En théorie, il peut se produire que dans les noyaux un peu plus lourd que le nickel (élément 28), où l'ensemble de l' énergie de liaison par nucléon n'est plus un minimum et les nucléides sont donc instables vers des processus de type fission spontanée. En pratique, ce mode de désintégration n'a été observée dans les nucléides considérablement plus lourds que le nickel, les plus légers connus émetteurs alpha étant les plus légers isotopes (nombres de masse 106-110) de tellure (élément 52). Exceptionnellement, cependant, le béryllium-8 se désintègre en deux particules alpha.

La désintégration alpha est de loin la forme la plus courante de la désintégration du cluster , où le parent atome éjecte une défini fille collection de nucléons, laissant un autre produit défini derrière. Il est la forme la plus courante en raison de la combinaison extrêmement élevée d' énergie de liaison et de masse relativement faible de la particule alpha. Comme d' autres désintégrations du cluster, la désintégration alpha est fondamentalement un effet tunnel quantique processus. Contrairement à la désintégration bêta , elle est régie par l'interaction entre les deux force nucléaire et la force électromagnétique .

Les particules alpha ont une énergie cinétique typique de 5 MeV (ou ≈ 0,13% de leur énergie totale, 110 TJ / kg) et ont une vitesse d'environ 15.000.000 m / s, ou 5% de la vitesse de la lumière . On observe une variation étonnamment faible autour de cette énergie, en raison de la forte dépendance de la demi-vie de ce processus sur l'énergie produite (voir les équations de la loi Geiger-Nuttall ). En raison de leur relativement grande masse, charge électrique de e et de la vitesse relativement faible, les particules alpha sont très susceptibles d'interagir avec d' autres atomes et perdent leur énergie et leur mouvement vers l' avant peut être arrêté par quelques centimètres d' air . Environ 99% de l' hélium produit sur la Terre est le résultat de la désintégration alpha des dépôts souterrains de minéraux contenant de l' uranium ou le thorium . L'hélium est amené à la surface en tant que sous-produit de gaz naturel production.

L'histoire

Les particules alpha ont d' abord été décrites dans les enquêtes de radioactivité par Ernest Rutherford en 1899, et en 1907 ils ont été identifiés comme il 2+ ions.

En 1928, George Gamow avait résolu la théorie de la désintégration alpha par effet tunnel. La particule alpha est piégée dans un puits de potentiel par le noyau. Classiquement, il est interdit d'échapper, mais selon les (alors) les principes nouvellement découvertes de la mécanique quantique , il a un tout petit (mais non nulle) probabilité de « tunnel » à travers la barrière et apparaissant sur l'autre côté pour échapper au noyau . Gamow résolu un potentiel de modèle pour le noyau et dérivé, à partir des principes, une relation entre la demi-vie de la décadence, et l'énergie de l'émission, qui avait été précédemment découvert de manière empirique, et était connu comme la loi Geiger-Nuttall .

Mécanisme

La force nucléaire tenue d' un noyau atomique ensemble est très forte, en général beaucoup plus forte que les répulsifs forces électromagnétiques entre les protons. Cependant, la force nucléaire est aussi courte portée, chutant rapidement en force au - delà d' environ 1 femtomètre , alors que la force électromagnétique a une portée illimitée. La force de la force nucléaire attractive en gardant un noyau ensemble est donc proportionnelle au nombre de nucléons, mais la force électromagnétique perturbateur totale essayer de briser le noyau est en dehors approximativement proportionnelle au carré de son nombre atomique. Un noyau avec 210 ou plus nucléons est si grande que la force nucléaire forte tenant ensemble peut à peine contre - balancer la répulsion électromagnétique entre les protons qu'il contient. La désintégration alpha se produit dans ces noyaux comme un moyen d'augmenter la stabilité en réduisant la taille.

Une curiosité est la raison pour laquelle les particules alpha, les noyaux d'hélium, doivent être émis de manière préférentielle par rapport aux autres particules comme un seul proton ou neutrons ou d' autres noyaux atomiques . Une partie de la réponse vient de la conservation de la symétrie de la fonction d'onde , ce qui empêche une particule de changer spontanément de présenter les statistiques de Bose-Einstein (si elle avait un nombre pair de nucléons) à la statistique de Fermi-Dirac (si elle avait un nombre impair de nucléons) ou vice versa. Émission de proton unique, ou l'émission de toute particule avec un nombre impair de nucléons violeraient cette loi de conservation. Le reste de la réponse provient de la très haute énergie de liaison de la particule alpha. Le calcul de l'énergie totale de désintégration donnée par l'équation:

Où est la masse initiale du noyau, est la masse du noyau après l' émission de particules, et est la masse de la particule émise, montre que l' émission de particules alpha sera généralement possible seulement avec l' énergie du noyau lui - même, tandis que d' autres modes de Decay besoin d' énergie supplémentaire. Par exemple, effectuer le calcul de l' uranium-232 montre que l' émission de particules alpha aurait besoin que de 5,4 MeV, tandis qu'une seule émission de protons nécessiterait 6.1 MeV. La plupart de cette énergie de désintégration devient l' énergie cinétique de la particule alpha lui - même, bien que pour maintenir la conservation de l' élan partie de cette énergie devient le recul du noyau lui - même. Cependant, étant donné que les nombres de masse de la plupart des radio - isotopes émettant alpha dépasse 210, beaucoup plus grande que le nombre de masse de la particule alpha (4) la partie de l'énergie passe au recul du noyau est généralement assez faible.

Ces énergies de désintégration sont cependant sensiblement plus petite que la barrière de potentiel fourni par la force nucléaire, ce qui empêche la particule alpha de fuir. L'énergie nécessaire est généralement dans la gamme d'environ 25 MeV, la quantité de travail qui doit être fait contre répulsion électromagnétique pour amener une particule alpha de l' infini à un point proche du noyau juste en dehors de la portée de l'influence de la force nucléaire. Une particule alpha peut être considéré comme étant à l' intérieur d' une barrière de potentiel dont les parois sont 25 MeV. Cependant, les particules alpha désintégration ont seulement énergies cinétiques de 4 MeV à environ 9 MeV, beaucoup moins que l'énergie nécessaire pour échapper.

La mécanique quantique, cependant, fournit une explication toute prête, via le mécanisme de l' effet tunnel quantique. La théorie quantique à effet tunnel de désintégration alpha, indépendamment développé par George Gamow et Ronald Wilfred Gurney et Edward Condon en 1928, a été saluée comme une confirmation frappante de la théorie quantique. Essentiellement, la particule alpha échappe du noyau par effet tunnel de sa sortie. Gurney et Condon ont fait l'observation suivante dans leur papier sur elle:

Il a été jusqu'à présent nécessaire de postuler une « instabilité » spéciale arbitraire du noyau; mais dans la note suivante, il est souligné que la désintégration est une conséquence naturelle des lois de la mécanique quantique sans aucune hypothèse particulière ... On a beaucoup écrit de la violence explosive avec laquelle l'α-particule est précipité de sa place dans le noyau . Mais à partir du processus illustré ci-dessus, on préférerait dire que l'α-particule glisse presque inaperçue loin.

La théorie suppose que la particule alpha peut être considéré comme une particule indépendante au sein d' un noyau qui est en mouvement constant, mais maintenu dans le noyau par les forces nucléaires. A chaque collision avec la barrière de potentiel de la force nucléaire, il y a une petite probabilité non nulle que ce sera tunnel sa sortie. Une particule alpha avec une vitesse de 1,5 × 10 7  m / s dans un diamètre nucléaire d'environ 10 -14  m va entrer en collision avec la barrière de plus de 10 21 fois par seconde. Toutefois, si la probabilité d'évasion à chaque collision est très faible, la demi-vie du radio - isotope sera très long, car il est le temps nécessaire à la probabilité totale d'évasion pour atteindre 50%. A titre d'exemple extrême, la demi-vie de l'isotope de bismuth-209 est de 1,9 x 10 19 ans.

Les isotopes dans les isobares stables-désintégration bêta qui sont également stables en ce qui concerne la double désintégration bêta avec nombre de masse A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162, et A ≥ 165 sont théorisé à subir alpha la décomposition ( « 5 » décroissance de l' hélium-4 et un proton ou un neutron , et « 8 » décroissance à deux hélium-4, la demi-vie d'entre eux ( l' hélium-5 , lithium-5 , et le béryllium-8 ) sont très bref, contrairement à la demi-vie pour tous les autres tels nucléides A ≤ 209, qui sont très longues. tous les autres tels nucléides A ≤ 209 sont nucléides primordiaux sauf A = 146). Cependant, seuls ces nucléides avec A = 5, 8, 144, 146, 147, 148, 151, 186, et ≥ 209 a été observée (la désintégration a également été recherchée pour ces nucléides avec A = 145, 149, 182, 183 , 184, 192, 204, et 208). Tous les autres numéros de masse ( les isobares ) a exactement une théorie nucléide stable , à l' exception possible fission spontanée pour A ≥ 93, qui n'a jamais été observé, et possible désintégration du proton , qui a également jamais été observée)

Travailler les détails de la théorie conduit à une équation reliant la demi-vie d'un radio - isotope à l'énergie de désintégration de ses particules alpha, une dérivation théorique de l'empirique loi Geiger-Nuttall .

Les usages

Américium-241 , un émetteur alpha , est utilisé dans les détecteurs de fumée . Les particules alpha ionisent l' air dans un environnement ouvert chambre d'ionisation et un petit courant circule à travers la air ionisé. Les particules de fumée de feu qui pénètrent dans la chambre de réduire le courant, ce qui déclenche l'alarme du détecteur de fumée.

La désintégration alpha peut fournir une source d'énergie sûre pour les générateurs thermoélectriques radio - isotopes utilisés pour les sondes spatiales et ont été utilisés pour les stimulateurs cardiaques artificielles . La désintégration alpha est beaucoup plus facilement à l' abri contre que d' autres formes de désintégration radioactive.

Éliminateurs statiques utilisent généralement le polonium-210 , un émetteur alpha, pour ioniser l' air, ce qui permet la « électricité statique » se dissiper plus rapidement.

Toxicité

Très chargé et lourd, les particules alpha perdent leurs plusieurs MeV d'énergie dans un petit volume de matière, le long d' un très court libre parcours moyen . Cela augmente le risque de cassures double brin de l'ADN dans les cas de contamination interne, lorsqu'il est ingéré, inhalé, injecté ou introduit à travers la peau. Dans le cas contraire, en touchant une source d'alpha est généralement pas nuisibles, comme les particules alpha sont efficacement protégés par quelques centimètres de l' air, une feuille de papier, ou la mince couche de cellules mortes qui constituent les épiderme ; Cependant, de nombreuses sources d'alpha sont également accompagnées d' émetteurs bêta filles de radio, et les deux sont souvent accompagnés par émission de photons gamma.

EBR efficacité biologique relative quantifie la capacité de rayonnement de causer certains effets biologiques, notamment soit le cancer ou la mort cellulaire , pour l' exposition au rayonnement équivalent. Le rayonnement alpha a élevé le transfert d'énergie linéaire (LET) coefficient, qui est d' environ une ionisation d'une molécule / atome pour chaque angström de Voyage par la particule alpha. Le RBE a été fixé à la valeur de 20 pour le rayonnement alpha par divers règlements gouvernementaux. Le EBR est fixé à 10 pour les neutrons irradiation, et à 1 pour le rayonnement bêta et les photons ionisants.

Cependant, le recul du noyau parent (recul alpha) , il donne une quantité importante d'énergie, ce qui provoque également des dégâts d'ionisation (voir les rayonnements ionisants ). Cette énergie est à peu près le poids de l'alpha (4  u ) divisé par le poids de la mère (typiquement environ 200 u) fois la valeur énergétique totale de l'alpha. Selon certaines estimations, cela pourrait rendre compte de la plupart des dommages de rayonnement interne, le noyau de recul fait partie d'un atome qui est beaucoup plus grande qu'une particule alpha, et provoque une traînée très dense d'ionisation; l'atome est typiquement un métal lourd , qui recueille de préférence sur les chromosomes . Dans certaines études, ce qui a donné lieu à une approche EBR 1000 au lieu de la valeur utilisée dans la réglementation gouvernementale.

Le plus grand contributeur naturel à la dose de rayonnement public est le radon , un phénomène naturel, gaz radioactif présent dans le sol et la roche. Si le gaz est inhalé, certaines des particules de radon peut attacher à la paroi interne du poumon. Ces particules continuent à se dégrader, en émettant des particules alpha, qui peuvent endommager les cellules dans le tissu pulmonaire. La mort de Marie Curie à l' âge de 66 de l' anémie aplastique a été probablement causée par une exposition prolongée à de fortes doses de rayonnements ionisants, mais on ne sait pas si cela était dû à un rayonnement alpha ou les rayons X. Curie a beaucoup travaillé avec le radium, qui se désintègre en radon, ainsi que d'autres matières radioactives qui émettent bêta et les rayons gamma . Cependant, Curie a également travaillé avec des tubes non blindés à rayons X pendant la Seconde Guerre mondiale, et l' analyse de son squelette au cours d' une réinhumation a montré un niveau relativement faible de la charge de radioisotopes.

Le dissident russe Alexandre Litvinenko assassiner de 2006 par un empoisonnement par radiation est considérée avoir été réalisée avec le polonium-210 , un émetteur alpha.

Références

Remarques

Liens externes