تحلل ألفا

الفيزياء النووية
نواة النوكليونات ص ن المادة النووية القوة النووية البنية النووية التفاعل النووي
نماذج النواة قطرة سائلة نموذج الغلاف النووي نموذج البوزون المتفاعل من البداية
تصنيف النويدات النظائر – Z متساوية خطوط متساوية الضغط – متساوية A الأيزوتونات – تساوي النيتروجين متساويات الأضلاع – متساوية N  −  Z المتزامرات – تساوي كل ما سبق النوى المرآتية  – Z ↔ N مستقر سحر زوجي/فردي هالة بوروميان
الاستقرار النووي طاقة الربط نسبة p إلى n خط التنقيط جزيرة الإستقرار وادي الاستقرار نواة مستقرة
التحلل الإشعاعي ألفا ألفا بيتا بيتا 2 بيتا 0 فولت بيتا + التقاط K/L متمايز جاما γ التحويل الداخلي الانشطار التلقائي تحلل المجموعة انبعاث النيوترون انبعاث البروتون طاقة الاضمحلال سلسلة الاضمحلال منتج التسوس النويدة المشعة
الانشطار النووي تلقائي منتجات كسر الزوج الانشطار الضوئي
التقاط العمليات الالكترون 2× نيوترون س ر بروتون ص ر ب
العمليات ذات الطاقة العالية التشظي بواسطة الأشعة الكونية التفكك الضوئي
التخليق النووي والفيزياء الفلكية النووية الاندماج النووي العمليات: ممتاز الانفجار العظيم المستعر الأعظم النويدات: بدائي كوني صناعي
الفيزياء النووية عالية الطاقة بلازما كوارك-غلوون مركبات الكربون الهيدروكربونية عالية الكثافة مصادم الهدرونات الكبير
العلماء ألفاريز بيكريل بيثى أ. بور ن. بور تشادويك كوكروفت إير. كوري الأب كوري باي كوري سكلودوفسكا كوري دافيسون فيرمي هان جينسن لورانس ماير مايتنر أوليفانت أوبنهايمر بروكا بورسيل رابي رذرفورد سودى ستراسمان شفاينتيكي سيلارد الصراف تومسون والتون ويغنر
بوابة الفيزياء  فئة
ف ت هـ

تحلل ألفا أو تحلل ألفا هو نوع من أنواع التحلل الإشعاعي حيث تنبعث من نواة الذرة جسيم ألفا ( نواة الهيليوم ) وبالتالي تتحول أو "تتحلل" إلى نواة ذرية مختلفة، مع رقم كتلة ينخفض ​​بمقدار أربعة وعدد ذري ​​ينخفض ​​بمقدار اثنين. جسيم ألفا مطابق لنواة ذرة الهيليوم-4 ، والتي تتكون من بروتونين ونيوترونين . وله شحنة كهربية مقدارها+2  هـ وكتلة4  دالتون . على سبيل المثال، يتحلل اليورانيوم 238 ليشكل الثوريوم 234 .

في حين أن جسيمات ألفا لها شحنة +  2e ، لا يتم إظهار ذلك عادةً لأن المعادلة النووية تصف تفاعلًا نوويًا دون مراعاة الإلكترونات - وهي اتفاقية لا تعني بالضرورة أن النوى توجد في ذرات محايدة.

يحدث تحلل ألفا عادةً في أثقل النويدات . من الناحية النظرية، يمكن أن يحدث فقط في النوى الأثقل إلى حد ما من النيكل (العنصر 28)، حيث لم تعد طاقة الارتباط الكلية لكل نوكليون هي الحد الأقصى وبالتالي تكون النويدات غير مستقرة تجاه عمليات الانشطار التلقائي. في الممارسة العملية، لم يُلاحظ هذا النمط من التحلل إلا في النويدات الأثقل بكثير من النيكل، حيث يكون أخف باعث ألفا معروف هو ثاني أخف نظير للأنتيمون ، 104Sb . ^[1] ومع ذلك، بشكل استثنائي، يتحلل البريليوم-8 ^إلى جسيمين ألفا.

إن تحلل ألفا هو الشكل الأكثر شيوعًا لتحلل المجموعة ، حيث تطرد الذرة الأم مجموعة محددة من النوكليونات، تاركة وراءها منتجًا محددًا آخر. إنه الشكل الأكثر شيوعًا بسبب طاقة الربط النووية العالية للغاية والكتلة الصغيرة نسبيًا لجسيم ألفا. مثل تحلل المجموعة الأخرى، فإن تحلل ألفا هو في الأساس عملية نفق كمي . على عكس تحلل بيتا ، فإنه يحكمه التفاعل بين كل من القوة النووية القوية والقوة الكهرومغناطيسية .

تمتلك جسيمات ألفا طاقة حركية نموذجية تبلغ 5 ميجا إلكترون فولت (أو ≈ 0.13% من طاقتها الكلية، 110 تيراجول/كجم) وتبلغ سرعتها حوالي 15,000,000 م/ث، أو 5% من سرعة الضوء . هناك اختلاف صغير بشكل مدهش حول هذه الطاقة، بسبب الاعتماد القوي لنصف عمر هذه العملية على الطاقة المنتجة. ونظرًا لكتلتها الكبيرة نسبيًا، فإن الشحنة الكهربائية لجسيمات ألفا لا تتعدى 10 ...+  2e وسرعتها منخفضة نسبيًا، ومن المرجح جدًا أن تتفاعل جسيمات ألفا مع الذرات الأخرى وتفقد طاقتها، ويمكن إيقاف حركتها الأمامية بواسطة بضعة سنتيمترات من الهواء .

حوالي 99% من الهيليوم المنتج على الأرض هو نتيجة تحلل ألفا للرواسب الجوفية من المعادن المحتوية على اليورانيوم أو الثوريوم . يتم جلب الهيليوم إلى السطح كمنتج ثانوي لإنتاج الغاز الطبيعي .

تم وصف جسيمات ألفا لأول مرة في تحقيقات النشاط الإشعاعي بواسطة إرنست رذرفورد في عام 1899، وبحلول عام 1907 تم التعرف عليها على أنها أيونات He ^{2+ . وبحلول عام 1928، حل} جورج جامو نظرية تحلل ألفا عن طريق النفق. يتم حبس جسيم ألفا داخل النواة بواسطة بئر جهد نووي جاذب وحاجز جهد كهرومغناطيسي منفر . كلاسيكيًا، يُحظر الهروب، ولكن وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم المكتشفة حديثًا (في ذلك الوقت) ، فإن احتمالية " النفق " عبر الحاجز والظهور على الجانب الآخر للهروب من النواة ضئيلة (ولكن ليست صفرية). حل جامو نموذج جهد للنواة واستنبط، من المبادئ الأولى، علاقة بين نصف عمر التحلل وطاقة الانبعاث، والتي تم اكتشافها تجريبياً سابقًا وكانت تُعرف باسم قانون جايجر-نوتال . ^[2]

القوة النووية التي تربط نواة الذرة ببعضها البعض قوية جدًا، وهي في العموم أقوى بكثير من القوى الكهرومغناطيسية التنافرية بين البروتونات. ومع ذلك، فإن القوة النووية قصيرة المدى أيضًا، حيث تنخفض قوتها بسرعة إلى ما يزيد عن حوالي 3 فيمتومتر ، في حين أن القوة الكهرومغناطيسية لها مدى غير محدود. وبالتالي فإن قوة القوة النووية الجاذبة التي تربط نواة ما معًا تتناسب طرديًا مع عدد النيوكليونات، ولكن القوة الكهرومغناطيسية التدميرية الكلية لتنافر البروتون-البروتون التي تحاول تفكيك النواة تتناسب تقريبًا مع مربع عددها الذري. النواة التي تحتوي على 210 نيوكليونات أو أكثر تكون كبيرة جدًا لدرجة أن القوة النووية القوية التي تربطها معًا بالكاد يمكنها موازنة التنافر الكهرومغناطيسي بين البروتونات التي تحتويها. يحدث تحلل ألفا في مثل هذه النوى كوسيلة لزيادة الاستقرار عن طريق تقليل الحجم. ^[3]

أحد الأمور المثيرة للفضول هو سبب وجوب انبعاث جسيمات ألفا، نوى الهيليوم، بشكل تفضيلي على عكس الجسيمات الأخرى مثل البروتون أو النيوترون أو النوى الذرية الأخرى . ^{[ملاحظة 1]} جزء من السبب هو طاقة الارتباط العالية لجسيم ألفا، مما يعني أن كتلته أقل من مجموع كتلتي بروتونين حرين ونيوترونين حرين. هذا يزيد من طاقة التفكك. عند حساب طاقة التفكك الكلية المعطاة بالمعادلة حيث mi هي الكتلة الأولية للنواة، و m _f هي كتلة النواة بعد انبعاث الجسيم، و m _{p هي كتلة الجسيم (ألفا) المنبعث، نجد أنه في حالات معينة يكون موجبًا وبالتالي يكون انبعاث} جسيم ألفا ممكنًا، في حين تتطلب أوضاع الاضمحلال الأخرى إضافة طاقة. على سبيل المثال، يُظهر إجراء الحساب لليورانيوم-232 أن انبعاث جسيم ألفا يطلق 5.4 ميجا إلكترون فولت من الطاقة، بينما يتطلب انبعاث بروتون واحد 6.1 ميجا إلكترون فولت. تصبح معظم طاقة التفكك طاقة حركية لجسيم ألفا، على الرغم من أنه لتحقيق قانون حفظ الزخم ، يذهب جزء من الطاقة إلى ارتداد النواة نفسها (انظر الارتداد الذري ). ومع ذلك، نظرًا لأن الأعداد الكتلية لمعظم النظائر المشعة التي تنبعث منها ألفا تتجاوز 210، وهي أكبر بكثير من العدد الكتلي لجسيم ألفا (4)، فإن جزء الطاقة المتجه إلى ارتداد النواة يكون صغيرًا جدًا بشكل عام، أقل من 2٪. ^[3] ومع ذلك، فإن طاقة الارتداد (على مقياس كيلو إلكترون فولت) لا تزال أكبر بكثير من قوة الروابط الكيميائية (على مقياس إلكترون فولت)، وبالتالي فإن النويدة الابنة سوف تنفصل عن البيئة الكيميائية التي كان فيها الأصل. يمكن استخدام طاقات ونسب جسيمات ألفا لتحديد الأصل المشع عبر مطيافية ألفا . $${\displaystyle E_{di}=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2},}$$

ولكن طاقات التفكك هذه أصغر كثيراً من حاجز الجهد التنافري الناتج عن التفاعل بين القوة النووية القوية والقوة الكهرومغناطيسية، والذي يمنع جسيم ألفا من الهروب. والطاقة اللازمة لجلب جسيم ألفا من اللانهاية إلى نقطة قريبة من النواة خارج نطاق تأثير القوة النووية تكون عادة في نطاق حوالي 25 مليون إلكترون فولت. ويمكن تصور جسيم ألفا داخل النواة وكأنه داخل حاجز جهد تكون جدرانه أعلى بمقدار 25 مليون إلكترون فولت من الجهد عند اللانهاية. ومع ذلك، فإن جسيمات ألفا المتحللة لا تمتلك سوى طاقات تتراوح بين حوالي 4 إلى 9 مليون إلكترون فولت فوق الجهد عند اللانهاية، وهو أقل كثيراً من الطاقة اللازمة للتغلب على الحاجز والهروب.

ومع ذلك، تسمح ميكانيكا الكم لجسيم ألفا بالهروب عبر النفق الكمومي. وقد تم الترحيب بنظرية النفق الكمومي لتحلل ألفا، التي طورها بشكل مستقل جورج جامو ^[4] ورونالد ويلفريد جورني وإدوارد كوندون في عام 1928، ^[5] باعتبارها تأكيدًا مذهلاً لنظرية الكم. في الأساس، يهرب جسيم ألفا من النواة ليس عن طريق اكتساب طاقة كافية لتجاوز الجدار الذي يحصره، ولكن عن طريق النفق عبر الجدار. وقد قدم جورني وكوندون الملاحظة التالية في ورقتهما البحثية حول هذا الموضوع:

لقد كان من الضروري حتى الآن افتراض وجود "عدم استقرار" تعسفي خاص للنواة، ولكن في الملاحظة التالية، يُشار إلى أن التفكك هو نتيجة طبيعية لقوانين ميكانيكا الكم دون أي فرضية خاصة... لقد كُتب الكثير عن العنف الانفجاري الذي يتم به قذف جسيم ألفا من مكانه في النواة. ولكن من العملية الموضحة أعلاه، قد يقول المرء إن جسيم ألفا يكاد ينزلق بعيدًا دون أن يلاحظه أحد. ^[5]

تفترض النظرية أن جسيم ألفا يمكن اعتباره جسيمًا مستقلًا داخل النواة، أي أنه في حركة مستمرة ولكنه محصور داخل النواة عن طريق تفاعل قوي. عند كل تصادم مع حاجز الجهد التنافري للقوة الكهرومغناطيسية، هناك احتمال صغير غير صفري أن يشق طريقه للخروج. جسيم ألفا بسرعة 1.5 × 10 ⁷  م/ث داخل قطر نووي يبلغ حوالي 10 ⁻¹⁴  م سوف يصطدم بالحاجز أكثر من 10 ²¹ مرة في الثانية. ومع ذلك، إذا كان احتمال الهروب عند كل تصادم صغيرًا جدًا، فسيكون عمر النصف للنظير المشع طويلًا جدًا، لأنه الوقت المطلوب لاحتمال الهروب الإجمالي للوصول إلى 50٪. كمثال متطرف، عمر النصف لنظير البزموت -209 هو2.01 × 10 ¹⁹  سنة .

يُفترض أن النظائر الموجودة في نظائر تحلل بيتا المستقرة والتي تكون مستقرة أيضًا فيما يتعلق بتحلل بيتا المزدوج مع عدد الكتلة A  = 5، A  = 8، 143 ≤  A  ≤ 155، 160 ≤  A  ≤ 162، و A  ≥ 165 تخضع لتحلل ألفا. تحتوي جميع الأعداد الكتلية الأخرى ( نظائر تحلل بيتا ) على نوكليد واحد مستقر نظريًا . تتحلل تلك التي لها كتلة 5 إلى هيليوم-4 وبروتون أو نيوترون ، وتلك التي لها كتلة 8 إلى نواتين هيليوم-4؛ تكون أنصاف أعمارها ( هيليوم-5 وليثيوم -5 وبريليوم -8 ) قصيرة جدًا، على عكس أنصاف أعمار جميع النويدات الأخرى ذات A  ≤ 209، والتي تكون طويلة جدًا. (تعتبر هذه النويدات ذات A  ≤ 209 نويدات بدائية باستثناء ¹⁴⁶ Sm.) ^[6]

يؤدي العمل على تفاصيل النظرية إلى معادلة تربط بين نصف عمر النظير المشع وطاقة اضمحلال جسيمات ألفا الخاصة به، وهو اشتقاق نظري لقانون جايجر-نوتال التجريبي .

يستخدم الأمريسيوم-241 ، وهو باعث لإشعاعات ألفا ، في أجهزة الكشف عن الدخان . حيث تعمل جسيمات ألفا على تأين الهواء في غرفة أيونية مفتوحة ويتدفق تيار صغير عبر الهواء المؤين. وتعمل جزيئات الدخان من النار التي تدخل الغرفة على تقليل التيار، مما يؤدي إلى تشغيل إنذار جهاز الكشف عن الدخان.

الراديوم 223 هو أيضًا من المواد التي تصدر أشعة ألفا ، ويستخدم في علاج النقائل العظمية (سرطانات العظام).

يمكن أن يوفر تحلل ألفا مصدر طاقة آمنًا لمولدات الطاقة الحرارية النظائرية المشعة المستخدمة في المسبارات الفضائية ^[7] والتي تم استخدامها في أجهزة تنظيم ضربات القلب الاصطناعية . ^[8] يمكن حماية تحلل ألفا بسهولة أكبر من أشكال التحلل الإشعاعي الأخرى.

تستخدم أجهزة إزالة الشحنات الساكنة عادةً البولونيوم 210 ، وهو باعث ألفا، لتأين الهواء، مما يسمح بتبديد "الشحنة الساكنة" بشكل أسرع.

تفقد جسيمات ألفا الثقيلة والمشحونة للغاية عدة ملايين إلكترون فولت من طاقتها داخل حجم صغير من المادة، إلى جانب مسار حر متوسط ​​قصير جدًا . وهذا يزيد من فرصة حدوث كسر مزدوج السلسلة في الحمض النووي في حالات التلوث الداخلي، عند تناولها أو استنشاقها أو حقنها أو إدخالها من خلال الجلد. بخلاف ذلك، فإن لمس مصدر ألفا لا يكون ضارًا عادةً، حيث يتم حماية جسيمات ألفا بشكل فعال بواسطة بضعة سنتيمترات من الهواء أو قطعة من الورق أو الطبقة الرقيقة من خلايا الجلد الميتة التي تشكل البشرة ؛ ومع ذلك، فإن العديد من مصادر ألفا مصحوبة أيضًا ببنات راديوية تنبعث منها بيتا ، وكلاهما غالبًا ما يكون مصحوبًا بانبعاث فوتون جاما.

تقيس الفعالية البيولوجية النسبية (RBE) قدرة الإشعاع على التسبب في تأثيرات بيولوجية معينة، ولا سيما السرطان أو موت الخلايا ، للتعرض المكافئ للإشعاع. يتمتع إشعاع ألفا بمعامل نقل طاقة خطي (LET) مرتفع، وهو ما يعادل تأينًا واحدًا لجزيء/ذرة لكل أنجستروم من السفر بواسطة جسيم ألفا. تم ضبط RBE عند القيمة 20 لإشعاع ألفا بموجب لوائح حكومية مختلفة. تم ضبط RBE عند 10 لإشعاع النيوترون ، وعند 1 لإشعاع بيتا والفوتونات المؤينة.

ومع ذلك، فإن ارتداد النواة الأم (ارتداد ألفا) يعطيها كمية كبيرة من الطاقة، والتي تسبب أيضًا ضررًا تأينيًا (انظر الإشعاع المؤين ). هذه الطاقة تعادل تقريبًا وزن ذرة ألفا (4  دالتون ) مقسومًا على وزن الوالد (عادةً حوالي 200 دالتون) مضروبًا في إجمالي طاقة ألفا. ووفقًا لبعض التقديرات، قد يكون هذا مسؤولًا عن معظم الضرر الإشعاعي الداخلي، حيث أن نواة الارتداد هي جزء من ذرة أكبر بكثير من جسيم ألفا، وتسبب مسارًا كثيفًا للغاية من التأين؛ عادةً ما تكون الذرة معدنًا ثقيلًا ، والذي يتجمع بشكل تفضيلي على الكروموسومات . في بعض الدراسات، ^[9] أدى هذا إلى اقتراب RBE من 1000 بدلاً من القيمة المستخدمة في اللوائح الحكومية.

المساهم الطبيعي الأكبر في جرعة الإشعاع العامة هو الرادون ، وهو غاز مشع طبيعي موجود في التربة والصخور. ^[10] إذا تم استنشاق الغاز، فقد تلتصق بعض جزيئات الرادون بالبطانة الداخلية للرئة. تستمر هذه الجزيئات في التحلل، وتنبعث منها جسيمات ألفا، والتي يمكن أن تلحق الضرر بالخلايا في أنسجة الرئة. ^[11] ربما كان سبب وفاة ماري كوري في سن 66 عامًا بسبب فقر الدم اللاتنسجي هو التعرض لفترات طويلة لجرعات عالية من الإشعاع المؤين، ولكن ليس من الواضح ما إذا كان هذا بسبب إشعاع ألفا أو الأشعة السينية. عملت كوري على نطاق واسع مع الراديوم، الذي يتحلل إلى الرادون، ^[12] جنبًا إلى جنب مع مواد مشعة أخرى تنبعث منها أشعة بيتا وجاما . ومع ذلك، عملت كوري أيضًا مع أنابيب الأشعة السينية غير المحمية أثناء الحرب العالمية الأولى، وأظهر تحليل هيكلها العظمي أثناء إعادة دفنها مستوى منخفضًا نسبيًا من عبء النظائر المشعة.

يُعتقد أن عملية اغتيال المنشق الروسي ألكسندر ليتفينينكو بالتسمم الإشعاعي عام 2006 تمت باستخدام البولونيوم 210 ، وهو عنصر ينبعث منه جسيمات ألفا.

• باعثات ألفا عن طريق زيادة الطاقة (الملحق 1)

• الرسم البياني المباشر للنويدات - الوكالة الدولية للطاقة الذرية مع مرشح لتحلل ألفا
• تحلل ألفا مع 3 أمثلة متحركة توضح ارتداد الابنة

• تحلل بيتا
• تحلل جاما