واپاشی آلفا چیست؟ – به زبان ساده

در این مطلب در مورد واپاشی آلفا صحبت می‌کنیم. همان طور که در این نوشتار خواهید دید تابش از منابع تابشی مختلف را می‌توان به دو دسته یونیزه و غیر یونیزه تقسیم کرد که تابش‌های یونیزه شامل ذرات آلفا، بتا، گاما و اشعه ایکس است. در این مطلب در مورد ویژگی‌ها و کاربردهای واپاشی آلفا صحبت خواهیم کرد.

مبانی تابش

تابش غیر یونیزه و یونیزه چیست؟

تابش یونیزه از ماشین‌های اشعه ایکس، ذرات کیهانی در فضا و عناصر رادیواکتیو حاصل می‌شود. عناصر رادیواکتیو در حالی که اتم‌های آن‌ها دچار واپاشی می‌شوند، تابش‌های یونیزه ساطع می‌کنند.

رادیونوکلئید چیست؟

رادیواکتیو از عناصری که به آن‌ها رادیونوکلئید گفته می‌شود به دست می‌آیند. برخی از این رادیونوکلئیدها به صورت طبیعی وجود دارند و برخی دیگر ساخته دست بشر بوده و به عنوان محصولات جانبی واکنش‌های هسته‌ای به دست می‌آیند.

فیلم آموزش واپاشی رادیواکتیو و انواع آن در فرادرس

کلیک کنید

• آمریسیم-۲۴۱
• سزیوم-۱۳۷
• کبالت-۶۰
• ید
• پلوتونیوم
• رادیوم
• رادون
• استرانسیم-۹۰
• تکنسیوم-۹۹
• توریم
• تریتیوم
• اورانیوم

طیف الکترومغناطیسی

در هر کشوری ارگانی وجود دارد که وظیفه حفاظت در برابر اشعه برای جامعه را از تابش‌هایی که توسط بشر و در واکنش‌های رادیواکتیو تولید می‌شود را دارد. همچنین سازمان‌های دیگری نیز وجود دارند که تابش‌های غیریونیزه که توسط دستگاه‌های الکتریکی مانند فرستنده‌های رادیویی یا تلفن‌های همراه ساطع می‌شوند را مانیتور و تنظیم می‌کنند.

ذرات بتا، آلفا و گاما چه هستند؟

در مقایسه با سایر اشکال واپاشی مانند تابش گاما یا واپاشی آلفا، واپاشی بتا روندی نسبتاً کندی دارد و نیمه عمر واپاشی بتا هرگز کوتاهتر از چند میلی ثانیه نیست.

انواع تابش‌های یونیزه را نام ببرید؟

انواع تابش‌های یونیزه شامل ذرات آلفا، بتا، تابش گاما و اشعه ایکس هستند که در ادامه آن‌ها را به اختصار معرفی می‌کنیم.

ذرات آلفا چه هستند؟

خطر سلامتی در اثر قرار گرفتن در معرض ذرات آلفا بستگی زیادی به نحوه قرار گرفتن فرد در برابر تابش دارد. ذرات آلفا فاقد انرژی نفوذ حتی در لایه خارجی پوست هستند و بنابراین قرار گرفتن قسمت‌های بیرونی بدن در معرض تابش نگرانی عمده‌ای به جای ندارد.

اما این تابش‌ها در داخل بدن می‌توانند بسیار مضر باشند. اگر گسیل کننده‌های آلفا استنشاق و بلعیده شوند یا از طریق بریدگی وارد بدن شوند، ذرات آلفا می‌توانند به بافت زنده و حساس آسیب برسانند. نحوه آسیب رساندن این ذرات بزرگ و سنگین باعث خطرناک‌تر شدن آن‌ها نسبت به سایر تابش‌ها می‌شود.

در حقیقت یونیزاسیون‌های ایجاد شده در اثر تابش آلفا بسیار نزدیک به هم هستند و می‌توانند تمام انرژی خود را در چند سلول آزاد کنند. این امر و ویژگی منجر به آسیب شدیدتر به سلول‌ها و DNA می‌شود.

ذرات بتا چه هستند؟

ذرات بتا نسبت به ذرات آلفا نفوذ بیشتری دارند اما به بافت زنده و DNA آسیب کمتری می‌رسانند زیرا یونیزاسیون‌های تولید شده از یکدیگر فاصله بیشتری دارند. این ذرات در هوا نسبت به ذرات آلفا فاصله بیشتری را طی می‌کنند اما می‌توانند توسط یک لایه لباس یا توسط یک لایه نازک از ماده‌ای مانند آلومینیوم متوقف شوند.

تابش گاما چیست؟

پرتوهای گاما ($$\gamma$$) بسته‌های انرژی بدون وزنی هستند که فوتون نامیده می‌شوند. برخلاف ذرات آلفا و بتا که هم انرژی و هم جرم دارند، پرتوهای گاما انرژی خالص هستند. پرتوهای گاما مشابه نور مرئی بوده اما انرژی بسیار بالاتری دارند. این پرتوها اغلب همراه با ذرات آلفا یا بتا در طی واپاشی پرتوزا ساطع می‌شوند.

تابش گاما برای کل بدن خطرناک است. این پرتوها می‌توانند به راحتی به موانعی مانند پوست و لباس که ذرات آلفا و بتا را متوقف می‌کنند، نفوذ کنند. اشعه گاما چنان قدرت نفوذی دارد که برای متوقف کردن آن ممکن است چندین اینچ ماده متراکم مانند سرب یا حتی چند فوت بتن لازم باشد. اشعه گاما می‌تواند به طور کامل از بدن انسان عبور کند. این تابش‌ها در هنگام عبور می‌توانند باعث یونیزاسیون شوند که به بافت و DNA آسیب می‌رساند.

اشعه ایکس چیست؟

به دلیل استفاده از این تابش در پزشکی، تقریباً همه افراد نام اشعه ایکس را شنیده‌اند. اشعه ایکس از این نظر که فوتون با انرژی خالص است، مشابه اشعه گاما است. اشعه ایکس و اشعه گاما دارای ویژگی‌های اساسی یکسانی هستند اما از قسمت‌های مختلف اتم ناشی می‌شوند.

اشعه ایکس از فرآیندهای خارج از هسته ساطع می‌شود اما اشعه گاما از داخل هسته منشاء می‌گیرد. همچنین این تابش به طور کلی انرژی کمتر و نفوذ کمتری نسبت به اشعه گاما دارد. اشعه ایکس می‌تواند به طور طبیعی یا توسط ماشین آلات با استفاده از برق تولید شود.

واپاشی پرتوزا چیست؟

واپاشی پرتوزا عبارت از انتشار انرژی به صورت تابش یونیزه است. تابش‌های یونیزه ساطع شده شامل ذرات آلفا، ذرات بتا و تابش گاما هستند. واپاشی پرتوزا در اتم‌های ناپایدار که به آن‌ها رادیونوکلئید گفته می‌شود و در این نوشتار نیز معرفی شدند اتفاق می‌افتد.

فیلم آموزش فیزیک هسته‌ای پیشرفته ۱ در فرادرس

کلیک کنید

عناصر جدول تناوبی می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند. برخی از این اشکال پایدار و برخی دیگر ناپایدار هستند. به طور معمول پایدارترین شکل یک عنصر در طبیعت رایج‌ترین شکل آن است. با این حال همه عناصر شکل ناپایداری دارند. این اشکال ناپایدار تابش یونیزه ساطع می‌کنند و رادیواکتیو نیز هستند. برخی از عناصر مانند اورانیوم بدون فرم پایدار وجود دارند که در نتیجه همیشه رادیواکتیو هستند. به عناصری که تابش یونیزه ساطع می‌کنند رادیونوکلئید گفته می‌شود.

هنگامی عنصری دچار واپاشی می‌شود در حقیقت یک رادیونوکلئید به یک اتم متفاوت تبدیل می‌شود که محصول واپاشی است. اتم‌ها دائماً به محصولات واپاشی جدید تبدیل می‌شوند تا زمانی که به حالت پایدار برسند و دیگر رادیواکتیو نباشند.

اکثر رادیونوکلئیدها قبل از اینکه پایدار شوند فقط یکبار دچار واپاشی می‌شوند. به عناصری که بیش از یک مرحله دچار واپاشی می‌شوند، رادیونوکلئیدهای سری می‌گویند و به مجموعه محصولات واپاشی ایجاد شده برای رسیدن به حالت پایدار، زنجیره واپاشی گفته می‌شود.

هر سری، زنجیره واپاشی منحصر به فرد خود را دارد. محصولات واپاشی درون زنجیره همیشه رادیواکتیو هستند و فقط محصول نهایی و پایدار در زنجیره رادیواکتیو نیست. برخی از محصولات واپاشی عناصر شیمیایی متفاوتی هستند.

هر رادیونوکلئید دارای نرخ واپاشی خاصی است که تحت عنوان نیمه عمر اندازه‌گیری می‌شود. نیمه عمر رادیواکتیو مدت زمان مورد نیاز برای نصف ماده رادیواکتیو موجود است که واپاشی کند. برخی مواد و رادیونوکلئیدها دارای نیمه عمری در حد چند ثانیه و برخی دیگر دارای نیمه عمری در حد صد تا میلیون‌ها یا میلیاردها سال هستند. دو زنجیره واپاشی برای عناصر اورانیوم ۲۳۸ و توریم ۲۳۲ در زیر نشان داده شده است:

واپاشی آلفا چیست؟

گروه اصلی واپاشی ساطع کننده‌های زوج آلفا وابستگی زیادی به عدد اتمی Z و انرژی آزاد شده یعنی $$Q_{\alpha}$$ دارد. انرژی واپاشی آلفا یعنی $$Q_{\alpha}$$ وابسته به انرژی ذرات آلفا $$E_{\alpha}$$ به علاوه انرژی بستگی محصولات دختر برای برقرار ماندن اصل پایستگی تکانه است و داریم:

$$\large E_{recoil}=(\frac{m_{\alpha}}{[m_{\alpha}+M_{d}]})E_{\alpha}\quad (1)$$

که $$m_{\alpha}$$ برابر با جرم ذرات آلفا و $$M_{d}$$ برابر با جرم محصولات دختر است. در ابتدای سال ۱۹۱۱ فیزیکدان آلمانی به نام «یوهانس ویلیامز گایگر» (Johannes Wilhelm Geiger) به همراه فیزیکدان انگلیسی «جان میچل نوتال» (John Mitchell Nuttall) متوجه وجود قواعدی خاص برای نرخ جفت هسته شدند و توانستند با موفقیت معادله‌ای قابل توجه برای ثابت واپاشی را پیشنهاد دهند. این معادله به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\large \log \lambda=a+blog r \quad (2)$$

ثابت b که توسط گایگر و نوتال مورد استفاده قرار گرفت، وابستگی با توان ۹۰ $$\lambda$$ به $$Q_{\alpha}$$ را نشان می‌دهد. با این حال همان طور که گفتیم اختلاف عجیب و زیادی بین نیمه عمر عناصر مختلف وجود دارد. برای مثال نیمه عمر عنصری مانند $$_{60}^{144}Nd$$ (نئودیمیوم) با انرژی $$1.83 MeV$$ ذرات آلفا برابر با $$2times 10^{15}$$ سال است، در حالی که این نیمه عمر برای عنصری مانند $$_{84}^{212}Po$$ (پلونومیم) با انرژی $$E_{\alpha}=8.78 MeV$$ برابر با ۰٫۳ میکروثانیه است.

با این حال برای اجسام زیر میکروسکوپی مانند ذرات آلفا، نوکلئون‌ها یا الکترون‌ها تونل سازی کوانتومی می‌تواند یک فرآیند مهم مانند واپاشی آلفا باشد.

در مورد واپاشی آلفا پتانسیل دافعه الکترواستاتیک بین ذره آلفا و هسته، یک منطقه ممنوع انرژی یا سد پتانسیل از شعاع هسته تا چندین برابر این فاصله ایجاد می‌کند. حداکثر ارتفاع (B) این سد آلفا به صورت تقریبی با عبارت $$B=\frac{2Ze^2}{R}$$ داده می‌شود که در آن Z بار هسته دختر، e بار اولیه در واحدهای الکترواستاتیک و R شعاع هسته‌ای است.

از نظر عددی $$B$$ تقریباٌ برابر با $$\frac{2Z}{A^{\frac{1}{3}}}$$ است که $$A$$ عدد جرمی و $$B$$ واحد انرژی بر حسب مگاالکترون ولت است. بنابراین با توجه به اینکه ارتفاع سد پتانسیل برای واپاشی $$_{84}^{212}Po$$ برابر با ۲۸ مگاالکترون ولت است، مجموع انرژی آزاد شده در این حالت برابر با $$Q_{\alpha}=8.95 MeV$$ خواهد بود. ضخامت مانع یا سد پتانسیل نیز دو برابر شعاع هسته و برابر با $$8.3 \times 10^{-13}$$ سانتیمتر است. بدین ترتیب احتمال انتقال از طریق پدیده تونل زنی از یک مانع تقریباً برابر است با:

$$\large P=\exp[(-frac{\sqrt{2MB}R}{\hbar})(\frac{\pi B^{\frac{1}{2}}}{Q^{\frac{1}{2}}}-4)]\quad (3)$$

که در این رابطه $$M$$ جرم ذرات آلفا و $$\hbar$$ ثابت پلانک یعنی $$h$$ تقسیم بر $$2pi$$ است. با فرضیات ساده در مورد فرکانس برخورد ذره آلفا به سد، می‌توان از رابطه بالا برای محاسبه شعاع هسته‌ای موثر برای فروپاشی آلفا استفاده کرد.

این روش یکی از روش‌های اولیه برای تخمین اندازه هسته بود. در تکنیک‌های مدرن و پیچیده‌تر مقدار شعاع از آزمایش‌های دیگر به دست می‌آید و از داده‌های مربوط به واپاشی آلفا و احتمال نفوذ، برای محاسبه ضریب فرکانس استفاده می‌شود.

شکل معادله بالا نشان می‌دهد که بین نرخ واپاشی که از لحاظ تجربی به دست آمد، نیمه عمر مواد رادیو اکتیو و انرژی آزاد شده یعنی $$Q_{\alpha}$$ رابطه‌ای به صورت زیر وجود دارد:

$$\large \log t_{\frac{1}{2}}=\frac{a}{\sqrt{Q_a}}+bquad (4)$$

مقادیر ثابت‌های a و b که به بهترین شکل با مقادیر آزمایشی جفت هسته با عدد نوترونی بزرگتر از ۱۲۶ همخوانی دارد در جدول زیر نشان داده شده است. هسته‌هایی با ۱۲۶ یا تعداد کمتری نوترون واپاشی را نسبت به هسته‌های سنگین‌تر با سرعت کمتری انجام می‌دهند و برای همخوانی نرخ واپاشی در این مواد باید مجدداً ثابت‌های a و b را تعیین کرد.

نرخ واپاشی آلفا به حالت‌های برانگیخته هسته‌های زوج، به حالت پایه و برانگیخته هسته‌های با تعداد فرد پروتون، نوترون یا هر دو می‌تواند نسبت به معادله (۴) تاخیری را داشته باشد و این تاخیر می‌تواند از ضریب ۱۰۰۰ یا بیشتر باشد. ضریب تاخیری که سبب می‌شود تا نرخ واپاشی کندتر از معادله (۴) باشد را به عنوان «ضریب ممانعت» (hindrance factor) می‌شناسیم.

ضریب ممانعت آلفا از نظر حرکت مداری در پروتون‌ها و نوترون‌های منفرد که ذره آلفای ساطع شده را تشکیل می‌دهند کاملاً شناخته شده است. هسته‌های ساطع کننده آلفا سنگین‌تر از رادیوم به شکل سیگار مانند در نظر گرفته می‌شوند و داده‌های مربوط به فاکتور ممانعت آلفا برای استنباط و مشخص کردن مناطقی در سطح هسته که احتمال تابش از آن‌ها بیشتر است استفاده می‌شوند.

معادله واپاشی آلفا به چه صورت است؟

واپاشی آلفا معادله‌ای به شکل زیر دارد:

$$\large^{X}_{Z}Arightarrow ^{4}_2He+^{X-4}_{Z-2}B$$

که $$A$$ ایزوتوپ والد و $$B$$ ایزوتوپ دختر است. وقتی عنصری واپاشی آلفا داشته باشد دو پروتون و دو نوترون از دست می‌دهد و به صورت معادله بالا نوشته می‌شود. واپاشی آلفا عموماً در عناصری با عدد اتمی بیشتر از ۸۳ رخ می‌دهد.

منابع رایج ذرات آلفا چیست؟

بسیاری از انتشار دهنده‌های آلفا به طور طبیعی در محیط و در طبیعت وجود دارند. به عنوان مثال ذرات آلفا توسط رادیونوکلئیدها مانند اورانیوم 238، رادیوم 226 و سایر اعضای سری واپاشی اورانیوم، توریم و اکتینیم که با مقادیر مختلف تقریباً در همه سنگ‌ها، خاک و آب وجود دارند، یافت می‌شوند.

کاربرد ذرات آلفا چیست؟

ذرات آلفا قدرت نفوذ کمی دارند اما با این حال ویژگی‌های آن‌ها سبب شده است تا در موارد زیادی کاربرد داشته باشند. در ادامه برخی از کاربردهای ذرات آلفا را بیان می‌کنیم:

• ردیاب‌های دود: آمریکیوم 241 معمولاً در ردیاب‌های دود یونیزه استفاده می‌شود. دودی كه به آشكارساز وارد می‌شود ميزان ذرات آلفای دستگاه را كاهش داده و باعث ايجاد زنگ خطر می‌شود.
• از بین برنده‌های ساکن به طور معمول از ذرات آلفا در پلونیوم ۲۱۰ برای حذف بارهای ساکن از تجهیزات استفاده می‌کنند.
• ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ از واپاشی ذرات آلفا در پلوتونیوم 238 برای تولید گرمایی که عموماً به الکتریسیته تبدیل شده و معمولاً در کاوشگرهای فضایی کاربرد دارد، استفاده می‌کنند.
• تحقیق در مورد برخی از ساطع کننده‌های آلفا برای استفاده آن‌ها در رادیوتراپی بدون نیاز به فضای بسته برای درمان سرطان در حال بررسی و مطالعه است.

چه کسی واپاشی آلفا را کشف کرد؟

در واپاشی آلفا ذره‌ای با بار مثبت و یکسان با هسته هلیوم 4 به صورت خود به خود ساطع می‌شود. این ذره که به آن ذره آلفا نیز می‌گویند از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. این ذره توسط «سر ارنست رادرفورد» (Sir Ernest Rutherford) در سال 1899 کشف و نامگذاری شد.

چه زمانی واپاشی آلفا رخ می‌دهد؟

واپاشی آلفا معمولاً در هسته‌های سنگین مانند اورانیوم یا پلوتونیوم اتفاق می‌افتد و بنابراین محصول عمده از اثر رادیواکتیو ناشی از انفجار هسته‌ای است. از آنجا که ذره آلفا نسبت به سایر اشکال واپاشی پرتوزا نسبتاً عظیم‌تر است می‌تواند توسط یک ورق کاغذ متوقف شود و نمی‌تواند به پوست انسان نفوذ کند. یک ذره آلفای 4 مگا الکترون ولتی فقط می‌تواند حدود 1 اینچ در هوا حرکت کند.

اگرچه دامنه حرکت یک ذره آلفا کوتاه است اما اگر یک عنصر که در حال واپاشی آلفا است بلعیده شود، ذره آلفا می‌تواند به بافت اطراف آسیب زیادی برساند. به همین دلیل است که پلوتونیوم با نیمه عمر طولانی در صورت بلع بسیار خطرناک است.

چه نیرویی سبب واپاشی آلفا می‌شود؟

واپاشی آلفا از نیروی دافعه کولنی بین ذره آلفا و بقیه هسته حاصل می‌شود که هر دو دارای بار الکتریکی مثبت هستند، اما توسط نیروی هسته ای نیز کنترل می‌شود.

جرم و بار ذره آلفا چه قدر است؟

ذره آلفا که با نام‌های تابش آلفا یا اشعه آلفا نیز شناخته می‌شود شامل دو پروتون و دو نوترون است که به یکدیگر متصل شده و هسته‌ای یکسان با هلیوم ۴ را تشکیل می‌دهند. بدین ترتیب جرم این ذره برابر با $$6.644657230(82)×10^{-27} kg=4.001506179127(63) u=3.727379378(23) \frac{GeV}{c^2}$$ و بار الکتریکی آن نیز $$+2$$ است.

نماد ذره آلفا چیست؟

ذره آلفا را به سه طریق $$\alpha$$، $$\alpha^{+2}$$ و $$He^{+2}$$ نمایش می‌دهند.

ضریب نفوذ ذرات آلفا چه قدر است؟

ذرات آلفا ممکن است در طی تجزیه رادیواکتیو از هسته یک اتم خارج شوند. این ذرات نسبتاً سنگین هستند و فقط حدود یک اینچ در هوا حرکت می‌کنند. ذرات آلفا به راحتی توسط یک ورق کاغذ متوقف می‌شوند و نمی‌توانند به لایه مرده بیرونی پوست نفوذ کنند. بنابراین وقتی منبع آن‌ها خارج از بدن انسان باشد هیچ خطری ندارند.

فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

بازه انرژی ذرات آلفا چه قدر است؟

جمع‌بندی

در این مطلب در  مورد واپاشی آلفا صحبت کردیم. برای ورود به بحث ابتدا انواع تابش‌ها را معرفی کردیم و سپس در مورد واپاشی پرتوزا صحبت کردیم. در ادامه به معرفی انواع واکنش‌ها در فرآیندهای هسته‌ای پرداختیم و بدین ترتیب واپاشی آلفا را توضح دادیم. همچنین کاربردهای تابش آلفا در زندگی را مورد بحث و بررسی قرار دادیم.