Альфа-частица: масса, основные характеристики и свойства

Альфа-частица — это ядро ​​гелия. Если удалить электронную оболочку с атома гелия, эта частица останется. Он состоит из двух протонов и двух нейтронов, имеет сферическую форму радиусом 10-5 метров. Масса альфа-частиц 6,68 * 10-27 килограмм.

История открытия

На рубеже XIX и XX веков два всемирно известных физика открыли существование альфа-частиц. Это были новозеландский физик Эрнест Резерфорд, работавший в Канаде в городе Монреаль, и французский химик и физик Поль Виллар, организовавший свои эксперименты в Париже. Эти два ученых изучали разные типы излучения на предмет их способности проникать в разные среды, а также их взаимодействия с искусственным магнитным полем.

Эрнест Резерфорд' '='

В результате этих экспериментов Резерфорд выделил три типа излучения: альфа, бета и гамма. Альфа-лучи были определены как лучи, которые имеют самую низкую проникающую способность через различные объекты среди изученных типов излучения.

Элементарные частицы: протоны и нейтроны

В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики: электрический заряд и массу, поскольку эти критерии во многом определяют ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.

Протоны и нейтроны в ядре атома' '='

Как упоминалось выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон — это элементарная частица с массой 1,6726 * 10-27 кг и зарядом 1,602 * 10-19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше массы протона, т.е. 1,67489 * 10-27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица электрически нейтральна (отсюда и название — «нейтрон»).

Альфа-частицы и их заряд

Заряд и массу альфа-частицы можно определить, если принять во внимание приведенные выше числа, а также принять во внимание, что сама частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Заряд альфа-частицы положительный и равен +3,204 * 10-19 Кл. Обратите внимание, что значение +1.602 * 10-19 Кл обычно называют элементарным зарядом в физике, так как оно равно по величине таким же значениям. Для протона и электрона. Следовательно, заряд альфа-частицы составляет +2 элементарных заряда.

Масса альфа-частицы

Если принять во внимание аддитивное свойство физической величины «масса», можно самостоятельно рассчитать, сколько весит альфа-частица. Цифры выше для протонов и нейтронов говорят о том, что масса альфа-частицы составляет 6,69498 * 10-27 кг. Эта цифра получается сложением остаточных масс двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, отношение масс протона к альфа-частице составляет примерно 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.

Атомное ядро ​​и альфа-частица' '='

Однако многие эксперименты, проведенные для установления точной массы этой частицы, говорят о том, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10-27 кг, то есть на 0,015 * 10-27 кг ниже полученного выше значения. В чем разница? Ответ на этот вопрос довольно прост: он превращается в энергию. Дело в том, что когда из протонов и нейтронов образуется альфа-частица, в результате ядерных взаимодействий между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние — нашу частицу альфа.

Энергия образования

Чтобы вычислить энергию образования альфа-частицы, вы должны использовать знаменитое уравнение Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных констант нашей Вселенной: скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света в вакууме.

Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10-27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 108 м / с, мы получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Он равен E = 0,015 * 10-27 * 9 * 1016 = 1,35 * 10-12 Дж. В физике элементарных частиц принято записывать энергии в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт составляет 1,602177 * 10-19 Дж. Таким образом, энергия образования альфа-частицы составляет 8,426 * 106 эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).

Радиоактивный альфа-распад' '='

Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно выполнить простой расчет. Представьте себе, что вся энергия образования альфа-частицы передается при ее ускорении. Используя уравнение Лоренца для нерелятивистских скоростей, т.е предполагая, что кинетическая энергия альфа-частицы равна mv2 / 2, где v — скорость ее движения, мы получаем, что этой энергии образования будет достаточно для ускорения альфа-частицы со скоростью 2 * 107 м / c, что составляет 6,7% скорости света в вакууме. Обратите внимание, что нет смысла задавать вопрос о том, насколько масса альфа-частицы увеличится при таких скоростях, так как увеличение ее массы можно не заметить, так как оно составит всего 0,015 / 6,68 * 100 = 0,2 %.

Основные физические свойства

Альфа-частица в 4 раза тяжелее протона и в 8000 раз тяжелее электрона, то есть для мира элементарных частиц она имеет большую массу. Напомним, что масса протона или нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в элементарных единицах заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а масса равна 4. Тогда соотношение между заряд и масса альфа-частицы +1/2 = +0,5.

Поскольку у него есть электрический заряд, он пролетает через электрическое или магнитное поле и взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, действующей на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо использовать так называемое правило левой руки: четыре пальца должны быть расположены по вектору движения альфа-частицы, а ладонь должна быть повернутым так, чтобы линии магнитной индукции входили в него. Тогда большой палец, выступающий под прямым углом, укажет направление силы, действующей на движущуюся заряженную частицу.

Проникновение излучения' '='

Альфа-частицы могут разгоняться до высоких скоростей, достигая значений 15 миллионов км / с, или 5% скорости света. Благодаря своей большой массе и огромной скорости они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может достигать 10 МэВ.

Проникающая способность

Поскольку альфа-частица имеет значительную массу (по сравнению с массой электрона), помимо электрического заряда, который в 2 раза превышает заряд электрона по модулю, ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой дело, несущественно.

Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, что приводит к ионизации атомов, то есть отрыву от них электронов. Например, пройдя по воздуху всего 5 см, альфа-частица претерпевает огромное количество столкновений и почти полностью теряет свою кинетическую энергию.

Процесс ионизации атома' '='

Любое твердое вещество легко захватывает альфа-частицу. Таким образом, он не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм сдерживает поток любой интенсивности от альфа-частиц. Заметим еще раз, хотя проникающая способность этой частицы невелика, она очень сильно ионизирует любое вещество, через которое она движется.

Альфа-частица — продукт радиоактивного распада

Несмотря на то, что альфа-частица состоит из протонов и нейтронов, она не образуется из этих элементарных частиц в природе, а получается в результате радиоактивного альфа-распада определенных химических элементов.

Альфа-распад — это вид радиоактивного распада, в результате которого атомное ядро ​​химического элемента, испуская альфа-частицу, превращается в ядро ​​другого элемента, масса которого на 4 а.е.м меньше этого значения родительского ядра а порядковый номер в периодической таблице на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента.

Рок богат ураном' '='

Альфа-распад бывает спонтанным (происходит произвольно по своей природе) и вынужденным (вызывается каким-то особым воздействием на ядро ​​атома). Спонтанный распад характерен только для очень тяжелых атомных ядер. Следовательно, самым легким элементом, который подвергается спонтанному альфа-распаду, является теллур 106. Уран 238 также подвергается альфа-распаду с образованием технеция 234.

Поскольку альфа-частица имеет двойной положительный элементарный заряд, она быстро захватывает электроны, когда радиоактивное ядро ​​распадается, образуя атом гелия. По этой причине многие породы с высоким содержанием альфа-радиоактивных элементов имеют полости, заполненные газообразным гелием, например, в минералах, богатых ураном или торием. Основным источником альфа-частиц на Земле является благородный газ радон, который содержится в почве, воде, воздухе и различных типах горных пород.

Поделиться:
×
Рекомендуем посмотреть