Альфа-частица

Альфа-частицы возникают при альфа-распаде ядер, при ядерных реакциях и в результате полной ионизации атомов гелия-4. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: ⁶Li + ²H = ⁴He + ⁴He. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия из звёздных атмосфер и межзвёздного газа, некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц.

Масса альфа-частицы составляет 4,001 506 179 127(63) атомной единицы массы^[4] (около 6,644 657 3357(20)⋅10⁻²⁷ кг), что эквивалентно энергии 3727,379 4066(11) МэВ^[5]. Спин и магнитный момент частицы равны нулю. Энергия связи (выраженная в энергетических единицах разница между суммарной массой двух протонов и двух нейтронов и массой альфа-частицы) составляет 28,295 6108(16) МэВ (7,073 9027(4) МэВ на нуклон)^[6][7]. Избыток массы составляет 2424,9158(1) кэВ^[8]. Заряд альфа-частицы положителен и равен удвоенному элементарному заряду, или примерно 3,218·10⁻¹⁹ Кл.

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см²). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.

Детектируются альфа-частицы с помощью сцинтилляционных детекторов, газоразрядных детекторов, кремниевых pin-диодов (поверхностно-барьерных детекторов, нечувствительных к бета- и гамма-излучению) и соответствующей усилительной электроники, а также с помощью трековых детекторов. Для детектирования альфа-частиц с энергиями, характерными для радиоактивного распада, необходимо обеспечить малую поверхностную плотность экрана, отделяющего чувствительный объём детектора от окружающей среды. Например, в газоразрядных детекторах может устанавливаться слюдяное окно с толщиной в несколько микрон, проницаемое для альфа-частиц. В полупроводниковых поверхностно-барьерных детекторах такой экран не нужен, рабочая область детектора может непосредственно контактировать с воздухом. При детектировании альфа-активных радионуклидов в жидкостях исследуемое вещество смешивается с жидким сцинтиллятором.

В настоящее время наиболее распространены кремниевые поверхностно-барьерные детекторы альфа-частиц, в которых на поверхности полупроводникового кристалла с проводимостью p-типа создаётся тонкий слой с проводимостью n-типа путём диффузионного введения донорной примеси (например, фосфора). Приложение обратного смещения к p-n-переходу обедняет чувствительную область детектора носителями заряда. Попадание в эту область альфа-частицы, ионизирующей вещество, вызывает рождение нескольких миллионов электронно-дырочных пар, которые вызывают регистрируемый импульс тока с амплитудой, пропорциональной количеству родившихся пар и, соответственно, кинетической энергии поглощённой альфа-частицы. Поскольку обеднённая область имеет очень малую толщину, детектор чувствителен лишь к частицам с высокой плотностью ионизации (альфа-частицы, протоны, осколки деления, тяжёлые ионы) и малочувствителен к бета- и гамма-излучению.

Вышеописанный механизм рождения электронно-дырочных пар альфа-частицей в полупроводниках может вызвать несанкционированное переключение полупроводникового триггера при попадании альфа-частицы с достаточной энергией на кремниевый чип. При этом единичный бит в памяти заменяется нулевым (или наоборот). Для уменьшения количества таких ошибок материалы, используемые в производстве микросхем, должны обладать низкой собственной альфа-активностью.

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ^[9]. При движении альфа-частицы в веществе, она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов, и в результате этого очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Внешнее альфа-облучение опасно для здоровья только в случае высокоэнергичных альфа-частиц (с энергией выше десятков МэВ), источником которых является ускоритель. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма, весьма опасно для здоровья, поскольку большая плотность ионизации вдоль трека частицы сильно повреждает биомолекулы. Считается^[10], что при равном энерговыделении (поглощённой дозе) эквивалентная доза, набранная при внутреннем облучении альфа-частицами с энергиями, характерными для радиоактивного распада, в 20 раз выше, чем при облучении гамма- и рентгеновскими квантами. Однако линейная передача энергии высокоэнергичных альфа-частиц (с энергиями 200 МэВ и выше) значительно меньше, поэтому их относительная биологическая эффективность сравнима с таковой для гамма-квантов и бета-частиц.

Таким образом, опасность для человека при внешнем облучении могут представлять α-частицы с энергиями 10 МэВ и выше, достаточными для преодоления омертвевшего рогового слоя кожного покрова. В то же время большинство исследовательских ускорителей α-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ^[11].

Гораздо бо́льшую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт). Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества (например полония-210), чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом.