فروپاشی آلفا

فروپاشی آلفا به صورت تصادفی در سال 1896 توسط فیزیکدان فرانسوی به نام هنری بکرل هنگامی‌که در حال بررسی پدیده فسفرسانس در برخی مواد بود، کشف شد.
 

ذرات آلفا چیست؟

هسته باردار مثبت هلیوم از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده که در کنار هم قرار دارند. این عنصر توسط نماد آلفا یونانی یا فرمول شیمیایی هسته هلیوم که He می‌باشد، نشان داده می‌شود. آن‌ها ذراتی با اسپین صفر هستند که بوزون‌ها را ایجاد می‌کنند. در صورتی‌که با پدیده رادیواکتیویته آشنایی ندارید و یا در صورتی‌که متمایل به کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه هستید، به فهرست عناصر رادیواکتیو مراجعه کنید.
 

فروپاشی آلفا چیست؟

این نوع فروپاشی شامل انتشار خود به خودی یک ذره آلفا از هسته رادیواکتیو بوده و با کاهش عدد جرمی اتمی هسته تا 4 و عدد اتمی تا 2 انجام می‌گردد. به همین دلیل است که ذره آلفا از چهار نوکلید تشکیل شده که دو تا از آن‌ها پروتون و دو تا نیز نوترون می‌باشد. بنابراین، هسته به واسطه انتشار ذره آلفا به عنصر دیگری تبدیل می‌گردد.
 
سؤال بعدی که ممکن است در ذهن شما ایجاد شود این است که فروپاشی چگونه رخ می‌دهد. چرا هسته‌های رادیواکتیو به صورت خود به خودی یک ذره آلفا را از خود انتشار می‌دهند؟ جواب این سؤالات در درک ماهیت نیروهایی که در هسته اتم و ترکیب آن نقش ایفاء می‌کنند، نهفته است.
 
هسته از پروتون‌ها و نوترون‌هایی که با کمک نیروی هسته‌ای قوی در کنار هم قرار دارند، تشکیل شده که این نیرو بسیار قوی‌تر از نیروی الکترومغناطیسی می‌باشد. از آن‌جا که همه‌ی پروتون‌ها دارای بار مثبت هستند، همدیگر را دفع می‌کنند. در صورتی‌که نیروی هسته‌ای قوی آن‌ها را در کنار هم نگه ندارد، هسته هرگز پایدار نمی‌ماند. با این‌حال، در عناصر بالاتر مانند اورانیوم، تعداد پروتون‌ها نسبتا بالا بوده و بنابراین نیروی الکترومغناطیسی دافعه دارند. چنین هسته‌ای ناپایدار بوده و مستعد تبدیل به عنصر دیگر از طریق پدیده فروپاشی رادیواکتیو می‌باشد.
 
جهت انتشار ذره آلفا، نیاز به غلبه بر نیروی قوی هسته‌ای می‌باشد و از نظر کلاسیک انرژی لازم برای انجام این کار وجود ندارد. با این‌حال، از طریق پدیده تونل زنی کوانتومی می‌توان بر پتانسیل هسته به خوبی غلبه کرد.
 
فیزیک کوانتومی پیش بینی می‌کند که احتمال کمی وجود دارد که ذره آلفا بتواند بر دیواره پتانسیل هسته‌ای با تونل زنی از طریق آن غلبه کند. نظریه کوانتومی پایه‌ی فروپاشی آلفا در سال 1928 توسط جورج گاموف ارائه گردید.
 
ذره آلفا انتشار یافته با سرعت متوسط 15000 کیلومتر بر ثانیه و انرژی جنبشی 5 میلی اکی والان حرکت می‌کند. انرژی این ذرات همیشه برای فرایند فروپاشی آلفا ثابت می‌باشد.
 
در واقع پرتو انتقال دهنده انرژی از راه تابش است. هنگامی که پرتوی انرژی خود را از دست بدهد دیگر پرتو نیست. پرتو می‌تواند وارد اتم بشود و با برخورد به الکترون‌ها و یا هسته، اتم را از حالت عادی و طبیعی خارج کند. پرتو در هر برخورد بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد و در نهایت متوقف می‌شود. برای مثال پرتوهای آلفا و پروتون پس از متوقف شدن از حالت پرتوی خارج شده و به هسته اتمی تبدیل می‌گردند. پرتوها می‌توانند ذره یا امواج الکترومغناطیسی باشند.
 
 
ذرات آلفا را در ابتدا به عنوان کم نفوذترین تابش‌هایی که از مواد طبیعی گسیل می‌شوند، شناسایی کردند. در سال 1903 رادرفورد نسبت بار به جرم آنها را با استفاده از انحراف ذرات آلفایی حاصل از فروپاشی رادیوم در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تعیین کرد. علی رغم مشکل بودن این آزمایش‌های اولیه، نتیجه رادرفورد 25 درصد بیش از مقدار پذیرفته شده فعلی بود و در سال 1909 رادرفورد نشان داد همان طور که حدس زده می‌شد ذرات آلفا واقعا از هسته‌های هلیوم تشکیل شده‌اند.
 

دید کلی

 
ساختمان این ذره پرانرژی که معمولا از هسته‌های سنگین ناپایدار خارج می‌شود، مشابه هسته هلیوم طبیعی یعنی دارای دو ذره پروتون و دو ذره نوترون است. جرم آن کمی بیش از چهار واحد جرم اتمی و حامل دو بار الکتریکی مثبت است. هسته ناپایداری که از خود، پرتو آلفا ساطع می‌کند تبدیل به هسته دختری می‌شود که عدد اتمی آن 2 و عدد جرمی آن 4 عدد کمتر از اعداد اتمی و جرمی هسته مادر است.
 

منشا تولید ذرات آلفا

در هسته‌های سنگین آهنگ افزایش نیروی دافعه کولنی از نیروی بستگی هسته بیشتر می‌شود و عامل اصلی گسیل آلفا زا بر اساس دافعه کولنی می‌باشد. ذره آلفا ساختار پایدار و مقیدی دارد و در مقایسه با اجزای تشکیل دهنده آن جرمی نسبتا کم دارد. در مقایسه با ذرات دیگر، واپاشی خودبخودی از لحاظ انرژی فقط برای ذره آلفا امکان پذیر است.
 

یون سازی پرتو آلفا

پرتو آلفا ضمن عبور از درون اتم‌ها آنها را یونیزه و یا تحریک می‌کند و در این عمل هر بار مقداری از انرژی خودش را از دست می‌دهد. به علت سنگین و پر انرژی بودن، ذره آلفا مجبور است که در طول مسیر کوتاهش همه انرژی خود را از دست بدهد. در هسته‌های سنگین آهنگ افزایش نیروی دافعه کولنی از نیروی بستگی هسته بیشتر می‌شود و عامل اصلی گسیل آلفا زا بر اساس دافعه کولنی می‌باشد. یعنی شدت یون سازی آن خیلی زیاد است. برای بیان کمیت شدت یون سازی، یون سازی ویژه تعریف شده است که آن تعداد از یون‌هایی است که در هر سانتیمتر از طول مسیر پرتو به وجود می‌آید.
 
مقدار یون سازی ویژه هر پرتو تابع درجه حرارت محیط و انرژی و سرعت پرتوها است. چون در طول مسیر به مرور از سرعت و انرژی پرتو کاسته می‌شود لذا میزان یون سازی ویژه آن در ابتدا و در انتهای مسیر تفاوت زیادی دارد. در حقیقت علت این امر احتمال برخورد کمتر در سرعت‌های زیاد و احتمال برخورد بیشتر در سرعت‌های کمتراست.
 

جذب و آشکار سازی پرتو آلفا

قدرت نفوذ پرتوهای آلفا بسیار کم است به طوری که برد پرانرژی‌ترین آنها در هوا از چندین سانتیمتر تجاوز نمی‌کند. برای مثال مقدار آن در آب فقط در حدود چند میکرون است. اگر منبع رادیواکتیو پخش کننده پرتوهای آلفا در نقطه‌ای قرار داده شود و در مقابل آن آشکار ساز مناسبی که به دستگاه شمارنده‌ای وصل است گذاشه شود ملاحظه می‌شود که تا مدتی با افزایش فاصله بین منبع تشعشع و آشکار ساز ، از تعداد پرتوهایی که در فاصله زمانی مشخص آشکار می‌شود به سرعت کاسته می‌شود و نهایتاً به صفر می‌رسد.
 
منبع: Omkar Phatak – ساینس استراک