קרינת אלפא

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

קרינת אלפא (α) היא תוצאה של התפרקות רדיואקטיבית. הקרינה הרדיואקטיבית נחלקת לשני סוגים עיקריים: קרינת חלקיקים וקרינה אלקטרומגנטית. קרינת אלפא היא קרינה חלקיקית.

איור של קרינת אלפא

הקרינה התגלתה לראשונה בידי ארנסט רתרפורד (Ernest Rutherford) בשנת 1899, ובשנת 1909 הוכיחו רתרפורד ותלמידו תומאס רוידס (Thomas D. Royds) שחלקיקי האלפא הם למעשה גרעיני אטום ההליום. חלקיקי קרינת האלפא מכילים אם כך, שני פרוטונים ושני נייטרונים. בשל כך, כאשר אטום רדיואקטיבי פולט קרינת אלפא, המספר האטומי שלו (מספר הפרוטונים שלו) קטן ב־2 ואילו מספר המסה שלו (מספר הנוקלאונים שלו) קטן ב־4. כך למשל הופך גרעין אורניום 238 הפולט חלקיק אלפא לתוריום 234.

לדוגמה:


{}^2{}^{38}_{92}\hbox{U}\;\to\;{}^2{}^{34}_{90}\hbox{Th}\;+\;{}^4_2\hbox{He}

אף על פי שנוהגים לכתוב בדרך כלל כך:


{}^{238}\hbox{U}\;\to\;^{234}\hbox{Th}\;+\;\alpha

חלקיקי האלפא נפלטים עם אנרגיה קינטית בסביבות MeV 5-9 (מיליון אלקטרון וולט). קרינת האלפא גורמת ליינון רב: בלחץ אוויר רגיל יוצרת הקרינה 105 זוגות יונים לאורך מסלול של סנטימטר אחד. בעקבות כך מאבדים חלקיקי האלפא את האנרגיה הקינטית שלהם לאורך מרחק קצר מאוד, ומסוגלים לחדור דרך דף נייר אחד בלבד או דרך 5 סנטימטרים של אוויר.

לא כל גרעיני ההליום הנעים במהירות גבוהה נחשבים כחלקיקי אלפא.

אנרגיה גבוהה של חלקיקי האלפא נוצרת בעקבות ביקוע גרעיני, בתופעה נדירה הנקראת ביקוע משולש. את גרעיני ההליום המיוצרים על ידי מאיצי חלקיקים נוהגים פחות לכנות "חלקיקי אלפא".

התפרקות אלפא[עריכת קוד מקור | עריכה]

המקור הנפוץ ביותר של חלקיקי האלפא הינו בהתפרקות מגיבים כבדים (כבדים מ-106 יחידות u אטומיות). כאשר אטום פולט חלקיק אלפא בהתפרקות אלפא, מספר המסה של האטום קטן ב-4, כיוון שהוא "איבד" 4 נוקלאונים (מתוקף חוק שימור מספר הנוקלאונים שעברו לחלקיק האלפא). המספר האטומי של האטום יורד ב-2 כתוצאה מאיבוד 2 פרוטונים. כלומר, בתהליך פליטת האלפא, האטום הופך לאטום חדש. דוגמאות לכך הם כאשר אורניום פולט קרינת אלפא והופך לתוריום, או כאשר רדיום הופך לגז רדון (בעקבות פליטת חלקיקי האלפא).

חלקיקי אלפא נפלטים לרוב על ידי כל החומרים הרדיואקטיבים כמו אורניום, תוריום, אקטיניום ורדיום. בשונה מהתפרקויות אחרות, תהליך התפרקות האלפא דורש גודל מינימלי של אטומים שיכולים לתמוך יחדיו בהתפרקות. הנוקלאון הקטן ביותר שיכול לתמוך בהתפרקות זו הוא האטום הקל של תלריום (52 בטבלה המחזורית), עם מספר מסה של 106 עד 110. תהליך התפרקות האלפא לעתים משאיר את האטומים שפלטו את חלקיקי האלפא במצב מעורר, ולכן נפלטת גם קרינת גמא על מנת לשחרר את האנרגיה העודפת.

מנגנון הייצור של התפרקות אלפא[עריכת קוד מקור | עריכה]

בניגוד להתפרקות בטא, ההוראות הבסיסיות להתפרקות אלפא הם איזון בין כוח אלקטרומגנטי וכוח גרעיני. התפרקות אלפא הינה תוצאה של דחייה בין חלקיק האלפא לגרעין האטום, כיוון שלשניהם מטען חיובי. בפיזיקה הקלאסית, לחלקיקי האלפא אין די אנרגיה לעבור את מחסום הפוטנציאל הגרעיני שלוכד אותם באטום, התופעה הקוונטית של מנהור היא שמאפשרת לחלקיק האלפא להתנתק מהגרעין.

מאיצים[עריכת קוד מקור | עריכה]

חלקיקים אנרגטים של הליום יכולים להווצר מ cyclotrons, synchrotrons ועוד, אבל בדרך כלל לא נוהגים להתייחס אליהם כאל חלקיקי אלפא.


אנרגיה וקליטה[עריכת קוד מקור | עריכה]

האנרגיה של חלקיק אלפה שנפלט בתהליך הפירוק תלוי בזמן מחצית החיים של התהליך, שעשוי להשתנות במידה ניכרת מחומר לחומר. חלקיקי האלפא עם האנרגיה הגבוהה ביותר נפלטים מגרעינים גדולים יותר, אבל רוב חלקיקיק האלפא נפלטים עם אנרגיה של 3 עד 7 MEV. אנרגיה זו היא אנרגיה רבה עבור חלקיק יחיד, אבל המסה הגדולה שלו גורמת לכך שהוא נע במהירות נמוכה יותר מכל חלקיק אחר של קרינה (למשל חלקיקי B ונייטרונים)-בערך 5 MEV של אנרגיה קנטית, כלומר מהירות 15,000 ק"מ לשנייה, חמישה אחוז ממהירות האור.כתוצאה ממסתם הגדולה, חלקיקי האלפא נחסמים בקלות על ידי מתכות, והם יכולים לנוע רק סנטימטרים ספורים באוויר. ניתן לחסום אותם אפילו עם נייר טישו או כל חלק בגוף האדם (בערך 40 מיקרו מטר).


הגילוי והשימוש[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשנים 1899 ו1900, הפיזיקאי ארנסט רתרפורד (שעבד באוניברסיטת מקגוויל במונטריאול, קנדה), ופול ווילארד (שעבד בפריז), הצליחו להפריד את הקרינות ל-3 סוגים: קרינת אלפא, בטא, וגמא. הם עשו זאת בעזרת בדיקת השפעת השדה המגנטי על כל קרינה. קרני האלפא זוהו על ידי רתרפורד כקרניים הכי פחות חודרניות.

העבודה של רתרפורד כללה גם את מדידת מסת חלקיקי האלפא. התוצאה גרמה לו לחשוב שחלקיקי האלפא היו יוני הליום טעונים במטען חיובי. ב-1907, ארנסט רתרפורד ותומס רוידס הוכיחו לבסוף כי חלקיקי האלפא היו ככל הנראה יוני הליום. על מנת להוכיח זאת הם איפשרו לחלקיקי אלפא לחדור באמצעות צינור דרך קיר זכוכית דק מאוד וכך שיערו שאם חלקיקי האלפא הם אכן חלקיקי הליום, מספר גדול של יוני הליום יישארו בתוך הצינור. לאחר מכן, הם יצרו שדה חשמלי בתוך הצינור, שגרם לזרם אלקטרונים להשתחרר מאטומי הגז. מחקר עכשווי על הספקטרום של הגז שהתקבל הראה כי חלקיקי האלפא שהיו בתוך הצינור למעשה היו חלקיקי הליום, וכך למעשה הוכיחו שחלקיקי האלפא הם סוג של יוני הליום.

כיוון שהתפרקות אלפא נוצרת האופן טבעי, אבל גם יכולה להתרחש בתהליך מלאכותי, המחקר שלהם הוביל לידע מוקדם בפיזיקה הקוונטית . רתרפורד השתמש בחלקיקי אלפא שנפלטו מרדיום על מנת להסיק שהמודל של ג' ג' תומסון לגבי מבנה האטום היה לגמרי שגוי. בניסוי עלה הזהב של רתרפורד, שבוצע על ידי הסטודנטים שלו הנס ג'ייגר וארנסט מרסדן, אלומת חלקיקי אלפא צרה נוצרה, ועברה דרך רדיד זהב צר. חלקיקי אלפא התגלו על ידי מסך אבץ גופריתי, אשר פולט הבזק של אור כאשר מתנגשים בו חלקיקי אלפא. רתרפורד הניח, שמודל האטום של תומסון נכון, כי חלקיקי האלפא החיוביים ימשיכו כמעט בקו ישר, ויהיו מוסחים רק במעט, אם בכלל. בניגוד להשערתו,הוא מצא כי חלק מחלקיקי האלפא הוסחו בזוויות גדולות בהרבה מהמצופה, וחלקם אפילו יצרו זווית הקרובה ל-180 מעלות (כלומר כמעט חזרו אחורה). על אף שרוב חלקיקי האלפא המשיכו ישר בהתאם למצופה, רתרפורד הניח כי התנהגות חלקיקי האלפא שהוסחו במידה ניכרת הייתה תמוהה, שכן, לפי מודל תומסון חלקיקי האלפא היו צריכין להתנהג בדומה להתנהגות כדור פגז שעוקף נייר. לכן, הבין רתרפורד שמודל האטום של תומסון שגוי. הוא קבע שהמטען החיובי של האטום מרוכז באזור קטן במרכזו, ולכן בעקבות צפיפות המטען החיובי במרכז האטום חלקיקי האלפא החיוביים נדחו וחזרו כלעומת שבאו.

הערה: לפני תגלית זו, לא היה ידוע שלחלקיקי האלפא יש גם גרעין אטום, ולא היה ידוע קיומם של פרוטונים או נייטרונים. לאחר הגילוי הזה המודל של תומסון ננטש, והתפתח מודל בוהר (על שם נילס בוהר), ומאוחר יותר נוצר מודל הגל המכני המודרני של האטום. רתרפורד המשיך להשתמש בחלקיקי אלפא לשם ייצור חומרים חדשים.

חלקיקי אנטי אלפא[עריכת קוד מקור | עריכה]

רק ב-2011 חברי חברת STAR הבינלאומית, שהשתמשו במתקן אנרגיה בארצות הברית, מצאו חלקיק בשם אנטי- אלפא. תוצאתם פורסמה ב-24 באפריל 2011, בכתב העת NATURE.בניסוי הם השתמשו ביוני זהב שנעו במהירות הקרובה למהירות האור, התנגשו התנגשות ראש, וכך נוצרו חלקיקי האנטי אלפא החדשים.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]