Διάσπαση Άλφα

Εισαγωγή στη Διάσπαση Άλφα

Η διάσπαση άλφα (α-διάσπαση) είναι μια μορφή ραδιενεργού διάσπασης κατά την οποία ένας ασταθής πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα ($\alpha$), το οποίο είναι ένας πυρήνας ηλίου $^{4}_{2}He$.

Το Σωματίδιο Άλφα

Το σωματίδιο άλφα αποτελείται από:

• 2 πρωτόνια
• 2 νετρόνια
• Συνολικό φορτίο: $+2e$
• Μάζα: $4u \approx 6,645 \times 10^{-27}$ kg

Συμβολίζεται ως $^{4}_{2}He^{2+}$ ή απλά $\alpha$.

Εξίσωση της α-Διάσπασης

Η γενική εξίσωση της διάσπασης άλφα είναι:

$$^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A-4}_{Z-2}Y + ^{4}_{2}He$$

όπου:

• $X$: μητρικός πυρήνας (αρχικός)
• $Y$: θυγατρικός πυρήνας (τελικός)
• Ο ατομικός αριθμός μειώνεται κατά 2
• Ο μαζικός αριθμός μειώνεται κατά 4

Ενέργεια της Διάσπασης

Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση (ενέργεια Q) υπολογίζεται από τη διαφορά μαζών:

$$Q = (m_X - m_Y - m_\alpha) c^2$$

όπου:

• $m_X$: μάζα μητρικού πυρήνα
• $m_Y$: μάζα θυγατρικού πυρήνα
• $m_\alpha$: μάζα σωματιδίου άλφα

Για να είναι ενεργειακά δυνατή η διάσπαση, πρέπει $Q > 0$.

Κινητική Ενέργεια του Σωματιδίου Άλφα

Λόγω διατήρησης της ορμής, το σωματίδιο α παίρνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας:

$$K_\alpha = Q \cdot \frac{m_Y}{m_Y + m_\alpha} \approx Q \cdot \frac{A-4}{A}$$

$$K_Y = Q \cdot \frac{m_\alpha}{m_Y + m_\alpha} \approx Q \cdot \frac{4}{A}$$

Ο θυγατρικός πυρήνας ανακρούει (recoil) με μικρή κινητική ενέργεια.

Χαρακτηριστικά της α-Ακτινοβολίας

Εμβέλεια

• Στον αέρα: μερικά εκατοστά
• Σταματά από ένα φύλλο χαρτί ή το δέρμα
• Πολύ μικρή διεισδυτική ικανότητα

Ιοντίζουσα Δράση

• Πολύ υψηλή ιοντίζουσα ικανότητα
• Δημιουργεί πολλά ζεύγη ιόντων ανά μονάδα διαδρομής
• Επικίνδυνη αν εισπνευστεί ή καταποθεί

Ενέργεια

Τα σωματίδια α εκπέμπονται με συγκεκριμένες, διακριτές ενέργειες (χαρακτηριστικό του ισοτόπου), τυπικά μεταξύ 4-9 MeV.

Θεωρία Φαινομένου Σήραγγας

Η διάσπαση α εξηγείται κβαντομηχανικά μέσω του φαινομένου σήραγγας (quantum tunneling):

• Το σωματίδιο α βρίσκεται εγκλωβισμένο πίσω από ένα φράγμα δυναμικού (λόγω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης)
• Κλασικά, δεν έχει αρκετή ενέργεια να το ξεπεράσει
• Κβαντομηχανικά, υπάρχει πιθανότητα "διάτρησης" του φράγματος
• Αυτή η πιθανότητα καθορίζει τον χρόνο ημιζωής

Παραδείγματα α-Διάσπασης

Διάσπαση του Ουρανίου-238

$$^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He$$

Χρόνος ημιζωής: 4,5 δισεκατομμύρια έτη

Διάσπαση του Ραδίου-226

$$^{226}_{88}Ra \rightarrow ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He$$

Χρόνος ημιζωής: 1600 έτη

Διάσπαση του Πολωνίου-210

$$^{210}_{84}Po \rightarrow ^{206}_{82}Pb + ^{4}_{2}He$$

Χρόνος ημιζωής: 138 ημέρες

Εφαρμογές

• Ανιχνευτές καπνού: Χρησιμοποιούν Αμερίκιο-241
• Χρονολόγηση πετρωμάτων: Μέθοδος U-Pb
• Θεραπεία καρκίνου: Στοχευμένη θεραπεία α-σωματιδίων