Promieniowanie alfa

Rozpad alfa jest jednym z najczęściej spotykanych w przyrodzie - we wszystkich trzech występujących na Ziemi szeregach promieniotwórczych - uranowo-radowym, uranowo-aktynowym i torowym - około połowy nuklidów ulega rozpadowi alfa. Jest to promieniowanie korpuskularne, czyli mające charakter strumienia cząstek, w odróżnieniu od np. promieniowania gamma, które ma charakter falowy. Cząstka alfa zawiera dwa protony i dwa neutrony, czyli jest jądrem helu, i zamienia się w atom helu po przyłączeniu dwóch elektronów w ośrodku, przez który przechodzi. 

Masa atomowa jądra ulegającego rozpadowi alfa zmniejsza się o 4 jednostki, zaś liczba atomowa - o 2 (prawo przesunięć Fajansa-Soddy'ego). Przykładowo, rad-226 emitując cząstkę alfa ulega przekształceniu w radon-222, a polon-210 w ołów-206. Na tym diagramie od razu widać, które izotopy ulegają rozpadowi alfa, a które beta:

Źródło - http://www.creation-science-prophecy.com/U235U238Th232.gif

Spośród naturalnych izotopów alfa-aktywnych najpowszechniej występuje tor-232, następnie uran (głównie 238, do tego 0,7% 235 i śladowo 234), rad-226, radon-222 i śladowo polon-210. Z izotopów sztucznych warto wymienić pluton-239 i ameryk-241. Emisji alfa towarzyszy często emisja gamma (do wyjątków zalicza się m.in. pluton-239). 

***

Cząstki alfa mają bardzo wysoką energię, ale niewielki zasięg - kilka cm powietrza lub naskórek człowieka zatrzymuje je całkowicie. Ameryk-241, stosowany w jonizacyjnych czujkach dymu, emituje promieniowanie alfa o energii 5,3-5,4 MeV, czyli największy zasięg cząstek nieznacznie przekracza 3 cm:

Źródło - http://ncbj.edu.pl/zasoby/wyklady/ld_stud_podypl/02_Transmisja.pdf

Jednocześnie z powodu bardzo silnego jonizowania tkanek współczynnik wagowy promieniowania QF dla promieniowania alfa wynosi aż 20 (dla gammy - 1) - czyli pochłonięcie 1 Gy promieniowania alfa powoduje skutek biologiczny taki jak pochłonięcie 20 Gy gammy. Tak wysoki współczynnik QF mają tylko jeszcze neutrony o energiach 0,1-2 MeV:

Emitery alfa są szczególnie niebezpieczne przy skażeniu wewnętrznym, gdyż wówczas niszczą tkanki wysokoenergetycznym promieniowaniem - komórki bombardowane są z bezpośredniej bliskości i nic ich nie może osłonić. Stąd też nie należy lekceważyć izotopów alfa-aktywnych, gdyż nawet niewielkie ich ilości mogą przedostać się do organizmu i silnie uszkadzać tkanki. Pamiętajmy też, że większość emiterów alfa jest wysoce radiotoksyczna - odsyłam do stosownej notki [LINK]

***

Wysoki potencjał jonizacyjny promieniowania alfa skutkuje też ich silnym oddziaływaniem na materiały światłoczułe. Potencjał jonizacyjny cząstek alfa jest 100 razy większy niż cząstek beta, zaś 1000 razy od kwantów gamma.  Można to łatwo sprawdzić za pomocą papieru fotograficznego i tarcz od starych zegarków z farbą świecącą. Położone bezpośrednio na papier naświetlą go bardzo szybko, natomiast jak oddzielimy je choćby woreczkiem strunowym, efektu praktycznie nie będzie, choć oprócz emisji alfa występują również kwanty gamma. Po stopniu zaciemnienia papieru widać również, w których miejscach tarcza zegarka nie dotykała emulsji - jest tam ono mniejsze, nawet taka odrobina powietrza już tłumi cząstki alfa, a ich rozproszenie powoduje nieostry rysunek:

Błyski światła (scyntylacje) wywołane przez cząstki alfa można obserwować nawet pod lupą, do takich obserwacji służył tzw. spintaryskop. Składał się z ekranu światłoczułego pokrytego siarczkiem cynku (może być fragment ekranu kineskopu telewizora), źródła cząstek alfa (zwykle polon-210) i szkła powiększającego. Zastosowanie mechanizmu regulującego odległość źródła od ekranu pozwala na obserwowanie zasięgu cząstek alfa w powietrzu - poniżej pewnej granicy liczba błysków gwałtownie maleje). Przykładowy egzemplarz omówiono TUTAJ

Do pomiaru promieniowania alfa stosuje się specjalne liczniki Geigera z okienkiem wykonanym z miki. Okienko takie ma małą gęstość powierzchniową ok. 1 mg/cm2 i przepuszcza cząstki alfa, oczywiście te, które są w stanie dotrzeć do detektora.

Dla porównania, blaszane ścianki popularnych liczników STS-5 mają ok 45 mg/cm2. Tuby z okienkiem mikowym opisałem w osobnej notce [LINK]. Do pomiaru emisji alfa stosuje się również detektory scyntylacyjne, np. siarczek cynku aktywowany srebrem - ZnS(Ag). Scyntylator ten ma ogromną zaletę, a mianowicie jest niewrażliwy na tło promieniowania gamma, co pozwala mierzyć same skażenia alfa, nawet w warunkach podwyższonego tła czy obecności innych izotopów.

Scyntylator sondy SSA-1P osłonięty cienką folią światłoszczelną.

Emitery cząstek alfa stosowane są m.in. w jonizacyjnych czujnikach dymu - cząstki dymu osłabiają strumień cząstek idący ze źródła do detektora, uruchamiając alarm. Innym zastosowaniem jest eliminacja ładunków statycznych, czyli elektryzowania się. Produkowano nawet specjalne szczoteczki do płyt winylowych z małym źródełkiem z polonu-210. Ułatwiało to czyszczenie płyt, zmniejszając przyleganie kurzu. Kto miał "czarne krążki" ten wie, jak trudno je odkurzyć z racji elektryzowania się.
Dawniej w zegarkach i przyrządach np. lotniczych powszechnie stosowano farby świecące na bazie radu, w których cząstki alfa powodowały błyski w siarczku cynku, zlewające się w światło ciągłe. Niestety z biegiem lat struktura krystaliczna siarczku ulegała zniszczeniu i farba przestawała świecić, choć rad nadal był radioaktywny (t1/2=1600 lat). Farba powodowała silne zatrucia i choroby popromienne u pracowników fabryk zegarków, odkładając się w kościach i niszcząc szpik - więcej TUTAJ
Niektóre izotopy alfa aktywne z racji dużego ciepła wydzielanego podczas rozpadu są stosowane w termoelektrycznych generatorach prądu, zasilających stacje kosmiczne czy urządzenia na odludziu. I na sam koniec - niektóre emitery alfa są rozszczepialne, czyli mogą stanowić paliwo w reaktorach jądrowych.