Alfa-čestica
Alfa-čestica ili α-čestica je jezgra atoma helija složena od dvaju protona i dvaju neutrona. Zato je njezina masa (6,644 · 10−27 kg, relativna atomska masa 4,001 506) približno četiri puta veća od mase protona, električni naboj pozitivan, a po iznosu jednak naboju dvaju elektrona. Izbacivanjem brzih alfa-čestica (pri radioaktivnom raspadu) atomske jezgre nekih kemijskih elemenata prelaze (s vremenom poluraspada u rasponu od 10−7 sekundi do 1010 godina) u atome kojima je atomski broj umanjen za 2, a maseni broj za 4. Roj brzih alfa-čestica čini alfa-zračenje.[1] Alfa-čestica se od jezgre helija se razlikuje samo svojom velikom brzinom gibanja. Najčešća kinetička energija alfa-čestice je 5 MeV, odnosno brzina 15 000 km/s. Označava se He2+ ili 24He2+. Ukupan spin alfa-čestice je nula, pa je ona bozon.
1. Jezgra
2. Zona zračenja
3. Zona konvekcije
4. Fotosfera
5. Kromosfera
6. Korona
7. Sunčeve pjege
8. Granule
9. Prominencije.
Prirodno nastaje alfa raspadom radioaktivnih atomskih jezgri. Kinetička energija (brzina gibanja) alfa-čestice ovisi o atomskoj jezgri iz koje je emitirana pa je, na primjer, doseg alfa-čestice emitirane iz bizmuta-283, u zraku pri normalnom tlaku i sobnoj temperaturi, 4,7 cm, a iz polonija-218 je 8,5 cm.[2] Struja alfa-čestica (alfa-zračenje) vrlo brzo gubi kinetičku energiju zbog jakog ionizirajućeg djelovanja i ne prodire duboko u tvar (zaustavlja ju običan list papira).
Masa alfa čestice je 6,644 656 × 10−27 kg, što odgovara anihilacijskoj energiji od 3,72738 GeV. Alfa-čestice se šire brzinom od oko 1/20 brzine svjetlosti, što je dovoljno sporo da mogu relativno dugo međudjelovati s materijom. Zato imaju jako ionizirajuće djelovanje. Zbog svoje će se veličine brzo sudariti s nekim od atoma i izgubiti energiju, pa im je doseg mali (nekoliko cm), a zaustavlja ih već koža ili komad papira. No, ako se unesu u tijelo hranom ili udisanjem, mogu biti opasne zbog svog jakog ionizirajućeg djelovanja.[3]
Alfa-zračenje
urediAlfa-zračenje ili α-zrake je čestično ionizirajuće zračenje koja se sastoji od roja brzih alfa-čestica (brzine reda 1,6 · 106 m/s) izbačenih iz teških atomskih jezgara radioaktivnim alfa-raspadima. Utvrdio ga je E. Rutherford 1898. Otklonom alfa-zračenja u električnom i magnetskom polju prepoznata su mnoga njegova svojstva (električni naboj, masa i brzina). U međudjelovanju alfa-zračenja i kemijskih tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene tvari. Primjerice, u zraku alfa-čestice mogu preći tek nekoliko centimetara.[4]
Izvori alfa-čestica
urediAlfa raspad
uredi
Podrobniji članak o temi: Alfa raspadAlfa raspad je pretvaranje jedne atomske jezgre u drugu uz zračenje alfa-čestica. Jezgra se transformira (ili "raspada") na manju jezgru masenog broja manjeg za 4 i atomskog broja manjeg za 2 i na alfa-česticu. Prema zakonu pomicanja atomi radioaktivnih elemenata koji emitiraju alfa-čestice prelaze u atome, čija je atomska masa manja za 4 atomske jedinice, a atomski broj manji za 2, to jest prelaze u atome elemenata, koji u periodnom sustavu elemenata zauzimaju položaj pomjeren za dva mjesta ulijevo. Na primjer:[5]
- 238U → 234Th + α
Većina helija na Zemlji (oko 99%) je produkt alfa raspada uranija i torija. Do raspada dolazi zbog nestabilnosti atomske jezgre, odnosno neuravnoteženoga broja protona i neutrona u njoj. Neke su atomske jezgre prirodno nestabilne i raspadaju se u dužem ili kraćem vremenskom intervalu (vrijeme poluraspada), a neke stabilne atomske jezgre mogu postati nestabilne nakon što na njih djeluju čestice velike energije.
Alfa raspad se događa najčešće kod masivnih jezgri koje imaju prevelik omjer protona u odnosu na neutrone. Alfa čestica s dva protona i dva neutrona je vrlo stabilna konfiguracija nukleona. Mnoge se jezgre masivnije od olova (> 106 u ili više od 106 atomskih jedinica mase) raspadaju ovim raspadom. Najmanja atomska jezgra koja može zračiti alfa-čestice je telurij (Z = 52), koji ima atomsku masu od 106 do 110. Kod alfa raspada atomska masa i redni brojevi jezgre se mijenjaju, što znači da atomska jezgra koja se raspada i jezgra nastala tim raspadom pripadaju različitim kemijskim elementima, te stoga, imaju različita kemijska svojstva.
Kad je omjer neutrona i protona u atomskoj jezgri određenih atoma prenizak, oni emitiraju alfa-česticu kako bi uspostavili ravnotežu. Na primjer: polonij-210 ima 126 neutrona i 84 protona što je omjer od 1,50 naprema 1. Nakon radioaktivnog raspada emitiranjem alfa-čestice, omjer postaje 124 neutrona naprema 82 protona ili 1,51 naprema 1. Budući da broj protona u jezgri određuje element, polonij-210 nakon emisije alfa čestice postaje olovo-206 koji je stabilan element.
Atomi koji emitiraju alfa-čestice uglavnom su vrlo veliki atomi, to jest imaju visoke atomske brojeve. Mnogo je prirodnih i umjetnih radioaktivnih elemenata koji emitiraju alfa-čestice. Prirodni izvori alfa-čestica imaju atomski broj najmanje 82, uz neke iznimke. Najvažniji alfa emiteri su: americij-241 (Z = 95), plutonij-236 (Z = 94), uranij-238 (Z = 92), torij-232 (Z = 90), radij-226 (Z = 88), radon-222 (Z = 86). Alfa emiteri su prisutni u različitim količinama u gotovo svim stijenama, tlu i vodi. Nakon emisije, alfa čestice se zbog velike mase i električnog naboja gibaju relativno sporo (otprilike 1/20 brzine svjetlosti) i u zraku potroše svu energiju nakon nekoliko centimetara i tada vežu slobodne elektrone i postaju helij.[6]
Brzina i energija alfa-čestica
urediU pogledu početne brzine alfa-čestica, energije, dometa, apsorpcije i prodornosti kroz razne tvari, kao i sposobnost za ionizaciju plinova, utvrđeno je da one imaju svoje posebne osobine, koje zavise od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiču. Početna brzina alfa-čestica je različita za različite radioaktivne elemente i iznosi od 14 000 do 22 000 km/s, što je oko 5 do 7,5% brzine svjetlosti.
Energija alfa-čestica zavisi od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiče i kreće se od 4 do 10 MeV. Ispočetka se smatralo da sve alfa-čestice, koje emitiraju radioaktivni elementi, imaju istu brzinu, ali su onda pokusi pokazali da jedan radioaktivni izotop može zračiti alfa-čestice različitih brzina ili različitih kinetičkih energija. Tako je poznato da radij-226 zrači alfa-čestice s 4 energetske grupe: 7,68 MeV, 8,277 MeV, 9,066 MeV i 10,505 MeV.
Domet i apsorpcija alfa-čestica
urediH. Geiger je emprijskim putem utvrdio ovisnost dometa alfa-čestica, pod standardnim tlakom i temperaturom, o njihovoj početnoj brzini. Također je Geiger, zajedno s Johnom Nuttallom, pronašao vezu između vremena poluraspada, odnosno konstante raspadanja λ, nekog radioaktivnog elementa koji zrači alfa-čestice i njihovog dometa u zraku, što se naziva Geiger-Nuttalov zakon:
gdje je: λ - konstanta raspadanja (λ = ln 2/vrijeme poluraspada), Z – atomski broj, E – ukupna kinetička energija (alfa-čestice i atomske jezgre iz koje je nastala), te a1 i a2 - konstante.
S obzirom na vrijeme poluraspada radioaktivnih elemenata, utvrđeno je da nestabilni atomi s kratkim životom zrače alfa-čestice velike energije, velike brzine i velikog dometa. Domet alfa-čestice se kreće od 28 mm (torij-232, vrijeme poluraspada 1,39 x 1010 godina) do 86 mm (polonij-212, vrijeme poluraspada 3 x 10−7 sekundi).
Ni sve alfa-čestice jednog istog radioaktivnog elementa nemaju isti domet. Općenito, od ukupnog broja alfa-čestica, najveći njihov dio ima isti domet, a manji dio ima više snopova različitog dometa. To znači, da se alfa-čestice, koje emitira jedan isti izvor, mogu sastojati iz više grupa različitih brzina, odnosno energija. Uglavnom se pojavljuje spektar alfa-čestica, sastavljen od dvije ili više odvojenih energetskih grupa.
Iako alfa-čestice imaju veliku masu i energiju, ipak su njihovi dometi kratki, jer ih kemijske tvari kroz koje prolaze zaustavljaju. Ovo zaustavljanje nastaje zbog medudjelovanja pozitivno nabijenih alfa-čestice i negativnih elektrona iz tvari kroz koje prolaze. Pri tome, elektroni mogu biti izbačeni iz atoma te tvari, a potrebnu energiju daje alfa-čestica. Smanjenjem energije alfa-čestice smanjuje se i njena brzina, a to omogućava da se elektroni s njima sastavljaju, pa se tako dobivaju atomi helija, koji su električki neutralni. Ipak, pri tome kretanju nastaje vrlo jaka ionizacija.[7]
Ionizirajuće zračenje
uredi Podrobniji članak o temi: Ionizirajuće zračenjeUtvrdeno je da alfa-čestice koje zrače iz raznih radioaktivnih elemenata proizvode od 50 000 do 100 000 ionskih parova, na jedan centimetar zraka, čime nastaje ionizirajuće zračenje. Ako se napravi dijagram koji će na apscisi imati udaljenost alfa-čestica od izvora zračenja, a na ordinati broj ionizacijskih parova koje stvaraju alfa-čestice na raznim udaljenostima od izvora, dobiva se Braggova krivulja. Na njenom završnom dijelu, vidi se znatan uspon, a zatim nagli pad.
Tuneliranje ili tunelski učinak
uredi Podrobniji članak o temi: TuneliranjeVelika je poteškoća nastala da se objasni kako je moguće da alfa-čestice, čija kinetička energija iznosi, pri izbacivanju iz radioaktivnih atomskih jezgri, od 4 do 10 MeV, prođu kroz potencijalnu energetsku barijeru, čije najveće vrijednosti kod elemenata s velikim atomskim brojem iznose oko 25 MeV. Prema klasičnoj teoriji, izlazi da alfa-čestice, koje se nalaze u unutrašnjosti atomske jezgre, ne mogu prodrijeti kroz barijeru i iz njega se osloboditi s energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere.
Isto tako, teško je bilo objasniti zašto radioaktivni elementi imaju tako dugo vrijeme poluraspada, koji na primjer za radij-226 iznosi 1 600 godina. To znači da se u tako dugom vremenskom periodu, nukleoni (protoni i neutroni) moraju držati zajedno u atomskom jezgru, iako ponekad spontano, bez vanjskih utjecaja, dva protona i dva neutron u obliku alfa-čestice budu izbačeni iz nje.
Taj problem su teoretski riješili 1928. G. Gamow, a neovisno o njemu Ronald Gurney i E. U. Condon, razvivši teoriju tuneliranja. Prema kvantnoj fizici postoji vjerojatnost da se alfa-čestica s određenom energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere, oslobodi atomskog jezgra, kad dođe do njegove površine. Ova vjerojatnost je veća ako je veća energija alfa-čestice i ako je širina barijere manja od vrijednosti njene energije. Alfa-čestica će na neki način dobiti dovoljnu količinu energije od drugih nuklearnih čestica, za svladavanje potencijalne barijere.
Za alfa-čestice sposobne da dospiju do vanjske površine i da ponovno budu ubačene u atomsko jezgro, postoji učestalost. Vrijednost ove učestalosti može se odrediti dijeljenjem veličine polumjera atomske jezgre s procijenjenom brzinom, kojom se alfa-čestice kreću u atomskoj jezgri. Budući da polumjer atomske jezgre iznosi oko 10−15 m, a brzina alfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106 m/s, izlazi da alfa-čestica dolazi do vanjske površine približno 106/10−15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobjegne iz jezgre nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bit tunel efekta.
Akceleratori čestica
uredi Podrobniji članak o temi: Akcelerator česticaAkcelerator čestica je uređaj za ubrzavanje električki nabijene čestice do visokih brzina. Ubrzavanje čestica postiže se primjenom vrlo jakog električnog polja i/ili magnetskog polja. Primjerice, u električnom polju, energija koju će nabijena čestica dobiti jednaka je umnošku njenog električnog naboja i razlike potencijala početne i krajnje točke puta. Svi akceleratori rade s visokim vakuumom da omoguće nesmetano kretanje čestice. U akceleratoru čestica mogu nastati i alfa-čestice.
Sunčeva jezgra
uredi Podrobniji članak o temi: Sunčeva jezgraSunčeva jezgra se smatra unutrašnji dio Sunca od centra do 20 – 25 % Sunčevog polumjera. To je najtopliji dio Sunčevog sustava. Njegova gustoća se kreće do 150 000 kg/m3 (150 puta više od gustoće vode) i temperatura je oko 15 000 000 K (za razliku od površine gdje je oko 6 000 K). Sunčeva jezgra se sastoji od toplog i vrućeg plina, koji je u stanju plazme. Unutar Sunčeve jezgre se stvara 99 % energije nuklearne fuzije Sunca. U Sunčevoj jezgri mogu nastati i alfa-čestice.
Kozmičke zrake
uredi Podrobniji članak o temi: Kozmičke zrakeOko 89 % dolazećih kozmičkih zraka su jednostavni protoni (jezgre vodika), 10 % su jezgre helija (alfa-čestice) i 1 % su teži elementi. Te jezgre vodika i helija čine 99 % kozmičkih zraka. Pojedinačni elektroni (poput beta-čestica) čine ostalih 1 % galaktičkih kozmičkih zraka – to su kozmičke zrake koje dolaze izvan Sunčevog sustava. Zasad je nepoznato odakle ti elektroni dolaze i zašto imaju ubrzanje manje od atomskih jezgri.
Povijest
uredi
Donja slika: Dobiveni rezultati: samo mali dio alfa-čestice skreće, pokazujući da postoji pozitivan naboj u atomskoj jezgri (treba napomenuti da mjere nisu stvarne, atomska jezgra je još puno manja). To je Rutherfordov model atoma.
Početkom 20. stoljeća bilo je poznato 5 radioaktivnih elemenata: uranij, torij, polonij, aktinij i radij. Među njima najviše se upotrebljavao radij i to za liječenje raka. Iz radija i njegovih kemijskih spojeva stalno se razvijao jedan plin, koji je isto bio radioaktivan, a nazvan je radijeva emanacija ili radon. Osim radona nastajao je i helij. Iz toga se zaključilo da se radij, ali i svi ostali radioaktivni elementi, pretvaraju u druge elemente s manjom težinom i pri tom postupku zrače. Uočeno je također da je ta prirodna radioaktivnost svojstvena atomima s najvećim atomskim masama i da je to proces koji se dešava u unutrašnjosti atoma, znači ne ovisi o vanjskim utjecajima, kao što su tlak, temperatura ili neka kemijska reakcija.
Već 1900. bilo je poznato da jedan dio radioaktivnog zračenja može da skreće u magnetskom polju. E. Rutherford je na osnovu ispitivanja prolaza radioaktivnih zraka kroz tanke listiće aluminija utvrdio da kod zračenja uranijevih spojeva postoje dvije vrste zraka. Onu vrstu zraka koje ne mogu da prođu kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 mm nazvao je alfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao je beta-česticama. Iste godine francuski znanstvenik P. Villard je otkrio i treću vrstu radioaktivnog zračenja, za koju se utvrdilo da ima veliku prodornu moć i da ne skreće u magnetskom polju, a nazvane su gama-česticama. Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfa-čestice imaju pozitivni električni naboj, a beta-čestice negativan električni naboj.
1908. su E. Rutherford i H. Geiger mjerenjem utvrdili da alfa-čestice imaju dvostruki električni naboj, a da im je masa jednaka četverostrukoj masi atoma vodika. Kada alfa-čestica privuče dva elektrona, ona prelazi u atom helija. Iz toga je Rutherford zaključio da su alfa-čestice ustvari ioni helija ili samo atomska jezgra helija. Za beta-čestice se utvrdilo da se u magnetskom i električnom polju ponašaju isto kao i katodne zrake ili elektroni. To znači da su beta-čestice ustvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgre.
Pokus s alfa-česticama i zlatnim listićem
uredi Podrobniji članak o temi: Pokus s alfa-česticama i zlatnim listićemPokus s alfa-česticama i zlatnim listićem je bio jedan od najznačajnih pokusa u nuklearnoj fizici, jer je to bio prvi dokaz da u atomu postoji atomska jezgra. Rutherford okuplja plodan tim istraživača, među kojima su H. Geiger, Ernest Marsden, G. Hevesy, H. Moseley, a nekoliko je godina dio tima bio i N. Bohr.
Ključni se pokus za to otkriće dogodio 1909. kada su znanstvenici vrlo tanku zlatnu foliju izložili djelovanju alfa-čestica. Thompsonov model atoma je predviđao će alfa-čestice proći kroz tanki metalni film i raspršiti se pod određenim malim kutovima. No, na veliko je iznenađenje istraživačkoga tima ustanovljeno raspršenje i pod velikim kutovima, a neke su se helijeve jezgre od metalne folije odbile potpuno unatrag. Rutherford je to usporedio s vjerojatnošću da list papira odbije topovsku kuglu. Rezultat je pokusa vodio prema novom modelu atoma, koji je Rutherford predložio 1911.: atom se sastoji od središnjega naboja okruženoga sferičnom raspodjelom naboja suprotnoga predznaka. U početku se pretpostavljalo da su i elektroni građevne čestice atomske jezgre, pa je u modelu za atom dušika rednoga broja 7 bilo pretpostavljeno da u jezgri ima 21 česticu, i to 14 protona i 7 elektrona, a u elektronskom omotaču još 7 elektrona.
Nuklearna reakcija
uredi Podrobniji članak o temi: Nuklearna reakcijaOtkriće je spina i spektroskopija dušikovih jezgri, do čega je 1930. došao talijanski fizičar Franco Rasetti, pokazalo da se dušikove jezgre vladaju kao čestice cjelobrojnoga spina, to jest kao bozoni. To je bilo u potpunom neskladu s predloženim modelom dušikove jezgre s 21 nukleonom, pa je to neslaganje nazvano "dušikovom katastrofom". No, "katastrofa" je razriješena otkrićem neutrona, koje je 1932. objavio J. Chadwick i njegova spina 1/2. Ruski je fizičar D. D. Ivanenko predložio tada današnji model atoma prema kojem su atomski nukleoni protoni i neutroni, a ne elektroni. Naziv proton za pozitivno nabijeni nukleon prvi je upotrijebio Rutherford, a on je 1919. godine izveo i prvu pretvorbu (transmutaciju) jednoga elementa u drugi; toj je prvoj nuklearnoj reakciji u povijesti bombardirao dušik alfa-česticama i tako dobio kisik.
Rutherfordovo raspršenje
uredi Podrobniji članak o temi: Rutherfordovo raspršenjeRutherfordovo raspršenje je pojava iz nuklearne fizike, kojom se objašnjava skretanja alfa-čestica koje udaraju u tanke listiće metala, a s njim se dokazuje postojanje pozitivno nabijene atomske jezgre, koja ima gotovo svu masu atoma. Rutherfordovo raspršenje je objašnjenje strukture atomske jezgre, koje je nastalo nakon pokusa s alfa-česticama i zlatnim listićem. Rezultati tog pokusa su pokazali da su skretanja alfa-čestica pod velikim kutovima bila jako rijetka, na primjer pri prolazu kroz listić platine na svakih 8 000 jedna alfa-čestica bi skrenula pod kutom većim od 90º.
Prva nuklearna pretvorba
urediGodine 1919. E. Rutherford je, bombardirajući dušik alfa-česticama izveo prvu nuklearnu pretvorbu (transmutaciju) jednog elementa u drugi. Rutherford je prilikom istraživanja raspršenja alfa-čestica kroz zrak, otkrio da prilikom bombardiranja atoma dušika s alfa-česticama nastaju nove jezgre atoma kisika i vodika.
- 14N + α → 17O + proton
Antialfa-čestica
urediAntialfa-čestica je dosad najteža otkrivena stabilna antijezgra, a izgleda da još desetljećima nećemo moći otkriti nešto slično. Članovi međunarodne istraživačke skupine STAR su na Relativističkom sudaraču teških iona (eng. Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC) otkrili antimaterijsku kopiju alfa-čestice 2011. Ova nova čestica je najteža antijezgra ikad otkrivena. Relativistički sudarač teških iona je zapravo akcelerator čestica namijenjen proučavanju uvjeta u najranijem dobu Svemira, a smješten je u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven. Jezgra antialfa-čestice se sastoji od dva antiprotona i dva antineutrona, stabilna je i ne ulazi u radioaktivni raspad, nabijena je nabojem dva elektrona dok joj je masa gotovo četiri puta veća od mase protona. Rezultati istraživanja pokazuju kako se novootkrivene antialfa-čestice mogu lijepo razlučiti od lakših izotopa, ali i da imaju očekivanu masu.
Stvaranje uvjeta potrebnih za proučavanje prirode antimaterije nije nimalo lak zadatak. Jedna od najvećih tajni fizike jest pitanje zašto se čini da je naš Svemir gotovo u potpunosti izgrađen od obične materije kada je znanstveno prihvaćena pretpostavka da su u vrijeme velikog praska materija i antimaterija stvorene u isto vrijeme i u istim količinama.
Za stvaranje uvjeta sličnih uvjetima neposredno posije velikog praska, u RHIC-u se sudaraju ioni zlata pri brzinama bliskim brzini svjetlosti, pri čemu se oslobađaju gotovo jednake količine kvarkova i antikvarkova. Velik dio stabilne materije nastale tijekom takvih sudara ostavlja jasan signal na STAR detektoru prije nego što, zajedno s običnom materijom, bude uništena u vanjskom dijelu uređaja.[8]
Raspršenje alfa-zraka i atomske jezgre
uredi Podrobniji članak o temi: Atomska jezgra
Prvi je E. Rutherford spoznao veliko značenje alfa-zraka za proučavanje strukture materije. Kako alfa-čestice imaju znatno veću masu od elektrona, to ih sile teško otklanjaju s pravocrtnog puta. Kroz tanke metalne listiće prolaze alfa-čestice bez znatne promjene. Tek neke alfa-čestice nalazimo raspršene pod izvjesnim kutom prema smjeru prvobitnih zraka. Te alfa čestice su atomi otklonili s pravocrtnog puta, i one se nakon prolaza kroz metalni listić kreću u jednom drugom smjeru prema ostalim alfa-česticama. Nailazimo alfa-čestice koje su pod većim kutom od 90° otklonjene od prvobitnog smjera. Štoviše, drugim promatranjem katkad nailazimo i na alfa-česticu koja se u metalnom listiću potpuno odbila (reflektirala) prema natrag. Broj takvih alfa-čestica je vrlo malen. Za najveći dio alfa-čestica materija je potpuno šupljikava (porozna), dok za drugi neznatni dio očituje izvanredno velike sile. Treba pomisliti da alfa-čestice imaju vrlo velike brzine i da su potrebne velike sile da im promijeni smjer gibanja. Kako se može objasniti taj paradoks da materija izvršuje na neke alfa-čestice velike, a na druge gotovo nikakve sile? Odgovor na to pitanje bila je 1911. Rutherfordova hipoteza o strukturi atoma.
Rutherford zamišlja da su atomi građeni od središnje mase i lakih elektrona koji kruže oko središnje mase. U središnjoj masi sadržana je, izuzev malih masa okolnih elektrona, sva masa atoma. To je jezgra atoma. Promjeri jezgre i elektrona sićušni su prema promjeru atoma. Na udaljenostima koje odgovaraju otprilike promjeru atoma kreću se elektroni oko jezgre. Tim udaljenostima elektrona od atomske jezgre dan je uglavnom onaj promjer atoma koji se mjeri u kinetičkoj teoriji materije. Elektroni su čestice negativnog elektriciteta. Budući da je atom kao cjelina električki neutralan, jezgra nosi pozitivan naboj. Električki pozitivan naboj jezgre jednak je sveukupnom naboju elektrona oko jezgre. Elektroni i jezgra drže se u atomu električnim silama. Između pojedinog elektrona i atomske jezgre vlada jaka privlačna sila, i elektron bi "pao" u jezgru kad ga ne bi centrifugalna sila tjerala od jezgre. Kao i planeti, tako isto i elektroni moraju kružiti s velikim brzinama oko jezgre. Privlačna sila između elektrona i jezgre po svom matematičkom obliku jednaka je gravitacijskoj sili između planeta i Sunca. Prema tome elektroni oko jezgre opisuju slična gibanja kao planeti oko Sunca. Svi zakoni za planetni sustav vrijede automatski i za Rutherfordov model atoma. Atom u tom modelu nalikuje potpuno na planetni sustav.
Rutherfordov atomski sistem vodio je do ispravne slike o raspršenju alfa-zraka pri prolazu kroz tanke slojeve materije. Pri prolazu alfa-čestica kroz materiju nemaju elektroni atoma nikakve važnosti. Elektroni su oko 7 000 puta lakši od alfa-čestica i oni ne mogu kočiti mnogo teže čestice. Pri prolazu alfa-čestica kroz materiju samo su atomske jezgre od bitne važnosti. One su teže od alfa-čestica, a nabijene su pozitivnim elektricitetom kao i alfa-čestica. Pri prolazu alfa-čestica kroz olovne ili srebrne listiće, atomske su jezgre oko 50 puta teže od alfa-čestica, te predstavljaju za alfa-čestice zapreke koje one ne mogu maknuti s puta. Alfa-čestice jure s velikim brzinama kroz slojeve materije. Te brzine iznose oko 1/20 brzine svjetlosti. Na takve brze čestice djeluju atomske jezgre svojim odbojnim silama. Budući da alfa-čestice imaju velike brzine, ti su otkloni vrlo maleni, sve dok se staza alfa-čestice ne približi samoj atomskoj jezgri. Ako je udaljenost staze alfa-čestice veća od promjera atoma (10 nm) može se djelovanje jezgre na alfa-česticu potpuno zanemariti. Na takvoj udaljenosti može atomska jezgra držati čvrsto laki elektron, ali ona ne može zaustaviti tešku alfa-česticu. Prema tome, nije nikakvo čudo da se materija pričinja šuplja pri prolazu brzih alfa-čestica.
Tek na malim udaljenostima između jezgre i alfa-čestica postaje odbojna sila vrlo velika. Što alfa-čestica dođe bliže jezgri, to je izložena većem otklonu od prvobitnog smjera. Zbog svoje mnogo veće mase, može jezgra preuzeti samo neznatni dio kinetičke energije alfa-čestica. To se izravno razabire iz zakona o očuvanju impulsa. Kinetička energija neke čestice iznosi p2/2∙m. U najboljem slučaju alfa-čestica mogla bi prenijeti na atomsku jezgru impuls sile približno jednak dvostrukom svojem impulsu. Budući da je masa jezgre mnogo veća od mase alfa-čestice, a mase se nalaze u nazivniku u izrazu za kinetičke energije, to jezgra može poprimiti od alfa-čestice samo mali dio kinetičke energije. Iz toga proizlazi da u bitnom kinetička energija alfa-čestice pri srazu s jezgrom ostaje nepromijenjena. Alfa-čestica se na odbojnom potencijalu jezgre odbija (reflektira) na stranu ili natrag; ona mijenja samo svoj smjer. To se zaista i opaža pri raspršenju alfa-čestica u prolazu kroz tanke slojeve materijala. Na osnovu električne Coulombove sile između jezgre i alfa-čestice, Rutherford je točno proračunao kakav izgled moraju davati raspršene zrake.[9]
Primjena
uredi
Detektor dima
urediNajčešći detektori dima sadrže male količine radioaktivnog izotopa americija-241, koji se proizvede nuklearnim reakcijama. Alfa-čestica, koja se emitira u raspadu americija-241, ionizira zrak i stvori malu struju naboja koja se mjeri osjetljivim uređajem. Kada dim uđe u detektor, ioni se uhvate česticama dima što umanji struju naboja u detektoru. Ako se to dogodi, alarm se uključi. Kako je prevaljena udaljenost alfa-čestica izuzetno mala u zraku, ne postoji rizik zračenja od ovakvih detektora. Nakon svoje uporabe, ovi se detektori moraju prikladno odlagati, kao radioaktivni otpad.
Nuklearne baterije
urediNuklearne baterije su baterije u kojim se zbiva cijepanje jezgre elementa uranija-235 ili plutonija-239. U nuklearnoj je bateriji nuklearna lančana reakcija cijepanja kontrolirana, tj. može se usporiti ili ubrzati. Uređaji za pretvorbu prirodnog radioaktivnog raspadanja direktno u električnu energiju nisu ništa novo. Tehnologija stvaranja nuklearne baterije započela je još 1913., kada je Henry Moseley prvi puta demonstrirao tzv. Beta ćeliju. Bilo je to u vrijeme kada je sve više rasla potražnja za dugoročnim spremištima energije, posebice u svrhe svemirskih istraživanja 1950-tih i 1960-tih godina. Tijekom godina, razvili su se brojni tipovi i različiti principi rada nuklearnih baterija. Iako su većinom ti principi već odavno poznati, tek u novije vrijeme su se razvile tehnološke mogućnosti za izradu same baterije. Nuklearne baterije koje stvaraju alfa-čestice je puno lakše zaštititi; dovoljno je samo 2,5 mm olovnog lima.
Eliminatori statičkog elektriciteta
urediNeki eliminatori statičkog elektriciteta koriste polonij-210, koji zrači alfa-čestice i ionizira zrak, a time i poništava statički elektricitet.
Nuklearna medicina: terapija
urediRadiaktivni izotop kobalt-60 emitira gama-zrake koje se koriste za razbijanje stanica raka, a slično tome i cezij-137. U posljednjih desetak godina terapija uništenja stanica raka vrši se pod izravnim snopom masivnih iona iz akceleratora. Za razliku od gama-zraka, koje dijele svoju energiju podjednako na zdravo i nezdravo tkivo, masivne čestice poput protona i alfa-čestica ostavljaju svoju energiju neposredno tamo gdje se zaustave. Ako se energija prikladno odabere, najveći dio energije može se ostaviti u nezdravom tkivu, a ne u zdravom tkivu.
Utjecaj alfa zračenja na žive organizme
urediSvijet u kojem živimo radioaktivan je od svog postanka. Postoji oko 60 radionuklida (radioaktivnih elemenata), koje možemo pronaći u tlu, zraku, vodi, hrani, a time i u svim živim bićima. Po tome kako su nastali dijele se na one koji su oduvijek prisutni na Zemlji, one koji nastaju kao posljedica djelovanja kozmičkih zraka, te one koji su posljedica ljudske tehnologije.
U prvoj su skupini radioaktivni elementi poput uranija-235, uranija-238, torija-232, radija-226, radona-222 ili kalija-40. Oni potječu još iz vremena stvaranja Zemlje, a karakterizira ih vrlo dugo vrijeme poluraspada, čak i do milijardu godina (iznimka je plin radon, čiji je poluživot 3,8 dana). Kozmičko zračenje nas neprestano pogađa. Izvor mu je uglavnom izvan našeg Sunčevog sustava, a sastoji se od raznih oblika zračenja: od vrlo brzih teških čestica, pa do visokoenergijskih fotona i miona. Ono međudjeluje s atomima u gornjim slojevima atmosfere i tako proizvodi radionuklide, koji su najčešće kraćih vremena poluživota. To su, na primjer, ugljik-14, tricij, berilij-7 i drugi.
Ljudi su svojim djelovanjem, poglavito razvojem nuklearnih reaktora i testiranjem nuklearnog oružja, stvorili još neke radioaktivne elemente, poput stroncija-90, joda-129, joda-131, cezija-137, plutonija-239 itd.[10]
Mjerne jedinice ionizirajućeg zračenja
uredi Podrobniji članak o temi: Mjerne jedinice ionizirajućeg zračenjaAktivnost radioaktivnog uzorka mjeri se u bekerelima (Bq). Aktivnost od 1 Bq znači jedan raspad atomske jezgre u sekundi. Kako su aktivnosti uzoraka često vrlo velike u upotrebi je i veća jedinica, kiri (Ci). 1 Ci iznosi 3,7 • 1010 Bq.
Da bi se mjerila energija, koju putem zračenja apsorbira određena tvar, koristi se jedinica grej (Gy). Omjer te energije i mase tijela koje ju apsorbira zove se apsorbirana doza. Ako se energija od 1 J apsorbira u 1 kg tvari govorimo o apsorbiranoj dozi od 1 Gy. Ovako definirana doza ne govori ništa o biološkim učincima apsorbiranog zračenja. Svaka vrsta zračenja (α, β, γ) ima drugačiji utjecaj na žive stanice, koji se opisuje faktorom Q. Zato se definira ekvivalentna doza, koju dobijemo tako da apsorbiranu dozu pomnožimo faktorom Q. Jedinica za ekvivalentnu dozu je sivert (Sv).[11]
Izvori
uredi- ↑ alfa-čestica (α-čestica). Hrvatska enciklopedija. Leksikografski zavod Miroslav Krleža. 2019.
- ↑ Počela fizike, Ivan Supek, Miroslav Furić, Školska knjiga, Zagreb 1994
- ↑ [1][neaktivna poveznica] "Kemija I", chem.grf.unizg.hr, 2011.
- ↑ alfa-zračenje (α-zrake). Hrvatska enciklopedija. Leksikografski zavod Miroslav Krleža. 2019.
- ↑ [2] Arhivirana inačica izvorne stranice od 31. srpnja 2017. (Wayback Machine) "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011.
- ↑ [3] Arhivirana inačica izvorne stranice od 5. veljače 2017. (Wayback Machine) "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.
- ↑ [4][neaktivna poveznica] "Uvod u nuklearnu energetiku", Prof. dr. sc. Danilo Feretić, 2011.
- ↑ [5] "Otkrivena najteža čestica antimaterije", Znanost - Hrvatski znanstveni portal, 2011.
- ↑ Ivan Supek: "Nova fizika", Školska knjiga Zagreb, 1966.
- ↑ [6] Arhivirana inačica izvorne stranice od 25. studenoga 2012. (Wayback Machine) "Jedinica radioaktivnosti", www.radiobiologija.vef.unizg.hr, 2011.
- ↑ [7] Arhivirana inačica izvorne stranice od 5. srpnja 2010. (Wayback Machine) "Ionizirajuće zračenje u biosferi", Mile Dželalija, Kemijsko-tehnološki fakultet, Sveučilište u Splitu, 2011.
