Khi một số đồng vị phóng xạ nhất định phân rã thành các nguyên tố ổn định, chúng giải phóng các hạt alpha. Nó bao gồm hai proton và hai neutron; nó có điện tích dương. Một nguyên tố trải qua quá trình “phân rã alpha” trở thành nguyên tố mới có số hiệu nguyên tử giảm đi hai và số khối giảm đi bốn lần so với nguyên tố ban đầu. Phân rã alpha xảy ra khi có quá nhiều proton trong hạt nhân đến mức lực hạt nhân mạnh không thể cân bằng lực đẩy mạnh của điện giữa các proton. Do khối lượng của chúng, các hạt alpha di chuyển tương đối chậm (dưới 10% tốc độ ánh sáng) và có thể bị chặn lại bởi lá nhôm mỏng.
Thí nghiệm tán xạ hạt alpha
Khi Henri Becquerel lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng phóng xạ vào năm 1896, ông không biết rằng bức xạ được tạo thành từ các hạt mang năng lượng. Ernest Rutherford bắt đầu thí nghiệm vào năm 1898 để xác định bản chất của bức xạ này. Một thí nghiệm đã chứng minh rằng bức xạ này bao gồm ba loại khác nhau: hạt dương gọi là “alpha”, hạt âm và một dạng bức xạ điện từ năng lượng cao. Năm 1902, Rutherford và đồng nghiệp Frederick Soddy đề xuất rằng mỗi khi một nguyên tố phóng xạ phân rã, một nguyên tố hóa học khác lại được hình thành, một quá trình gọi là chuyển hóa. Rutherford đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1908 vì đã khám phá ra những nguyên tắc cơ bản này của phóng xạ. Trong thí nghiệm cổ điển “lá vàng” của Rutherford để xác định cấu trúc nguyên tử, các trợ lý của ông là Hans Geiger và e. Marsden đã bắn phá lá vàng bằng các hạt alpha tích điện dương tốc độ cao phát ra từ chất phóng xạ polonium. Kết quả của thí nghiệm này cho thấy các nguyên tử bao gồm phần lớn là chân không, với hầu hết khối lượng của chúng tập trung ở một lõi rất nhỏ, dày đặc, tích điện dương gọi là hạt nhân. Trên thực tế, các hạt alpha đã được xác định là hạt nhân của nguyên tử helium! Soddy và William Ramsay đã phát hiện ra nguyên tố helium trong các khoáng chất của trái đất vào năm 1895, và họ đã chứng minh rằng helium được tạo ra khi radium phân rã trong một ống kín.
Các sản phẩm đầu tiên của phòng thí nghiệm đồng vị phóng xạ – trái ngược với các đồng vị phóng xạ tự nhiên – thu được bằng cách bắn phá các đồng vị ổn định bằng đạn hạt alpha. Năm 1919, Rutherford đã thành công trong việc tạo ra oxy 17 bằng cách bắn phá nitơ thông thường 14 bằng các hạt alpha; phản ứng tạo ra một proton tự do. Năm 1935, Irène và Frédéric Joliet-curie được trao giải Nobel Hóa học vì đã tạo ra các đồng vị phóng xạ bằng cách bắn phá các nguyên tố ổn định bằng các hạt alpha bị phân rã bởi polonium. Sau khi bắn phá nhôm bằng các hạt alpha, họ phát hiện ra rằng khi hạt nhân hấp thụ các hạt alpha, nó biến đổi thành một đồng vị phóng xạ chưa biết trước đây của phốt pho; phản ứng tạo ra một hạt trung tính chưa biết. James Chadwick lặp lại thí nghiệm của họ, sử dụng bia berili, sau đó bẫy các hạt phát ra và sử dụng các nguyên tắc vật lý cổ điển, thu được khối lượng bằng khối lượng của proton. Hạt này được đặt tên là neutron, và Chadwick đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1935 cho khám phá này. Sau đó, các nhà khoa học bắt đầu gia tốc các hạt alpha đến năng lượng rất cao trong các cơ sở được xây dựng có mục đích như cyclotron và linac trước khi bắn chúng vào các nguyên tố mà họ muốn sửa đổi.
Một số đồng vị phóng xạ, cả tự nhiên và nhân tạo, đã được xác định là chất phát alpha. Trình tự phân rã của đồng vị urani phong phú nhất, U-238, thành Pb-206 ổn định, bao gồm tám phản ứng phân rã alpha khác nhau. Uranium có chu kỳ bán rã rất dài (4,5 tỷ năm) và vì sự phong phú của nó trên Trái đất có thể dễ dàng đo lường nên tỷ lệ uranium so với chì được sử dụng để ước tính tuổi của Trái đất. trái đất của chúng ta. Gần đây hơn, Guenther Lugmair thuộc Đại học California, San Diego, đã đề xuất một phương pháp xác định niên đại bằng cách sử dụng samarium-147, chất này trải qua quá trình phân rã alpha thành neodymium-143.
Hầu hết các nguyên tố phóng xạ nặng hơn uranium đều trải qua quá trình phân rã alpha. Vào những năm 1960, khi cần một công cụ để phân tích bề mặt mặt trăng, Anthony Turkevich đã phát triển một thiết bị phân tán alpha như một nguồn alpha curium-242, một nguyên tố nặng amerium-241 được tạo ra bởi quá trình phân rã alpha. Thiết bị này đã được sử dụng trong các sứ mệnh Surveyor 5, 6 và 7 trên bề mặt mặt trăng. Plutonium đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho hơn 20 tàu vũ trụ kể từ năm 1972; nó cũng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy điều hòa nhịp tim.
Đầu báo khói ion hóa phát hiện sự hiện diện của khói bằng buồng ion hóa và nguồn bức xạ ion hóa (Americium 241). Các hạt alpha phát ra từ sự phân rã phóng xạ của americium 241 làm ion hóa các nguyên tử oxy và nitơ trong buồng, giải phóng các electron và ion tự do. Khi có khói trong buồng, dòng điện do các electron và ion tự do tạo ra (khi chúng di chuyển về phía các bản tích điện dương và âm trong máy dò) sẽ bị trung hòa bởi các hạt khói; điều này làm cho dòng điện giảm xuống và kích hoạt tín hiệu cảnh báo.
Do khả năng xuyên thấu kém, các hạt alpha thường không gây ra mối đe dọa nào đối với các sinh vật sống trừ khi bị nuốt phải. Đây là một vấn đề gây ra bởi khí phóng xạ radon, được hình thành thông qua sự phân rã phóng xạ tự nhiên của uranium (được tìm thấy trong đá, đất và nước trên khắp thế giới). Khi khí radon thấm vào đất, nó bị mắc kẹt trong các tòa nhà, nơi nó có thể tích tụ đến mức độc hại. Radon có thể đi vào cơ thể qua phổi, nơi nó trải qua quá trình phân rã alpha để tạo ra polonium, một chất rắn phóng xạ tồn tại trong phổi và tiếp tục phát ra bức xạ gây ung thư.
Theo Bách khoa toàn thư khoa học Gale
Vui lòng trích dẫn “nguồn thuvienvatly.com” khi đăng tải lại bài viết từ các cộng tác viên của chúng tôi.
