Was ist Alpha-Teilchen – Definition

Alpha-Teilchen sind energetische Heliumkerne . Die Produktion von Alpha-Partikeln wird als Alpha-Zerfall bezeichnet. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und doppelt positiv geladen. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie bewegen sich nur wenige Zentimeter, geben aber auf ihren kurzen Wegen alle Energie ab. In Kernreaktoren entstehen sie beispielsweise im Brennstoff (Alpha-Zerfall schwerer Kerne). Alpha-Partikel werden üblicherweise von allen schweren radioaktiven Substanzen emittiert in der Natur vorkommende Kerne (Uran, Thorium oder Radium) sowie die transuranischen Elemente (Neptunium, Plutonium oder Americium). Insbesondere energetische Alpha-Teilchen (außer künstlich beschleunigten Heliumkernen) werden in einem Kernprozess erzeugt, der als ternäre Spaltung bekannt ist . Bei diesem Prozess wird der Urankern in drei geladene Teilchen (Spaltfragmente) anstatt in zwei normale Teilchen aufgeteilt . Das kleinste der Spaltfragmente ist höchstwahrscheinlich (mit einer Wahrscheinlichkeit von 90%) ein extraenergetisches Alphateilchen.

Wechselwirkung von Alpha-Teilchen mit Materie

Da sich die elektromagnetische Wechselwirkung über eine gewisse Entfernung erstreckt, ist es nicht erforderlich, dass Alpha-Teilchen direkt mit einem Atom kollidieren. Sie können Energie einfach durch Vorbeigehen übertragen . Alpha-Teilchen interagieren mit Materie hauptsächlich durch Coulomb-Kräfte zwischen ihrer positiven Ladung und der negativen Ladung der Elektronen aus Atomorbitalen. Im Allgemeinen übertragen die Alpha-Teilchen (wie andere geladene Teilchen auch) Energie hauptsächlich durch:

• Erregung.  Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Eine Ionisierung kann auftreten, wenn die geladenen Teilchen genug Energie haben, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Die Erzeugung von Paaren erfordert Energie, die aus der kinetischen Energie des Alpha-Teilchens verloren geht und dessen Verlangsamung bewirkt . Die positiven Ionen und freien Elektronen, die durch den Durchgang des Alpha-Teilchens entstehen, vereinigen sich wieder und setzen Energie in Form von Wärme frei(zB Schwingungsenergie oder Rotationsenergie von Atomen). Es gibt erhebliche Unterschiede in der Art und Weise des Energieverlustes und der Streuung zwischen dem Durchtritt von leicht geladenen Teilchen wie Positronen und Elektronen und schwer geladenen Teilchen wie Spaltfragmenten, Alpha-Teilchen und Myonen. Die meisten dieser Unterschiede beruhen auf der unterschiedlichen Dynamik des Kollisionsprozesses. Wenn ein schweres Teilchen mit einem viel leichteren Teilchen (Elektronen in den Atomorbitalen) zusammenstößt, sagen die Gesetze der Energie- und Impulserhaltung im Allgemeinen voraus, dass nur ein kleiner Teil der Energie des massiven Teilchens auf das weniger massive Teilchen übertragen werden kann. Die tatsächlich übertragene Energiemenge hängt davon ab, wie eng die geladenen Teilchen das Atom passieren, und hängt auch von Einschränkungen bei der Quantisierung der Energieniveaus ab.

Siehe auch: Wechselwirkung stark geladener Teilchen mit Materie

Bremskraft – die Formel

Eine geeignete Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppleistung . Die lineare Stoppkraft des Materials ist definiert als das Verhältnis des differentiellen Energieverlusts für das Partikel innerhalb des Materials zur entsprechenden differentiellen Weglänge :

wobei T die kinetische Energie des geladenen Teilchens ist, n _Ion die Anzahl der pro Pfadlängeneinheit gebildeten Elektronen-Ionen-Paare ist und I die durchschnittliche Energie bezeichnet, die zur Ionisierung eines Atoms im Medium benötigt wird. Bei geladenen Teilchen nimmt S mit abnehmender Teilchengeschwindigkeit zu . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt . Die nicht-relativistische Formel wurde 1930 von Hans Bethe gefunden. Die relativistische Version (siehe unten) wurde 1932 auch von Hans Bethe gefunden.

In diesem Ausdruck ist m die Restmasse des Elektrons, β ist gleich v / c, was die Geschwindigkeit des Teilchens relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdrückt, γ ist der Lorentz-Faktor des Teilchens, Q ist gleich seiner Ladung, Z ist der Ordnungszahl des Mediums und n ist die Atomdichte im Volumen. Für nichtrelativistische Teilchen (stark geladene Teilchen sind meist nichtrelativistisch) ist dT / dx abhängig von 1 / v ² . Dies kann durch die größere Zeit erklärt werden, die das geladene Teilchen im negativen Feld des Elektrons verbringt, wenn die Geschwindigkeit niedrig ist.

Die Bremskraft der meisten Materialien ist für stark geladene Partikel sehr hoch und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten. Beispielsweise beträgt die Reichweite eines 5-MeV-Alpha-Partikels in einer Aluminiumlegierung nur ungefähr 0,002 cm. Die meisten Alpha-Partikel können durch ein gewöhnliches Blatt Papier oder lebendes Gewebe gestoppt werden. Daher stellt die Abschirmung von Alpha-Partikeln kein schwieriges Problem dar. Andererseits können alpha-radioaktive Nuklide beim Verschlucken oder Einatmen zu ernsthaften Gesundheitsrisiken führen (interne Kontamination).

Bragg-Kurve

Die Bragg-Kurve ist typisch für Alpha-Partikel und andere stark geladene Partikel und beschreibt den Energieverlust ionisierender Strahlung während der Bewegung durch Materie. Für diese Kurve ist typisch der Bragg-Peak , der das Ergebnis einer  1 / v ^2-  Abhängigkeit  der Bremskraft ist. Dieser Peak tritt auf, weil der Querschnitt der Wechselwirkung unmittelbar vor dem Stillstand des Partikels zunimmt. Für den größten Teil der Strecke bleibt die Ladung unverändert und der spezifische Energieverlust steigt gemäß 1 / v ² . Gegen Ende der Spur kann die Ladung durch Elektronenaufnahme reduziert werden und die Kurve kann abfallen.

Die Bragg-Kurve unterscheidet sich auch etwas aufgrund des Effekts des Streunens . Für ein bestimmtes Material ist der Bereich für alle Partikel derselben Art mit derselben Anfangsenergie nahezu gleich . Da die Details der mikroskopischen Wechselwirkungen, denen ein bestimmtes Partikel ausgesetzt ist, zufällig variieren, kann eine kleine Variation im Bereich beobachtet werden. Diese Variation wird als Straggling bezeichnet und wird durch die statistische Natur des Energieverlustprozesses verursacht, der aus einer großen Anzahl von Einzelkollisionen besteht.

Dieses Phänomen, das durch die Bragg-Kurve beschrieben wird, wird in der Partikeltherapie von Krebs ausgenutzt, da dies es ermöglicht, die Stopp-Energie auf den Tumor zu konzentrieren und gleichzeitig die Wirkung auf das umgebende gesunde Gewebe zu minimieren.