Физика прохождения альфа-частиц через вещество
Альфа-частицы представляют собой ядра гелия-4 (²⁴He), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Их масса составляет приблизительно 4 а.е.м., а заряд — +2e. Благодаря высокой массе и положительному заряду альфа-частицы обладают значительным ионизирующим действием и одновременно — сравнительно малой проникающей способностью. Эти особенности обусловливают характер их взаимодействия с веществом, отличающийся от других видов ионизирующего излучения (бета-, гамма-излучения, нейтронов).
Альфа-частицы, проходя через вещество, теряют энергию главным образом за счёт ионизации и возбуждения атомов среды. Электрическое поле положительно заряженной альфа-частицы отрывает электроны от атомов или переводит их на более высокие энергетические уровни. Эти процессы сопровождаются постепенным снижением кинетической энергии альфа-частицы, пока она полностью не остановится.
Основной вклад в торможение вносит кулоновское взаимодействие с электронами вещества, и величина потерь энергии определяется формулой Бете-Блоха:
$$ -\left(\frac{dE}{dx}\right) = \frac{4\pi z^2 e^4}{m_e v^2} \cdot \frac{Z}{A} \cdot \rho \cdot \ln{\left(\frac{2m_e v^2}{I}\right)} $$
где:
Каждая альфа-частица, проходя через среду, способна ионизировать тысячи атомов. При этом создаётся плотный ионизационный след, что делает альфа-излучение особенно эффективным в детекторах, основанных на регистрации ионизаций. Энергия, теряемая на возбуждение, как правило, незначительна по сравнению с потерями на ионизацию, однако она определяет спектральные особенности вторичного излучения вещества.
Из-за большого сечения взаимодействия с веществом альфа-частицы обладают крайне малой дальностью пробега. В воздухе при нормальных условиях дальность составляет порядка 2–10 см, в твёрдых телах — доли миллиметра (в алюминии — около 0,005 см при энергии 5 МэВ).
Пробег альфа-частицы определяется её начальными условиями (энергия, масса, заряд), а также свойствами среды. Величина полного пробега R можно оценить эмпирически для воздуха:
Rвоздух (см) ≈ 0, 56 ⋅ E3/2
где E — энергия в МэВ.
Пробег альфа-частиц часто рассматривают в единицах удельного торможения (dE/dx), то есть потери энергии на единицу пути, и он резко возрастает по мере снижения скорости частицы. Это явление известно как пик Брэгга: максимум ионизации приходится на последние миллиметры пути частицы, после чего она быстро останавливается.
При прохождении через вещество альфа-частица может отклоняться от первоначального направления за счёт кулоновского взаимодействия с ядрами атомов среды. Однако благодаря своей большой массе она сохраняет устойчивую траекторию на протяжении значительной части пробега.
Явление рассеяния было ключевым в историческом опыте Резерфорда, когда наблюдение углов отклонения альфа-частиц от тонкой золотой фольги позволило впервые установить наличие компактного положительно заряженного ядра в атоме.
Величина углов рассеяния определяется кулоновским взаимодействием, и вероятность рассеяния на определённый угол описывается формулой Резерфорда:
$$ \frac{d\sigma}{d\Omega} = \left( \frac{z Z e^2}{8\pi \varepsilon_0 E} \right)^2 \cdot \frac{1}{\sin^4(\theta/2)} $$
где:
При этом малые углы отклонения наиболее вероятны, в то время как большие отклонения (например, на 180°) встречаются крайне редко, но являются ключевыми для изучения структуры атомного ядра.
После полной потери кинетической энергии альфа-частица встраивается в атомную структуру среды, обычно захватывая два электрона и превращаясь в нейтральный атом гелия. Таким образом, вещество, подвергающееся облучению альфа-частицами, в конечном итоге может обогащаться гелием.
Этот процесс особенно важен в металлургии и ядерных реакторах, где накопление гелия приводит к радиационному повреждению материалов: образованию пузырей гелия, хрупкости и разрушению.
Альфа-частицы, испускаемые радиоактивными источниками, обладают строго определённой энергией, характерной для конкретного нуклида. Это позволяет использовать их в спектроскопии. При прохождении через вещество спектр становится непрерывным за счёт потерь энергии — формируется так называемый дистрактивный спектр.
Толщина слоя, в котором наблюдается полное поглощение всех альфа-частиц, называется толщиной полного поглощения. В зависимости от материала и энергии источника она может составлять от нескольких микрометров (в металлах) до миллиметров (в газах).
Прохождение альфа-частиц изучается с помощью ионизационных камер, сцинтилляционных детекторов, трековых детекторов (пузырьковых, эмульсионных) и полупроводниковых сенсоров. Особенности их взаимодействия позволяют получать высокую пространственную и энергетическую разрешающую способность.
Особое место занимает методика регистрации следов альфа-частиц в чувствительных материалах: в слюде, ядерных фотоэмульсиях, пластмассовых трековых детекторах. Эти методы незаменимы при определении активности альфа-излучающих источников.
Из-за высокой ионизирующей способности альфа-частицы представляют особую опасность при попадании внутрь организма — в дыхательные пути или пищеварительный тракт. Внешне они практически безопасны, так как не проникают через роговой слой кожи. Однако даже незначительные количества альфа-активных веществ внутри тела могут вызывать серьёзные повреждения клеточных структур, в том числе ДНК, что требует строгого контроля при работе с альфа-источниками.