알파입자

Alpha particle
알파입자
알파붕괴
구성.양성자 2개, 중성자 2개
통계학보소닉
기호.α,α2+,He2+
덩어리6.6446573357(20)×10−27 kg[1]
4.001506179127(63) Da[2]
3.7273794066(11) GeV/c2[3]
전하+2e
스핀0 ㅇ[4]

알파선 또는 알파선이라고도 불리는 알파입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성되어 헬륨-4 핵과 같은 입자로 결합되어 있습니다.[5] 일반적으로 알파 붕괴 과정에서 생성되지만 다른 방법으로도 생성될 수 있습니다. 알파 입자는 그리스 알파벳의 첫 글자인 α에서 따온 이름입니다. 알파 입자의 기호는 α 또는 α입니다2+. 헬륨 핵과 동일하기 때문에, 그들은 때때로 +2 전하를 가진 헬륨 이온을 나타내는 He2+
 또는 He로2+
쓰이기도 합니다. 이온이 주변으로부터 전자를 얻으면 알파 입자는 정상적인(전기적으로 중성인) 헬륨 원자 He가 됩니다.

알파 입자는 순 스핀이 0입니다. 표준 알파 방사성 붕괴에서 생성되는 메커니즘 때문에 알파 입자는 일반적으로 약 5 MeV의 운동 에너지와 광속의 4% 근처의 속도를 갖습니다. (알파 붕괴에서 이러한 수치의 한계는 아래의 논의를 참조하십시오.) 그것들은 고도로 이온화된 형태의 입자 방사선이며, 방사성 알파 붕괴의 결과일 때, 대개 낮은 침투 깊이(공기 몇 센티미터나 피부에 의해 정지됨)를 갖습니다.

하지만 삼원핵분열에서 나오는 이른바 장거리 알파입자는 3배나 에너지가 넘치고 3배나 멀리 침투합니다. 우주선의 10~12%를 형성하는 헬륨 핵은 일반적으로 핵붕괴 과정에 의해 생성되는 것보다 훨씬 높은 에너지를 가지고 있기 때문에 침투성이 높고 에너지에 따라 인체와 수 미터의 밀도 높은 고체 차폐를 통과할 수 있습니다. 이는 입자 가속기에 의해 생성되는 매우 높은 에너지의 헬륨 핵에 대해서도 마찬가지입니다.

이름.

"알파 입자"라는 용어는 어니스트 러더퍼드가 우라늄 방사선의 특성에 대한 연구를 보고하면서 만들어졌습니다.[6] 방사선은 "α 방사선"이라고 부르는 첫 번째와 " 방사선"이라고 부르는 더 투과적인 두 가지 문자를 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 5년간의 추가 실험 작업 끝에 러더퍼드와 한스 가이거는 알파 입자가 양전하를 잃은 후 헬륨 원자임을 밝혀냈습니다.[7][8][9]: 61 알파 복사는 물질을 통과하여 전자를 얻을 수 있는 이중2+
 이온화 헬륨 핵(He)에 해당하는 입자로 구성됩니다. 이 메커니즘은 지상 헬륨 가스의 기원입니다.[10]

원천

알파붕괴

한 물리학자가 구름 챔버에서 폴로늄 소스의 붕괴로부터 알파 입자를 관찰합니다.
이소프로판올 구름 챔버(인공 소스 라돈-220 주입 후)에서 검출된 알파 방사선.
주 기사: 알파붕괴

알파 입자의 가장 잘 알려진 원천은 더 무거운(> 106 u 원자량) 원자의 알파 붕괴입니다. 알파 붕괴에서 원자가 알파 입자를 방출하면 알파 입자에 있는 4개의 핵자가 손실되어 원자의 질량 수가 4개 감소합니다. 원자의 원자 번호는 두 개의 양성자를 잃은 결과로 두 개씩 내려갑니다. 원자는 새로운 원소가 됩니다. 알파붕괴에 의한 이러한 종류의 핵변환의 예로는 우라늄에서 토륨으로, 라듐에서 라돈으로 붕괴가 있습니다.

알파 입자는 일반적으로 우라늄, 토륨, 악티늄, 라듐과 같은 더 큰 방사성 핵과 초우라늄 원소에 의해 방출됩니다. 다른 종류의 붕괴와 달리 알파 붕괴 과정은 이를 지탱할 수 있는 최소 크기의 원자핵을 가지고 있어야 합니다. 지금까지 알파 방출이 가능한 것으로 밝혀진 가장 작은 핵은 베릴륨-8과 안티몬-104이며, 일부 가벼운 원소의 베타 지연 알파 방출은 계산하지 않습니다. 알파 붕괴는 때때로 모핵을 들뜬 상태로 남깁니다. 그리고 나서 감마선의 방출은 과잉 에너지를 제거합니다.

알파 붕괴의 생성 메커니즘

베타붕괴와는 달리 알파붕괴의 기본적인 상호작용은 전자기력과 핵력의 균형입니다. 알파 붕괴는 알파 입자와 핵의 나머지 부분 사이의 쿨롱 반발력으로[4] 인해 발생합니다. 둘 다 양의 전하를 가지고 있지만 핵력에 의해 억제됩니다. 고전 물리학에서 알파 입자는 핵 내부의 강한 힘으로부터 퍼텐셜 우물을 벗어날 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있지 않습니다. (이 우물은 우물의 한쪽을 올라가기 위해 강한 힘을 탈출하는 것을 포함하고, 그 다음에 전자기력이 다른 쪽을 밀어내는 것을 유발합니다.)

하지만 양자 터널링 효과는 알파가 핵력을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있지 않음에도 탈출할 수 있게 해줍니다. 이것은 물질의 파동 특성에 의해 허용되는데, 알파 입자는 반발 전자기력의 퍼텐셜이 핵력의 인력을 완전히 보상한 핵에서 멀리 떨어진 영역에서 시간을 보낼 수 있습니다. 이 지점에서 알파 입자는 탈출할 수 있습니다.

삼원핵분열

특히 핵 과정에서 파생된 에너지 알파 입자는 비교적 드문(수백 분의 1) 핵분열 과정에서 생성됩니다. 이 과정에서 일반적인 2개가 아닌 3개의 하전 입자가 생성되며, 하전 입자 중 가장 작은 것은 알파 입자일 가능성이 높습니다(90% 확률). 이러한 알파 입자는 16 MeV의 일반적인 에너지에서 알파 붕괴에 의해 생성된 것보다 훨씬 높은 에너지이기 때문에 "장거리 알파"라고 불립니다. 3원 핵분열은 중성자 유도 핵분열(원자로에서 일어나는 핵반응)과 핵분열성 및 핵분열성 방선성 핵종(즉, 핵분열이 가능한 무거운 원자) 모두에서 방사성 붕괴의 형태로 자발적인 핵분열을 겪을 때 발생합니다. 유도 핵분열과 자발 핵분열 모두에서, 무거운 핵에서 이용할 수 있는 높은 에너지는 알파 붕괴의 에너지보다 높은 에너지의 장거리 알파를 낳습니다.

액셀러레이터

에너지가 있는 헬륨 핵(헬륨 이온)은 사이클로트론, 싱크로트론 및 기타 입자 가속기에 의해 생성될 수 있습니다. 일반적으로 "알파 입자"라고 부르지 않는 것이 관례입니다.[citation needed]

태양핵반응

헬륨 핵은 별의 핵 반응에 참여할 수 있으며, 때때로 역사적으로 이러한 것들은 알파 반응(3중 알파 과정 및 알파 과정 참조)이라고 불립니다.

우주선

또한 알파 입자라고 불리는 극도로 높은 에너지의 헬륨 핵은 우주선의 약 10~12%를 구성합니다. 우주선 생산 메커니즘에 대한 논의가 계속되고 있습니다.

에너지와 흡수

A scatter chart showing 15 examples of some radioactive nuclides with their main emitted alpha particle energies plotted against their atomic number. The range of energies is from about 2 to 12 MeV. Atomic number range is about 50 to 110.
원자 번호에 대해 표시된 주요 방출 알파 입자 에너지를 가진 방사성 핵종의 예시 선택.[11] 각각의 핵종은 뚜렷한 알파 스펙트럼을 가지고 있습니다.

알파 붕괴에서 방출되는 알파 입자의 에너지는 방출 과정의 반감기에 약간 의존하며, 반감기의 많은 크기 차이는 50% 미만의 에너지 변화와 관련이 있습니다.

방출되는 알파 입자의 에너지는 다양하며 더 높은 에너지의 알파 입자는 더 큰 핵에서 방출되지만 대부분의 알파 입자는 3에서 7 MeV 사이의 에너지를 가지며 각각 알파 방출 핵종의 매우 긴 반감기와 매우 짧은 반감기에 해당합니다. 에너지와 비율은 종종 구별되며 알파 분광법에서와 같이 특정 핵종을 식별하는 데 사용될 수 있습니다.

전형적인 운동 에너지가 5 MeV일 때 방출되는 알파 입자의 속도는 15,000 km/s로 빛의 속도의 5%입니다. 이 에너지는 단일 입자에 상당한 양의 에너지이지만 질량이 높다는 것은 알파 입자가 다른 일반적인 유형의 방사선(예: β 입자, 중성자)보다 속도가 낮다는 것을 의미합니다.[12]

알파 입자는 전하와 질량이 크기 때문에 물질에 쉽게 흡수되고, 공기 중에서도 몇 센티미터 밖에 이동할 수 없습니다. 그들은 조직지나 인간 피부의 외부 층에 흡수될 수 있습니다. 그들은 일반적으로 몇 개의 세포 깊이에 해당하는 약 40 마이크로미터의 피부를 관통합니다.

생물학적 효과

본문 : 상대적 생물학적 유효성

알파 입자는 흡수 범위가 짧고 피부 외층을 침투할 수 없기 때문에 소스를 섭취하거나 흡입하지 않는 한 일반적으로 생명에 위험하지 않습니다.[13] 이처럼 질량이 크고 흡수력이 강하기 때문에 알파 방출 방사성 핵종이 체내에 유입될 경우(1950년대 이전의 고품질 X선 영상을 위해 Thorotrast를 사용할 때와 마찬가지로 흡입, 섭취 또는 주입 시) 알파 방사선은 이온화 방사선의 가장 파괴적인 형태입니다. 가장 강력한 이온화이며, 충분한 양의 방사선 중독의 모든 증상을 유발할 수 있습니다. 알파 입자의 염색체 손상은 감마선이나 베타선과 동등한 양의 방사선에 의한 염색체 손상보다 10배에서 1000배 정도 더 큰 것으로 추정되며, 평균은 20배로 설정됩니다. 플루토늄과 우라늄의 알파 방사선에 내부 피폭된 유럽 원자력 종사자를 대상으로 한 연구에 따르면 상대적인 생물학적 유효성을 20으로 간주할 때 알파 방사선의 발암 가능성(폐암 측면에서)은 외부 감마 방사선의 선량에 대해 보고된 것과 일치하는 것으로 나타났습니다. 흡입된 알파 particles의 주어진 선량은 감마선의 20배 높은 선량과 동일한 위험을 나타냅니다. 강력한 알파 에미터 폴로늄-210(Po 1mg은 초당 4.215g의 Ra만큼의 알파 입자를 방출)은 담배 흡연과 관련된 폐암과 방광암에 역할을 하는 것으로 의심됩니다.[15] 210포는 2006년 러시아 반체제 인사이자 전 FSB 장교인 알렉산더 리트비넨코(Alexander V. Litvinenko)를 살해하는 데 사용되었습니다.[16]

동위원소를 방출하는 알파 입자가 섭취되면 생물학적 손상을 일으키는 알파 방사선의 상대적인 생물학적 효과가 높기 때문에 반감기나 붕괴 속도가 시사하는 것보다 훨씬 더 위험합니다. 알파 방사선은 평균 약 20배 더 위험하며 흡입된 알파 방출기를 사용한 실험에서는 베타 방출 또는 감마 방출 방사성 동위원소의 등가 활동보다 최대 1000배 더 위험합니다[17].

발견 및 사용이력

알파 복사는 헬륨-4 핵으로 구성되어 있으며 종이 한 장으로 쉽게 정지됩니다. 전자로 구성된 베타 방사선은 알루미늄 판에 의해 정지됩니다. 감마선은 밀도가 높은 물질을 투과하면서 결국 흡수됩니다. 납은 밀도 때문에 감마선을 잘 흡수합니다.
알파 입자는 자기장에 의해 굴절됩니다.
얇은 금속판 위에 알파입자 분산

1899년, 물리학자 어니스트 러더퍼드(캐나다 몬트리올의 맥길 대학교에서 근무)와 폴 빌라드(파리에서 근무)는 물체의 침투와 자기장에 의한 편향에 기초하여 결국 러더퍼드에 의해 알파, 베타, 감마로 명명된 방사선을 세 가지 유형으로 분리했습니다.[6] 알파선은 러더퍼드에 의해 일반적인 물체의 침투율이 가장 낮은 것으로 정의되었습니다.

러더퍼드의 연구에는 알파 입자의 질량과 전하의 비율을 측정하는 것도 포함되어 있어 알파 입자는 이중으로 대전된 헬륨 이온(나중에 맨 헬륨 핵으로 밝혀졌다)이라는 가설로 이어졌습니다.[18] 1907년 어니스트 러더퍼드와 토마스 로이드는 마침내 알파입자가 헬륨이온이라는 것을 증명했습니다.[19] 이를 위해 그들은 알려진 알파 입자 방출기인 라듐이 방출하는 가스를 유리관에 모아 정제했습니다. 튜브 내부의 전기 스파크 방전으로 빛이 발생했습니다. 이 빛의 스펙트럼에 대한 후속 연구는 기체가 헬륨이고 따라서 알파 입자가 실제로 헬륨 이온임을 보여주었습니다.[9]: 61

알파 입자는 자연적으로 발생하지만 핵반응에 참여할 수 있을 정도로 높은 에너지를 가질 수 있기 때문에 이에 대한 연구는 핵물리학에 대한 초기 지식으로 이어졌습니다. 러더퍼드는 브롬화 라듐에서 방출되는 알파 입자를 이용하여 J. J. 톰슨의 플럼 푸딩 모델이 근본적으로 결함이 있다고 추론했습니다. 러더퍼드의 금박 실험에서 그의 제자인 한스 가이거와 어니스트 마스든이 수행한 실험에서, 알파 입자의 좁은 빔이 매우 얇은 (수백 개의 원자 두께) 금박을 통과하면서 확립되었습니다. 알파 입자는 아연 황화물 스크린에 의해 감지되었으며, 아연 황화물 스크린은 알파 입자 충돌 시 섬광을 방출합니다. 러더퍼드는 원자의 "플럼 푸딩" 모델이 정확하다고 가정하면 양전하를 띤 알파 입자는 예측된 분산된 양전하에 의해 약간만 편향될 것이라고 가정했습니다.

알파 입자들 중 일부는 예상보다 훨씬 큰 각도로 굴절되었고, 일부는 거의 직접적으로 튕겨져 나간 것으로 밝혀졌습니다. 대부분의 알파 입자들이 예상대로 곧장 진행되었지만, 러더퍼드는 굴절된 몇 개의 입자들은 마치 조직지에 15인치 포탄을 쏘아서 튕겨내는 것과 같다고 언급했고, 다시 한번 "플럼 푸딩" 이론이 옳았다고 가정했습니다. 원자의 양전하는 중심에 있는 작은 영역에 집중되어 있어서 양전하가 나중에 핵이라고 불리는 곳에 접근한 어떤 양전하를 띤 알파입자도 비껴갈 수 있을 정도로 밀도가 높은 것으로 나타났습니다.

이 발견 이전에는 알파 입자가 그 자체로 원자핵이라는 것도, 양성자나 중성자의 존재도 알려져 있지 않았습니다. 이 발견 이후, J.J. Thomson의 "플럼 푸딩" 모델은 버려졌고, 러더퍼드의 실험은 보어 모델로 이어졌고, 이후 원자의 현대 파동역학 모델로 이어졌습니다.

방사성 붕괴를 통해 방출되는 전형적인 알파 입자에 대한 공기 중 에너지 손실(Bragg curve).
핵물리학자 볼프하트 윌림치크가 알파 입자를 위해 특수 제작한 스파크 챔버로 얻은 단일 알파 입자의 흔적.

1917년 러더퍼드는 실수로 알파 입자를 사용하여 나중에 한 원소를 다른 원소로 유도 핵 변환하는 것으로 이해했습니다. 1901년부터 자연적인 방사성 붕괴의 결과로 원소 간의 변환이 이해되어 왔지만, 러더퍼드가 알파 입자를 공기 중으로 투사했을 때, 그는 이것이 수소 핵으로 판명된 새로운 유형의 방사선을 생성한다는 것을 발견했습니다. 추가 실험에서 양성자는 공기의 질소 성분에서 나온 것으로 밝혀졌고, 반응은 반응에서 질소가 산소로 변환되는 것으로 추론되었습니다.

N + α → O + p

이것은 최초로 발견된 핵반응이었습니다.

인접한 사진으로 이동: 브래그의 에너지 손실 곡선에 따르면 알파 입자는 추적 끝에서 실제로 더 많은 에너지를 잃는다는 것을 알 수 있습니다.[20]

반알파입자

2011년, 미국 에너지부의 브룩헤이븐 국립 연구소의 상대론적 중이온 충돌기를 사용한 국제적인 STAR 공동 연구의 일원들은 반 알파라고도 알려진 헬륨 핵의 반물질 파트너를 발견했습니다.[21] 이 실험은 금 이온이 거의 빛의 속도로 움직이며 반입자를 만들기 위해 정면으로 충돌하는 것을 사용했습니다.[22]

적용들

장치들

  • 일부 연기 감지기에는 소량의 알파 에미터 아메리슘-241이 포함되어 있습니다.[23] 알파 입자는 작은 틈 안에서 공기를 이온화합니다. 이온화된 공기를 통해 작은 전류가 흐릅니다. 에어 갭으로 들어오는 불의 연기 입자는 전류 흐름을 감소시켜 경보를 울립니다. 동위원소는 흡입하거나 섭취할 경우 매우 위험하지만 공급원을 밀봉한 상태로 유지할 경우 위험은 거의 없습니다. 많은 지방 자치 단체들은 오래된 연기 감지기를 수집하고 처리하여 일반적인 폐기물 흐름에서 벗어나지 않도록 하는 프로그램을 수립했습니다. 그러나 미국 환경보호청은 그것들이 "가정 쓰레기로 버려질 수도 있다"고 말합니다.[23]
  • 알파 붕괴는 우주 탐사선에 사용되는 방사성 동위원소 열전 발전기에[24] 안전한 전원을 제공할 수 있습니다. 알파 붕괴는 다른 형태의 방사성 붕괴보다 훨씬 쉽게 막을 수 있습니다. 알파 입자의 공급원인 플루토늄-238은 원치 않는 방사선으로부터 보호하기 위해 2.5mm의 납 차폐만 필요합니다.
  • 정전기 제거기는 일반적으로 알파 에미터인 폴로늄-210을 사용하여 공기를 이온화하여 "정적 부착"이 더 빠르게 소멸되도록 합니다.[25][26]

암치료

알파 방출 방사성 핵종은 현재 암성 종양을 근절하기 위해 세 가지 다른 방법으로 사용되고 있습니다: 특정 조직(Radium-223)을 표적으로 하는 불투과성 방사성 치료제로서, 고체 종양에 직접 삽입되는 방사선의 공급원으로서(Radium-224), 그리고 종양 표적 분자에 대한 부착물로서, 종양과 관련된 항원에 대한 항체와 같은 것입니다.

라듐-223은 칼슘 모방체이기 때문에 뼈에 자연스럽게 끌리는 알파 방출체입니다. 라듐-223(이염화 라듐-223)은 암 환자의 정맥에 주입될 수 있으며, 이후 전이된 종양의 존재로 인해 세포의 회전이 빠른 뼈의 일부로 이동합니다. 일단 뼈 안에 들어가면 Ra-223은 알파 방사선을 방출하여 100 마이크로 거리 내에서 종양 세포를 파괴할 수 있습니다. 뼈로 전이된 전립선암을 치료하기 위해 2013년부터 이 방법을 사용하고 있습니다.[27] 순환에 주입된 방사성 핵종은 혈관에 접근할 수 있는 부위에 도달할 수 있습니다. 그러나 이것은 혈관이 잘 침투되지 않은 큰 종양의 내부가 방사능에 의해 효과적으로 근절되지 않을 수 있다는 것을 의미합니다.

Radium-224는 DaRT(Diffusing Alpha-emitters Radiation Therapy)라는 암 치료 장치에서 알파 방사선의 공급원으로 사용되는 방사성 원자입니다. 각각의 라듐-224 원자는 6개의 딸 원자를 생성하는 붕괴 과정을 거칩니다. 이 과정에서 알파 입자 4개가 방출됩니다. 알파 입자의 범위(최대 100 마이크론)는 많은 종양의 폭을 커버하기에 충분하지 않습니다. 그러나 라듐-224의 딸 원자는 조직 내에서 최대 2-3mm까지 확산될 수 있으며, 따라서 씨앗을 적절하게 배치할 경우 종양 전체를 파괴할 수 있는 충분한 방사선을 가진 "킬 영역"을 생성합니다.[28] 라듐-224의 반감기는 3.6일로 충분히 짧아 과다 노출로 인한 방사선 손상 위험을 피하면서도 신속한 임상 효과를 낼 수 있습니다. 동시에 반감기는 충분히 길기 때문에 전 세계 어느 곳에서나 씨앗을 취급하고 암 치료 센터로 배송할 수 있습니다.

고형 종양에 대한 표적 알파 치료는 항체와 같은 종양 표적 분자에 알파 입자를 방출하는 방사성 핵종을 부착하는 것으로, 이는 암 환자에게 정맥 투여에 의해 전달될 수 있습니다.[29]

알파 방사선 및 DRAM 오류

주 기사: 패키지 붕괴로 인한 부드러운 오류 § Alpha 입자

컴퓨터 기술에서 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) "소프트 에러"는 1978년 인텔의 DRAM 칩에서 알파 입자와 연결되었습니다. 이번 발견으로 반도체 소재의 포장에서 방사성 원소를 엄격하게 통제하게 됐고, 문제는 상당 부분 해결될 것으로 평가됩니다.[30]

참고 항목

참고문헌

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