مطيافية جسيمات ألفا

قياس طيف ألفا (المعروف أيضًا باسم مطيافية جسيمات ألفا ) هو الدراسة الكمية لطاقة جسيمات ألفا المنبعثة من نويدة مشعة باعثة لجسيمات ألفا .

بما أن جسيمات ألفا المنبعثة أحادية الطاقة (أي لا تنبعث مع طيف من الطاقات، مثل تحلل بيتا ) والتي غالباً ما تكون طاقاتها مميزة لتحللها، فيمكن استخدامها لتحديد النظير المشع الذي نشأت منه. ^{[ 1 ]}

من اليسار إلى اليمين، تعود القمم إلى نظائر البولونيوم ^-209 ، والبلوتونيوم ^-239 ، والبولونيوم ^{-210 ،} والأمريسيوم ^-241 . يشير وجود أكثر من خط ألفا واحد في نظائر مثل البلوتونيوم ^-239 والأمريسيوم ^-241 إلى أن النواة (الناتجة) يمكن أن تكون في مستويات طاقة منفصلة مختلفة .

المعايرة: لا يعتمد جهاز تحليل متعدد القنوات (MCA) على الطاقة، بل على الجهد. ولربط الطاقة بالجهد، يجب معايرة نظام الكشف. في هذه الدراسة، وُضعت مصادر مختلفة باعثة لأشعة ألفا ذات طاقة معروفة أسفل الكاشف، وسُجّلت ذروة الطاقة كاملةً.

قياس سُمك الرقائق الرقيقة: تُقاس طاقات جسيمات ألفا المنبعثة من مصادر مشعة قبل وبعد مرورها عبر الأغشية الرقيقة. وبقياس الفرق بين طاقات الجسيمات باستخدام برنامج SRIM، يُمكننا قياس سُمك الرقائق الرقيقة.

طاقة التحلل، Q (وتسمى أيضًا قيمة Q للتفاعل )، تتوافق مع اختفاء الكتلة.

بالنسبة للتفاعل النووي لتحلل ألفا: ${\displaystyle {\ce {^{A}_{Z}P -> ^{(A-4)}_{(Z-2)}D + \alpha}}}$، (حيث P هو النواة الأم و D هي النواة الابنة).

${\displaystyle Q{_{\alpha }}=(m_{P}-m_{D}-m_{\alpha })\ c^{2}}$أو بالوحدات الأكثر شيوعًا: Q (M eV ) = -931.5 Δ M ( Da ), (حيث Δ M = ΣM _{النواتج} - ΣM _{المتفاعلات} ). ^{[ 3 ]}

عندما تكون النواة الوليدة وجسيم ألفا المتكون في حالتهما الأرضية (وهو أمر شائع في تحلل ألفا)، يتم تقسيم طاقة التحلل الكلية بينهما في الطاقة الحركية (T):

${\displaystyle Q_{\alpha }=T_{\alpha }+T_{D}}$

يعتمد حجم T على نسبة كتل النواتج، وبسبب قانون حفظ الزخم (زخم الجسيم الأصلي = 0 لحظة التحلل)، يمكن حساب ذلك:

${\displaystyle p_{\alpha }+p_{D}=0}$

${\displaystyle T=0.5mv^{2}}$و${\displaystyle p=mv}$،${\displaystyle \therefore p={\sqrt {2mT}}}$

$\begin{aligned}{\sqrt {2m_{\alpha }T_{\alpha }}}&=-{\sqrt {2m_{D}T_{D}}}\\[4pt]2m_{\alpha }T_{\alpha }&=2m_{D}T_{D}\\[4pt]{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }&=T_{D}\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}Q_{\alpha }&=T_{\alpha }+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}1+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}}{m_{D}}}+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}+m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]\end{aligned}}}$

${\displaystyle \therefore T_{\alpha }={\frac {m_{D}}{m_{P}}}Q_{\alpha }}$

جسيم ألفا، أو نواة الهيليوم ^-4 ، هو جسيم ذو ترابط قوي للغاية. هذا، بالإضافة إلى حقيقة أن طاقة الربط لكل نيوكليون تصل إلى قيمة عظمى قرب A=56 وتتناقص تدريجيًا مع زيادة كتلة النوى، يُؤدي إلى أن النوى ذات A>150 تمتلك قيم Qα موجبة _{لانبعاث} جسيمات ألفا.

على سبيل المثال، أحد أثقل النظائر الموجودة في الطبيعة،${\displaystyle {\ce {^238U -> ^234Th + ^4He}}}$(متجاهلاً التهم):

س _α = -931.5 (234.043 601 + 4.002 603 254 13 - 238.050 788 2) = 4.2699 مليون إلكترون فولت ^{[ 4 ]}

لاحظ أن طاقة الاضمحلال ستنقسم بين جسيم ألفا والجسيم الناتج الثقيل المرتدّ بحيث تكون الطاقة الحركية لجسيم ألفا (T _{α ) أقل قليلاً:}

T _α = (234.043 601 / 238.050 788 2) 4.2699 = 4.198 ميغا إلكترون فولت، (لاحظ أن هذا خاص بتفاعل اليورانيوم ^-238 إلى ^{الثوريوم-234} ، والذي تبلغ نسبة تفرعه في هذه الحالة 79%). الطاقة الحركية لنواة الثوريوم -234 الناتجة عن الارتداد هي T ^D ₌ (m _α / m _P ) Q _α = (4.002 603 254 13 / 238.050 788 2) 4.2699 = 0.0718 ميغا إلكترون فولت أو 71.8 كيلو إلكترون فولت، وهي طاقة أصغر بكثير من طاقة الروابط الكيميائية (<10 إلكترون فولت)، مما يعني أن النواة الناتجة ستنفصل عن البيئة الكيميائية التي كانت فيها النواة الأم.

تُعد طاقة الارتداد أيضاً السبب في أن أجهزة قياس طيف ألفا، على الرغم من تشغيلها تحت ضغط منخفض، لا تعمل عند ضغط منخفض للغاية، وذلك حتى لا يساعد الهواء في منع الجسيمات الناتجة عن الارتداد من الخروج تماماً من مصدر ألفا الأصلي، مما قد يتسبب في مشاكل تلوث خطيرة إذا كانت هذه الجسيمات مشعة. ^{[ 5 ]}

تزداد قيم Qα عمومًا مع ازدياد العدد الذري، لكن التغير في سطح الكتلة الناتج عن تأثيرات الغلاف الذري قد يطغى على الزيادة المنتظمة. أما القمم الحادة قرب A = 214 فتعود إلى تأثيرات الغلاف الذري N = 126.