اضمحلال ألفا

يُعدّ تحلل ألفا نوعًا من أنواع التحلل الإشعاعي ، حيث تنبعث جسيمات ألفا من نواة ذرة ( نواة الهيليوم ). تتحول النواة الأصلية أو "تتحلل" إلى ناتج ذري ، يقلّ عدد كتلته بمقدار أربعة ، ويقلّ عدده الذري بمقدار اثنين. جسيم ألفا هو نفسه نواة ذرة الهيليوم-4 ، التي تتكون من بروتونين ونيوترونين . على سبيل المثال، يخضع اليورانيوم-238 لتحلل ألفا ليُشكّل الثوريوم-234 .

بينما تمتلك جسيمات ألفا شحنة+2 e  ، لا يتم عرض هذا عادة لأن المعادلة النووية تصف التفاعل النووي دون مراعاة الإلكترونات - وهو اصطلاح لا يعني بالضرورة أن النوى تحدث في الذرات المتعادلة.

يحدث تحلل ألفا عادةً في أثقل النوى . نظريًا، لا يمكن أن يحدث إلا في النوى الأثقل قليلًا من النيكل (العنصر 28)، حيث لا تكون طاقة الربط الكلية لكل نيوكليون في حدها الأقصى، وبالتالي تكون النوى غير مستقرة تجاه عمليات الانشطار التلقائي. عمليًا، لم يُرصد هذا النمط من التحلل إلا في النوى الأثقل بكثير من النيكل، حيث أن أخف نظير معروف لانبعاث جسيمات ألفا هو ثاني أخف نظير للأنتيمون ، ^104Sb . ^{[ 1 ]} مع ذلك ، وبشكل استثنائي، يتحلل البريليوم-8 إلى جسيمين ألفا.

يُعدّ تحلل ألفا الشكل الأكثر شيوعًا لتحلل التجمعات النووية ، حيث تُطلق الذرة الأم مجموعة محددة من النيوكليونات، تاركةً وراءها ناتجًا محددًا آخر. ويعود شيوعه إلى طاقة الربط النووي العالية للغاية وكتلة جسيم ألفا الصغيرة نسبيًا. ومثل أنواع تحلل التجمعات النووية الأخرى، يُعتبر تحلل ألفا في جوهره عملية نفق كمومي . وعلى عكس تحلل بيتا ، يخضع تحلل ألفا للتفاعل بين القوة النووية القوية والقوة الكهرومغناطيسية .

تمتلك جسيمات ألفا طاقة حركية نموذجية تبلغ 5  ميغا إلكترون فولت (أو ما يقارب  0.13% من طاقتها الكلية، 110  تيرا جول/كيلوغرام) وسرعة تقارب 15 مليون  متر/ثانية، أو 5% من سرعة الضوء . ويُلاحظ تباين طفيف للغاية حول هذه الطاقة، نظرًا لاعتماد عمر النصف لهذه العملية بشكل كبير على الطاقة المُنتجة. وبسبب كتلتها الكبيرة نسبيًا، فإن الشحنة الكهربائية لـ+2 e  وسرعة منخفضة نسبياً، من المرجح جداً أن تتفاعل جسيمات ألفا مع الذرات الأخرى وتفقد طاقتها، ويمكن إيقاف حركتها الأمامية بواسطة بضعة سنتيمترات من الهواء .

ينتج ما يقارب 99% من الهيليوم الموجود على الأرض نتيجةً لتحلل ألفا لرواسب المعادن الموجودة تحت الأرض والتي تحتوي على اليورانيوم أو الثوريوم . ويُستخرج الهيليوم إلى السطح كمنتج ثانوي لإنتاج الغاز الطبيعي .

وُصفت جسيمات ألفا لأول مرة في دراسات النشاط الإشعاعي التي أجراها إرنست رذرفورد عام 1899، وبحلول عام 1907 تم تحديدها على أنها أيونات الهيليوم (He²⁺). وفي عام 1928، ^حلّ جورج غاموف نظرية اضمحلال ألفا عبر النفق الكمومي. يُحاصر جسيم ألفا داخل النواة بواسطة بئر جهد نووي جاذب وحاجز جهد كهرومغناطيسي تنافري . تقليديًا، يُمنع عليه الهروب، ولكن وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم المكتشفة حديثًا آنذاك ، لديه احتمال ضئيل (ولكنه غير معدوم) لـ" النفق الكمومي " عبر الحاجز والظهور على الجانب الآخر للهروب من النواة. حلّ غاموف نموذج جهد للنواة واستنتج، من المبادئ الأساسية، علاقة بين نصف عمر الاضمحلال وطاقة الانبعاث، والتي تم اكتشافها تجريبيًا سابقًا وعُرفت باسم قانون جايجر-ناتال . ^{[ 2 ]}

القوة النووية التي تربط نواة الذرة قوية للغاية، وهي عمومًا أقوى بكثير من قوى التنافر الكهرومغناطيسي بين البروتونات. ومع ذلك، فإن القوة النووية قصيرة المدى أيضًا، حيث تتلاشى قوتها بسرعة بعد حوالييبلغ مدى القوة الكهرومغناطيسية 3 فيمتومترات  ، بينما لا حدود لمدى القوة النووية. وبالتالي، تتناسب قوة التجاذب النووي التي تُبقي النواة متماسكة طرديًا مع عدد النيوكليونات، لكن قوة التنافر الكهرومغناطيسي الكلية الناتجة عن تنافر البروتونات، والتي تحاول تفكيك النواة، تتناسب تقريبًا مع مربع عددها الذري. تكون النواة التي تحتوي على 210 نيوكليونات أو أكثر كبيرة جدًا لدرجة أن القوة النووية القوية التي تُبقيها متماسكة بالكاد تستطيع موازنة التنافر الكهرومغناطيسي بين البروتونات التي تحتويها. يحدث تحلل ألفا في مثل هذه النوى كوسيلة لزيادة الاستقرار عن طريق تقليل الحجم. ^{[ 3 ]}

من الأمور المثيرة للاهتمام سبب انبعاث جسيمات ألفا، أو نوى الهيليوم، بشكل تفضيلي مقارنةً بجسيمات أخرى كالبروتون أو النيوترون أو نوى الذرات الأخرى . ^{[ ملاحظة 1 ]} يعود جزء من السبب إلى طاقة الربط العالية لجسيم ألفا، مما يعني أن كتلته أقل من مجموع كتل بروتونين حرين ونيوترونين حرين. هذا يزيد من طاقة التفكك. بحساب طاقة التفكك الكلية المعطاة بالمعادلة E di ₌ ( m _i - m _f - m _p )c ² حيث m _i هي الكتلة الابتدائية للنواة، و m _f هي كتلة النواة بعد انبعاث الجسيم، و m _p هي كتلة جسيم ألفا المنبعث، نجد أنه في بعض الحالات تكون موجبة، وبالتالي يكون انبعاث جسيم ألفا ممكنًا، بينما تتطلب أنماط التحلل الأخرى إضافة طاقة. على سبيل المثال، يُظهر إجراء الحساب لليورانيوم -232 أن انبعاث جسيم ألفا يُطلق5.4  ميغا إلكترون فولت من الطاقة، بينما يتطلب انبعاث بروتون واحد6.1  ميغا إلكترون فولت . تتحول معظم طاقة التفكك إلى طاقة حركية لجسيم ألفا، مع أن جزءًا منها، امتثالًا لقانون حفظ الزخم ، يذهب إلى ارتداد النواة نفسها (انظر الارتداد الذري ). ومع ذلك، نظرًا لأن العدد الكتلي لمعظم النظائر المشعة المُصدرة لجسيمات ألفا يتجاوز 210، وهو أكبر بكثير من العدد الكتلي لجسيم ألفا (4)، فإن نسبة الطاقة التي تذهب إلى ارتداد النواة تكون ضئيلة جدًا، أقل من 2%. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، تظل طاقة الارتداد (في نطاق الكيلو إلكترون فولت) أكبر بكثير من قوة الروابط الكيميائية (في نطاق الإلكترون فولت)، لذا سينفصل الناتج عن النواة عن البيئة الكيميائية التي كانت فيها النواة الأم. ويمكن استخدام طاقات ونسب جسيمات ألفا لتحديد النواة الأم المشعة عبر مطيافية ألفا .

مع ذلك، فإن طاقات التفكك هذه أصغر بكثير من حاجز الجهد التنافري الناتج عن التفاعل بين القوة النووية القوية والقوة الكهرومغناطيسية، والذي يمنع جسيم ألفا من الإفلات. وتتراوح الطاقة اللازمة لنقل جسيم ألفا من اللانهاية إلى نقطة قريبة من النواة، خارج نطاق تأثير القوة النووية، عمومًا في حدود حوالي25  ميغا إلكترون فولت . يمكن اعتبار جسيم ألفا داخل النواة موجودًا داخل حاجز كامن جدرانه25  ميغا إلكترون فولت فوق طاقة الوضع عند اللانهاية. ومع ذلك، فإن جسيمات ألفا الناتجة عن الاضمحلال لا تمتلك سوى طاقات تقاربمن 4 إلى 9  ميغا إلكترون فولت فوق الجهد عند اللانهاية، وهو أقل بكثير من الطاقة اللازمة للتغلب على الحاجز والهروب.

تُستخدم مُشعّات جسيمات ألفا في أجهزة كشف الدخان . تعمل جسيمات ألفا على تأيين الهواء في حجرة تأيين مفتوحة ، ويتدفق تيار كهربائي صغير عبر الهواء المؤين. تعمل جزيئات الدخان الناتجة عن الحريق والتي تدخل الحجرة على تقليل التيار، مما يؤدي إلى تشغيل جهاز إنذار كاشف الدخان. ^{[ 7 ]}

الراديوم-223 هو أيضاً باعث لأشعة ألفا . وقد تم تجربة استخدامه بنجاح في علاج النقائل العظمية الناتجة عن سرطان البروستاتا النقيلي المقاوم للإخصاء . ^{[ 8 ]}

يمكن أن يوفر تحلل ألفا مصدر طاقة آمنًا لمولدات الطاقة الكهروحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة، والتي تُستخدم في المجسات الفضائية ^{[ 9 ]} ، كما استُخدمت في أجهزة تنظيم ضربات القلب الاصطناعية ^{[ 10 ]} . ويُعدّ تحلل ألفا أسهل بكثير في الحماية منه مقارنةً بأشكال التحلل الإشعاعي الأخرى ^{[ 11 ]} .

تستخدم أجهزة إزالة الشحنات الساكنة عادةً البولونيوم-210 ، وهو باعث لأشعة ألفا، لتأيين الهواء، مما يسمح بتلاشي "الشحنات الساكنة" بسرعة أكبر. ^{[ 12 ]}

تفقد جسيمات ألفا، ذات الشحنة العالية والوزن الثقيل، طاقتها البالغة عدة ميغا إلكترون فولت داخل حجم صغير من المادة، مع مسار حر متوسط ​​قصير جدًا . وهذا يزيد من احتمالية حدوث كسور في سلسلتي الحمض النووي في حالات التلوث الداخلي، عند ابتلاعها أو استنشاقها أو حقنها أو دخولها عبر الجلد. في الأحوال العادية، لا يُعدّ لمس مصدر ألفا ضارًا، إذ تُحجب جسيمات ألفا بفعالية بواسطة بضعة سنتيمترات من الهواء، أو قطعة من الورق، أو الطبقة الرقيقة من خلايا الجلد الميتة التي تُشكّل البشرة ؛ ومع ذلك، فإن سلسلة اضمحلال العديد من النظائر المُصدرة لجسيمات ألفا، مثل الراديوم 226 ، تحتوي على نوى ابنة تخضع لاضمحلال بيتا و/أو غاما . ^{[ 13 ]}

يقيس معامل الفعالية البيولوجية النسبية (RBE) قدرة الإشعاع على إحداث تأثيرات بيولوجية معينة، أبرزها السرطان أو موت الخلايا ، عند التعرض المكافئ للإشعاع. يتميز إشعاع ألفا بمعامل نقل طاقة خطي عالٍ (LET)، أي ما يعادل تأين جزيء/ذرة واحدة لكل أنغستروم من المسافة التي يقطعها جسيم ألفا. وقد حددت العديد من اللوائح الحكومية قيمة RBE لإشعاع ألفا عند 20. أما بالنسبة لإشعاع النيوترونات ، فقد حُددت قيمة RBE عند 10 ، وعند 1 لإشعاع بيتا والفوتونات المؤينة.

ومع ذلك، فإن ارتداد النواة الأم (ارتداد جسيمات ألفا) يمنحها كمية كبيرة من الطاقة، مما يتسبب أيضًا في تلف تأين (انظر الإشعاع المؤين ). هذه الطاقة تعادل تقريبًا وزن جسيمات ألفا (4 دالتون  ) مقسومة على وزن الجسيم الأصلي (عادةً حوالي 200  دالتون) مضروبة في الطاقة الكلية لجسيم ألفا. تشير بعض التقديرات إلى أن هذا قد يفسر معظم الضرر الإشعاعي الداخلي، حيث أن نواة الارتداد جزء من ذرة أكبر بكثير من جسيم ألفا، مما يُسبب مسارًا كثيفًا جدًا من التأين؛ وعادةً ما تكون الذرة معدنًا ثقيلًا ، والذي يتجمع بشكل تفضيلي على الكروموسومات . في بعض الدراسات، ^{[ 14 ]} أدى ذلك إلى قيمة RBE تقترب من 1000 بدلًا من القيمة المستخدمة في اللوائح الحكومية.

يُعدّ الرادون ، وهو غاز مشعّ طبيعيّ موجود في التربة والصخور، المساهم الطبيعي الأكبر في جرعة الإشعاع التي يتعرض لها الجمهور . ^{[ 15 ]} عند استنشاق هذا الغاز، قد تلتصق بعض جزيئات الرادون بالبطانة الداخلية للرئة. وتستمر هذه الجزيئات في التحلل، مُصدرةً جسيمات ألفا، التي يُمكن أن تُلحق الضرر بخلايا أنسجة الرئة. ^{[ 16 ]} يُرجّح أن وفاة ماري كوري عن عمر يناهز 66 عامًا بسبب فقر الدم اللاتنسجي كانت نتيجة التعرض المطوّل لجرعات عالية من الإشعاع المؤين، ولكن ليس من الواضح ما إذا كان ذلك بسبب إشعاع ألفا أو الأشعة السينية. عملت كوري على نطاق واسع مع الراديوم، الذي يتحلل إلى رادون، ^{[ 17 ]} إلى جانب مواد مشعة أخرى تُصدر أشعة بيتا وجاما . مع ذلك، عملت كوري أيضًا بأنابيب أشعة سينية غير محمية خلال الحرب العالمية الأولى، وأظهر تحليل هيكلها العظمي أثناء إعادة دفنها مستوى منخفضًا نسبيًا من النظائر المشعة.

يُعتقد أن جريمة قتل المنشق الروسي ألكسندر ليتفينينكو عام 2006 بالتسمم الإشعاعي قد نُفذت باستخدام البولونيوم-210 ، وهو باعث ألفا.

• مصادر انبعاث جسيمات ألفا عن طريق زيادة الطاقة (الملحق 1)

• مخطط النظائر المشعة المباشر - الوكالة الدولية للطاقة الذرية مع فلتر اضمحلال ألفا
• اضمحلال ألفا مع 3 أمثلة متحركة توضح ارتداد النتاج

• اضمحلال بيتا
• اضمحلال غاما
• قائمة النظائر المشعة لجسيمات ألفا