جسيم ألفا

تتكون جسيمات ألفا ، التي تُسمى أيضًا أشعة ألفا أو إشعاع ألفا ، من بروتونين ونيوترونين مرتبطين معًا لتكوين جسيم مطابق لنواة ذرة الهيليوم -4 . ^{[ 6 ]} تُنتج هذه الجسيمات عادةً في عملية تحلل ألفا، ولكن يمكن إنتاجها أيضًا بطرق أخرى. سُميت جسيمات ألفا نسبةً إلى الحرف الأول من الأبجدية اليونانية ، ألفا (α ) . رمز جسيم ألفا هو α أو α²⁺ ^. ولأنها مطابقة لنوى الهيليوم، تُكتب أحيانًا He²⁺ أو ⁴²He²⁺، مما يشير إلى ^أيون هيليوم ^بشحنة ₊₂ ( يفتقر إلى ^{إلكترونين} ) . بمجرد أن يكتسب الأيون إلكترونات من بيئته، يتحول جسيم ألفا إلى ذرة هيليوم عادية (متعادلة كهربائيًا ) ^⁴²He _.

جسيمات ألفا لها عزم مغزلي صافٍ يساوي صفرًا. عند إنتاجها في عملية التحلل الإشعاعي القياسي لجسيمات ألفا ، تمتلك هذه الجسيمات عمومًا طاقة حركية تبلغ حوالي 5 ميغا إلكترون فولت وسرعة تقارب 4% من سرعة الضوء . وهي شكلٌ شديد التأين من الإشعاع الجسيمي ، ذو عمق اختراق منخفض (يتوقف عند بضعة سنتيمترات من الهواء ، أو عند الجلد ). 

مع ذلك، فإن جسيمات ألفا طويلة المدى الناتجة عن الانشطار الثلاثي تتمتع بطاقة أكبر بثلاث مرات وتخترق مسافة أكبر بثلاث مرات. كما أن نوى الهيليوم التي تشكل 10-12% من الأشعة الكونية عادةً ما تكون ذات طاقة أعلى بكثير من تلك الناتجة عن عمليات التحلل النووي، وبالتالي قد تكون ذات قدرة اختراق عالية وقادرة على اختراق جسم الإنسان، بالإضافة إلى عدة أمتار من الدروع الصلبة الكثيفة، وذلك تبعًا لطاقتها. وينطبق هذا، بدرجة أقل، على نوى الهيليوم عالية الطاقة جدًا الناتجة عن مسرعات الجسيمات.

صاغ إرنست رذرفورد مصطلح "جسيم ألفا" عند عرضه لدراساته حول خصائص إشعاع اليورانيوم. ^{[ 7 ]} بدا أن للإشعاع سمتين مختلفتين، أطلق على الأولى اسم "${\displaystyle \alpha }$الإشعاع" والإشعاع الأكثر اختراقًا الذي أطلق عليه اسم "${\displaystyle \beta }$الإشعاع. بعد خمس سنوات من العمل التجريبي الإضافي، توصل رذرفورد وهانز جايجر إلى أن "جسيم ألفا، بعد أن يفقد شحنته الموجبة، هو ذرة هيليوم". ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] : يتكون إشعاع ألفا} من جسيمات مكافئة لنوى الهيليوم المتأينة ثنائيًا (He2 ⁺ )، والتي يمكنها اكتساب إلكترونات عند مرورها عبر المادة. هذه الآلية هي أصل غاز الهيليوم الأرضي. ^{[ 11 ]}

تعتمد طاقة جسيم ألفا المنبعث في تحلل ألفا بشكل طفيف على نصف عمر عملية الانبعاث، حيث ترتبط اختلافات كبيرة في نصف العمر بتغيرات في الطاقة أقل من 50٪، كما هو موضح في قانون جايجر-ناتال .

تتفاوت طاقة جسيمات ألفا المنبعثة، حيث تنبعث جسيمات ألفا ذات الطاقة الأعلى من النوى الأكبر حجمًا، ولكن معظم جسيمات ألفا تمتلك طاقات تتراوح بين 3 و7 ميغا إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع أعمار نصفية طويلة جدًا وقصيرة جدًا للنوى الباعثة لجسيمات ألفا، على التوالي. غالبًا ما تكون الطاقات والنسب متباينة، ويمكن استخدامها لتحديد نوى معينة كما هو الحال في قياس طيف ألفا . 

تبلغ الطاقة الحركية النموذجية  لجسيمات ألفا 5 ميغا إلكترون فولت؛ سرعة هذه الجسيمات هيتبلغ سرعة جسيمات ألفا 15000  كم/ث ، أي ما يعادل 5% من سرعة الضوء. تُعد هذه الطاقة كمية كبيرة بالنسبة لجسيم واحد، ولكن كتلتها العالية تعني أن جسيمات ألفا لها سرعة أقل من أي نوع آخر من الإشعاع الشائع، مثل ^جسيمات بيتا والنيوترونات . [ ^{13 ]}

بسبب شحنتها وكتلتها الكبيرة، تمتص المواد جسيمات ألفا بسهولة، ولا يمكنها أن تنتقل إلا لبضعة سنتيمترات في الهواء. يمكن امتصاصها بواسطة المناديل الورقية أو الطبقات الخارجية من جلد الإنسان. تخترق هذه الجسيمات الجلد عادةً إلى عمق 40 ميكرومترًا تقريبًا ، أي ما يعادل بضع خلايا . 

نظراً لقصر مدى امتصاصها وعدم قدرتها على اختراق الطبقات الخارجية للجلد، فإن جسيمات ألفا لا تُشكل خطراً على الحياة بشكل عام إلا في حالة ابتلاعها أو استنشاقها. ^{[ 14 ]} وبسبب كتلتها العالية وقدرتها القوية على الامتصاص، إذا دخلت النويدات المشعة المُصدرة لأشعة ألفا إلى الجسم (عن طريق الاستنشاق أو الابتلاع أو الحقن، كما كان الحال مع استخدام ثوروتراست للحصول على صور أشعة سينية عالية الجودة قبل خمسينيات القرن الماضي)، فإن إشعاع ألفا يُعدّ أكثر أشكال الإشعاع المؤين تدميراً . فهو الأكثر تأيناً، وبجرعات كبيرة كافية، يُمكن أن يُسبب أيًا من أعراض التسمم الإشعاعي أو جميعها . ويُقدّر أن الضرر الذي تُسببه جسيمات ألفا للكروموسومات يتراوح بين 10 إلى 1000 ^{[ 15 ]} ضعف الضرر الذي تُسببه كمية مُكافئة من إشعاع جاما أو بيتا، بمتوسط ​​20 ضعفاً. أظهرت دراسة أجريت على العاملين في المجال النووي الأوروبيين المعرضين داخليًا لإشعاع ألفا المنبعث من البلوتونيوم واليورانيوم، أنه عند اعتبار الفعالية البيولوجية النسبية 20 ضعفًا، فإن احتمالية التسبب بالسرطان (فيما يتعلق بسرطان الرئة) لإشعاع ألفا تبدو متوافقة مع ما تم الإبلاغ عنه لجرعات إشعاع غاما الخارجية، أي أن جرعة معينة من جسيمات ألفا المستنشقة تُشكل نفس خطر جرعة أعلى بعشرين ضعفًا من إشعاع غاما. ^{[ 16 ]} ويُشتبه في أن البولونيوم-210 ، وهو باعث قوي لجسيمات ألفا (يُصدر ملليغرام واحد من البولونيوم ^-210 عددًا من جسيمات ألفا في الثانية يُعادل ما يُصدره 4.215  غرام من الراديوم ^-226 )، يلعب دورًا في سرطان الرئة وسرطان المثانة المرتبطين بتدخين التبغ . ^{[ 17 ]} وقد استُخدم البولونيوم ^-210 لقتل المعارض الروسي وضابط جهاز الأمن الفيدرالي السابق ألكسندر ليتفينينكو عام 2006. ^{[ 18 ]}

الشكلان 1 و2 من ورقة رذرفورد البحثية لعام 1899 حول إشعاع اليورانيوم. ^{[ 19 ]} أدى إشعاع اليورانيوم إلى تأيين الهواء بين القطبين A وB، مما أدى إلى توليد تيار كهربائي. في البداية، انخفض التيار تدريجيًا مع وضع رذرفورد طبقات متتالية من رقائق الألومنيوم فوق اليورانيوم، ولكن بعد تجاوز سمك 20 ميكرومترًا، ظل التيار ثابتًا تقريبًا.

في عام 1896، اكتشف هنري بيكريل أن اليورانيوم يُصدر إشعاعًا غير مرئي يُمكنه أن يُظلم الألواح الفوتوغرافية، وأن هذا الإشعاع الغامض ليس فسفورية . ^{[ 10 ] : 49} وفي عام 1898، أثبتت ماري كوري أن هذه الظاهرة، التي أطلقت عليها اسم "النشاط الإشعاعي"، ليست حكرًا على اليورانيوم، بل هي خاصية للذرات الفردية. ^{[ 10 ] : 55} درس إرنست رذرفورد إشعاع اليورانيوم واكتشف أنه يُمكنه تأيين جزيئات الغاز. ^{[ 20 ] : 2}

في عام ١٨٩٩، اكتشف رذرفورد أن إشعاع اليورانيوم هو مزيج من نوعين من الإشعاع. ^{[ ١٠ ] : ٦٠} أجرى تجربةً استخدم فيها قطبين كهربائيين يفصل بينهما ٤  سم من الهواء. وضع بعض اليورانيوم على القطب السفلي، فأدى إشعاع اليورانيوم إلى تأيين الهواء بين القطبين، مما أدى إلى توليد تيار كهربائي. ثم وضع رذرفورد رقاقة ألومنيوم (بسماكة ٥ ميكرومترات) فوق اليورانيوم، ولاحظ انخفاضًا طفيفًا في التيار، مما يشير إلى أن الرقاقة تمتص جزءًا من إشعاع اليورانيوم. وضع رذرفورد بضع رقائق أخرى فوق اليورانيوم، ووجد أنه بالنسبة للرقائق الأربع الأولى، انخفض التيار تدريجيًا بمعدل هندسي. ومع ذلك، بعد الطبقة الرابعة من الرقاقة فوق اليورانيوم، لم ينخفض ​​التيار أكثر من ذلك، وظل ثابتًا تقريبًا حتى اثنتي عشرة طبقة من الرقاقة. تشير هذه النتيجة إلى أن إشعاع اليورانيوم يتكون من عنصرين. أطلق روثرفورد على أحد المكونات اسم "إشعاع ألفا" الذي تم امتصاصه بالكامل بواسطة بضع طبقات فقط من الرقائق المعدنية، وما تبقى كان مكونًا ثانيًا يمكنه اختراق العديد من طبقات الرقائق المعدنية، وأطلق على الأخير اسم " إشعاع بيتا ". ^{[ 19 ]}

في عام 1900، لاحظت ماري كوري أن معامل امتصاص أشعة ألفا يزداد كلما زاد سمك الحاجز الذي وضعته في مسارها. وقد أوحى هذا بأن إشعاع ألفا ليس شكلاً من أشكال الضوء، بل يتكون من جسيمات تفقد طاقتها الحركية عند مرورها عبر الحواجز. وفي عام 1902، اكتشف رذرفورد أنه يستطيع تغيير مسار أشعة ألفا باستخدام مجال مغناطيسي ومجال كهربائي، مما أثبت أن إشعاع ألفا يتكون من جسيمات مشحونة كهربائياً. وكان اتجاه انحراف جسيمات ألفا معاكساً لاتجاه انحراف أشعة الكاثود، مما يدل على أنها مشحونة بشحنة موجبة. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

في عام ١٩٠٦، أجرى رذرفورد قياسات أكثر دقة لنسبة الشحنة إلى الكتلة لجسيمات ألفا. أولًا، وجد أن هذه النسبة متقاربة سواء كان المصدر الراديوم أو الأكتينيوم ، مما يدل على أن جسيمات ألفا متماثلة بغض النظر عن المصدر. ثانيًا، وجد أن نسبة الشحنة إلى الكتلة لجسيمات ألفا تساوي نصف نسبة أيون الهيدروجين. اقترح رذرفورد ثلاثة تفسيرات: (١) جسيم ألفا هو جزيء هيدروجين (H₂ ₎ بشحنة ١e ؛ (٢) جسيم ألفا هو ذرة هيليوم بشحنة ٢e ؛ (٣) جسيم ألفا هو نصف ذرة هيليوم بشحنة ١e . في ذلك الوقت، كان العلماء يعلمون أن أيونات الهيدروجين لها وزن ذري ١ وشحنة ١e ، وأن الهيليوم له وزن ذري ٤. لم يكن أحد يعرف بدقة عدد الإلكترونات في الذرة. لم يكن البروتونات والنيوترونات قد اكتُشفت بعد. رجّح رذرفورد أن التفسير الثاني هو الأكثر منطقية لأنه الأبسط، ولأن رواسب الهيليوم الكبيرة كانت تُوجد عادةً تحت الأرض بجوار رواسب العناصر المشعة. كان تفسيره أن جسيمات ألفا المنبعثة من العناصر المشعة تحت الأرض، تُحاصر في طبقات الصخور وتكتسب إلكترونات، فتتحول إلى ذرات هيليوم. ^{[ 23 ]} لذا، فإن جسيم ألفا هو في الأساس ذرة هيليوم منزوعة إلكترونين.    

في عام ١٩٠٩، أثبت إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أخيرًا أن جسيمات ألفا هي في الواقع أيونات الهيليوم. ^{[ ٢٤ ]} ولتحقيق ذلك، جمعا الغاز المنبعث من الراديوم، وهو باعث معروف لجسيمات ألفا، ونقّياه في أنبوب زجاجي. وأدى تفريغ شرارة كهربائية داخل الأنبوب إلى إنتاج ضوء. وأظهرت دراسة لاحقة لطيف هذا الضوء أن الغاز هو الهيليوم، وبالتالي فإن جسيمات ألفا هي بالفعل أيونات الهيليوم. ^{[ ١٠ ] : ٦١}

في عام 1911، استخدم رذرفورد بيانات تشتت جسيمات ألفا ليُثبت أن الشحنة الموجبة للذرة تتركز في نواة صغيرة. وفي عام 1913، اقترح أنطونيوس فان دن بروك أن الشحنة النووية في الذرة، وبالتالي عدد الإلكترونات، يساوي عددها الذري . ^{[ 10 ] : 228 [ 25 ] [ 26 ]} لذلك، تحتوي ذرة الهيليوم على إلكترونين، وجسيم ألفا هو في جوهره نواة هيليوم. وفي عام 1920، استنتج رذرفورد وجود البروتون كمصدر للشحنة الموجبة في الذرة. وفي عام 1932، اكتشف جيمس تشادويك النيوترون . ومنذ ذلك الحين، أصبح معروفًا أن جسيم ألفا هو تجمع لبروتونين ونيوترونين.

على الرغم من معرفة نظائر المادة المضادة للهيليوم-3 منذ عام 1970، إلا أن الأمر استغرق حتى عام 2010 ليتمكن أعضاء فريق STAR الدولي ، باستخدام مصادم الأيونات الثقيلة النسبية في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، من اكتشاف نظير المادة المضادة لنواة الهيليوم-4. ^{[ 27 ]} وكما هو الحال في تجارب تشتت رذرفورد ، استخدمت تجربة المادة المضادة الذهب. هذه المرة، تحركت أيونات الذهب بسرعة تقارب سرعة الضوء واصطدمت وجهاً لوجه لإنتاج الجسيم المضاد، والذي يُطلق عليه أيضاً اسم "جسيم ألفا المضاد". ^{[ 28 ]}

في مجال تكنولوجيا الحاسوب، رُبطت " الأخطاء العابرة " في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) بجسيمات ألفا في عام 1978 في رقائق DRAM من إنتاج شركة إنتل . وقد أدى هذا الاكتشاف إلى فرض رقابة صارمة على العناصر المشعة في تغليف مواد أشباه الموصلات، ويُعتبر أن المشكلة قد حُلت إلى حد كبير. ^{[ 36 ]}

• نويدة ألفا
• عملية ألفا (المعروفة أيضًا باسم التقاط ألفا، أو سلم ألفا)
• جسيم بيتا
• الأشعة الكونية
• الهيليون ، نواة الهيليوم-3 وليس الهيليوم-4
• قائمة النظائر المشعة لجسيمات ألفا
• الفيزياء النووية
• فيزياء الجسيمات
• النظير المشع
• أشعة:
  • أشعة بيتا
  • أشعة غاما
  • δ شعاع دلتا
  • إشعاع إبسيلون
• تشتت رذرفورد

• تيبلر، بول؛ ليويلين، رالف (2002). الفيزياء الحديثة (  الطبعة الرابعة). دبليو إتش فريمان . رقم ISBN 978-0-7167-4345-3.

الوسائط المتعلقة بجسيمات ألفا على ويكيميديا ​​كومنز