мини|desno|250px|Znak za opasnost od radioaktivnosti 250px|мини|desno|Alfa-zračenje može zaustaviti papir; beta-zračenje može zaustaviti aluminijumski lim debeo nekoliko milimetara; a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča. мини|desno|250px|Izvor alfa-čestica ispod detektora zračenja мини|desno|250px|Bragova kriva prikazuje broj jonizacijskih parova koje stvaraju alfa-čestice na raznim udaljenostima od izvora. мини|desno|250px|Budući da poluprečnik atomskog jezgra iznosi oko 10-15 -{m}-, a brzina alfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106 -{m/s}-, izlazi da alfa-čestica dolazi do spoljašnje površine približno 106/10-15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobegne iz jezgra nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bit tunel efekta. мини|desno|250px|Prikaz građe Sunca:: 1. Jezgro 2. Zona zračenja 3. Zona konvekcije 4. Fotosfera 5. Hromosfera 6. Korona 7. Sunčeve pege 8. Granule 9. Protuberance
Alfa čestica je čestica koja se sastoji od dva protona i dva neutrona. Od jezgra helijuma se razlikuje samo svojom velikom brzinom kretanja. Najčešća kinetička energija alfa-čestice je 5 -{MeV}-, odnosno brzina 15 000 -{km/s}-. Označava se -{He}-2+ ili 24-{He}-2+. Ukupan spin alfa-čestice je nula, pa je ona bozon.
Prirodno nastaje alfa raspadom radioaktivnih atomskih jezgara. Kinetička energija (brzina kretanja) alfa-čestice zavisi od atomskog jezgra iz kojeg je emitovana pa je, na primer, doseg alfa-čestice emitovane iz bizmuta-283, u vazduhu pri normalnom pritisku i sobnoj temperaturi, 4,7 cm, a iz polonijuma-218 je 8,5 cm.Počela fizike, Ivan Supek, Miroslav Furić, Školska knjiga, Zagreb 1994 Struja alfa-čestica (alfa-zračenje) vrlo brzo gubi kinetičku energiju zbog jakog jonizujućeg delovanja i ne prodire duboko u materiju (zaustavlja je običan list papira).
Masa alfa čestice je 6,644656 × 10−27 -{kg}-, što odgovara anihilacijskoj energiji od 3,72738 -{GeV}-. Alfa-čestice se šire brzinom od oko 1/20 brzine svetlosti, što je dovoljno sporo da mogu relativno dugo međudelovati sa materijom. Zato imaju jako jonizujuće delovanje. Zbog svoje će se veličine brzo sudariti s nekim od atoma i izgubiti energiju, pa im je doseg mali (nekoliko cm), a zaustavlja ih već koža ili komad papira. Ako se unesu u telo hranom ili udisanjem, mogu biti opasne zbog svog jakog jonizujućeg delovanja."Kemija I", chem.grf.unizg.hr, 2011.
Izvori alfa-čestica Alfa raspad Alfa raspad je pretvaranje jednog atomskog jezgra u drugo uz zračenje alfa-čestica. Jezgro se transformiše (ili „raspada”) na manje jezgro masenog broja manjeg za 4 i atomskog broja manjeg za 2 i na alfa-česticu. Prema zakonu pomicanja atomi radioaktivnih elemenata koji emituju alfa-čestice prelaze u atome, čija je atomska masa manja za 4 atomske jedinice, a atomski broj manji za 2, tj. prelaze u atome elemenata, koji u periodnom sistemu elemenata zauzimaju položaj pomeren za dva mesta ulevo. Na primer:"Od rude do žutog kolača" , Nuklearna elektrana Krško, 2011. 238U → 234Th + α
Većina helijuma na Zemlji (oko 99%) je produkat alfa raspada uranijuma i torijuma. Do raspada dolazi zbog nestabilnosti atomskog jezgra, odnosno neuravnoteženoga broja protona i neutrona u njemu. Neka su atomska jezgra prirodno nestabilna i raspadaju se u dužem ili kraćem vremenskom intervalu (vreme poluraspada), a neka stabilna atomska jezgra mogu postati nestabilne nakon što na njih deluju čestice velike energije.
Alfa raspad se događa najčešće kod masivnih jezgara koja imaju prevelik odnos protona u odnosu na neutrone. Alfa čestica s dva protona i dva neutrona je vrlo stabilna konfiguracija nukleona. Mnoga se jezgra masivnija od olova (> 106 u ili više od 106 atomskih jedinica mase) raspadaju ovim raspadom. Najmanje atomsko jezgro koja može zračiti alfa-čestice je telur (Z = 52), koji ima atomsku masu od 106 do 110. Kod alfa raspada atomska masa i redni brojevi jezgra se menjaju, što znači da atomsko jezgro koja se raspada i jezgra nastala tim raspadom pripadaju različitim hemijskim elementima, te stoga, imaju različita hemijska svojstva.
Kad je odnos neutrona i protona u atomskom jezgru određenih atoma prenizak, oni emituju alfa-česticu kako bi uspostavili ravnotežu. Na primer: polonijum-210 ima 126 neutrona i 84 protona što je odnos od 1,50 naprema 1. Nakon radioaktivnog raspada emitovanjem alfa-čestice, odnos postaje 124 neutrona naprema 82 protona ili 1,51 naprema 1. Budući da broj protona u jezgru određuje element, polonijum-210 nakon emisije alfa čestice postaje olovo-206 koji je stabilan element.
Atomi koji emituju alfa-čestice uglavnom su vrlo veliki atomi, tj. imaju visoke atomske brojeve. Mnogo je prirodnih i veštačkih radioaktivnih elemenata koji emituju alfa-čestice. Prirodni izvori alfa-čestica imaju atomski broj najmanje 82, uz neke izuzetke. Najvažniji alfa emiteri su: americijum-241 (Z = 95), plutonijum-236 (Z = 94), uranijum-238 (Z = 92), torijum-232 (Z = 90), radijum-226 (Z = 88), radon-222 (Z = 86). Alfa emiteri su prisutni u različitim količinama u gotovo svim stenama, tlu i vodi. Nakon emisije, alfa čestice se zbog velike mase i električnog naboja kreću relativno sporo (otprilike 1/20 brzine svetlosti) i u vazduhu potroše svu energiju nakon nekoliko centimetara i tada da vežu slobodne elektrone i postaju helijum. "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.
Brzina i energija alfa-čestica U pogledu početne brzine alfa-čestica, energije, dometa, apsorpcije i prodornosti kroz razne materije, kao i sposobnost za jonizaciju gasova, utvrđeno je da one imaju svoje posebne osobine, koje zavise od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiču. Početna brzina alfa-čestica je različita za različite radioaktivne elemente i iznosi od 14 000 do 22 000 -{km/s}-, što je oko 5 do 7,5% brzine svetlosti.
Energija alfa-čestica zavisi od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiče i kreće se od 4 do 10 -{MeV}-. Ispočetka se smatralo da sve alfa-čestice, koje emituju radioaktivni elementi, imaju istu brzinu, ali su onda eksperimenti pokazali da jedan radioaktivni izotop može zračiti alfa-čestice različitih brzina ili različitih kinetičkih energija. Tako je poznato da radijum-226 zrači alfa-čestice sa 4 energetske grupe: 7,68 -{MeV}-, 8,277 -{MeV}-, 9,066 -{MeV}- i 10,505 -{MeV}-.
Domet i apsorpcija alfa-čestica Hans Gajger je empirijskim putem utvrdio zavisnost dometa alfa-čestica, pod standardnim pritiskom i temperaturom, od njihove početne brzine. Takođe je Gajger, zajedno s Džonom Nutalom, pronašao vezu između vremena poluraspada, odnosno konstante raspadanja λ, nekog radioaktivnog elementa koji zrači alfa-čestice i njihovog dometa u vazduhu, što se naziva Gajger-Natalov zakon:
gde je: λ - konstanta raspadanja (λ = ln 2/vreme poluraspada), -{Z}- – atomski broj, -{E}- – ukupna kinetička energija (alfa-čestice i atomskog jezgra iz koga je nastala), te a1 i a2 - konstante.
S obzirom na vreme poluraspada radioaktivnih elemenata, utvrđeno je da nestabilni atomi s kratkim životom zrače alfa-čestice velike energije, velike brzine i velikog dometa. Domet alfa-čestice se kreće od 28 mm (torijum-232, vreme poluraspada 1,39 x 1010 godina) do 86 mm (polonijum-212, vreme poluraspada 3 x 10−7 sekundi).
Ni sve alfa-čestice jednog istog radioaktivnog elementa nemaju isti domet. Generalno, od ukupnog broja alfa-čestica, najveći njihov deo ima isti domet, a manji deo ima više snopova različitog dometa. To znači, da se alfa-čestice, koje emituje jedan isti izvor, mogu sastojati iz više grupa različitih brzina, odnosno energija. Uglavnom se pojavljuje spektar alfa-čestica, sastavljen od dve ili više odvojenih energetskih grupa.
Iako alfa-čestice imaju veliku masu i energiju, ipak su njihovi dometi kratki, jer ih hemijske materije kroz koje prolaze zaustavljaju. Ovo zaustavljanje nastaje zbog medudelovanja pozitivno naelektrisanih alfa-čestice i negativnih elektrona iz materije kroz koje prolaze. Pri tome, elektroni mogu biti izbačeni iz atoma te materije, a potrebnu energiju daje alfa-čestica. Smanjenjem energije alfa-čestice smanjuje se i njena brzina, a to omogućava da se elektroni s njima sastavljaju, pa se tako dobijaju atomi helijuma, koji su električno neutralni. Ipak, pri tome kretanju nastaje vrlo jaka jonizacija."Uvod u nuklearnu energetiku", Prof. dr. sc. Danilo Feretić, 2011.
Jonizujuće zračenje Utvrđeno je da alfa-čestice koje zrače iz raznih radioaktivnih elemenata proizvode od 50 000 do 100 000 jonskih parova, na jedan centimetar vazduha, čime nastaje jonizujuće zračenje. Ako se napravi dijagram koji će na apscisi imati udaljenost alfa-čestica od izvora zračenja, a na ordinati broj jonizujućih parova koje stvaraju alfa-čestice na raznim udaljenostima od izvora, dobija se Bragova kriva. Na njenom završnom delu, vidi se znatan uspon, a zatim nagli pad.
Tunel efekt Velika je poteškoća nastala da se objasni kako je moguće da alfa-čestice, čija kinetička energija iznosi pri izbacivanju iz radioaktivnih atomskih jezgara od 4 do 10 -{MeV}-, da prođu kroz potencijalnu energetsku barijeru, čije najveće vrednosti kod elemenata s velikim atomskim brojem iznose oko 25 -{MeV}-. Prema klasičnoj teoriji, izlazi da alfa-čestice, koje se nalaze u unutrašnjosti atomskog jezgra, ne mogu da prodru kroz barijeru i da se iz njega se oslobode sa energijom koja je manja od energije potencijalne barijere.
Isto tako, teško je bilo objasniti zašto radioaktivni elementi imaju tako dugo vreme poluraspada, koji na primer za radijum-226 iznosi 1600 godina. To znači da se u tako dugom vremenskom periodu, nukleoni (protoni i neutroni) moraju držati zajedno u atomskom jezgru, iako ponekad spontano, bez spoljašnjih uticaja, dva protona i dva neutron u obliku alfa-čestice budu izbačeni iz nje.
Taj problem je teoretski rešio 1928. Džordž Gamov, a nezavisno o njega Ronald Gurnej i Edvard Kondon, razvivši teoriju tunelskog efekta. Prema kvantnoj fizici postoji verovatnoća da se alfa-čestica s određenom energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere, oslobodi atomskog jezgra, kad dođe do njegove površine. Ova verovatnoća je veća ako je veća energija alfa-čestice i ako je širina barijere manja od vrednosti njene energije. Alfa-čestica će na neki način dobiti dovoljnu količinu energije od drugih nuklearnih čestica, za svladavanje potencijalne barijere.
Za alfa-čestice sposobne da dospeju do vanjske površine i da ponovno budu ubačene u atomsko jezgro, postoji učestalost. Vrednost ove učestalosti može se odrediti deljenjem veličine poluprečnika atomskog jezgra s procenjenom brzinom, kojom se alfa-čestice kreću u atomskom jezgru. Budući da poluprečnik atomskog jezgra iznosi oko 10−15 -{m}-, a brzina alfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106 -{m/s}-, izlazi da alfa-čestica dolazi do vanjske površine približno 106/10−15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobegne iz jezgra nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bit tunel efekta.
Akceleratori čestica Akcelerator čestica je uređaj za ubrzavanje čestice sa električnim nabojem do visokih brzina. Ubrzavanje čestica postiže se primenom vrlo jakog električnog polja i/ili magnetnog polja. Na primer, u električnom polju energija koju će naelektrisana čestica dobiti jednaka je umnošku njenog električnog naboja i razlike potencijala početne i krajnje tačke puta. Svi akceleratori rade s visokim vakuumom da omoguće nesmetano kretanje čestice. U akceleratoru čestica mogu nastati i alfa-čestice.
Sunčevo jezgro Sunčevo jezgro se odnosi na unutrašnji deo Sunca od centra do 20 – 25% Sunčevog poluprečnika. To je najtopliji deo Sunčevog sistema. Njegova gustina se kreće do 150 000 -{kg/m}-3 (150 puta više od gustine vode) i temperatura je oko 15 000 000 -{K}- (za razliku od površine gde je oko 6 000 K). Sunčevo jezgro se sastoji od toplog i vrućeg gasa, koji je u stanju plazme. Unutar Sunčevog jezgra se stvara 99% energije nuklearne fuzije Sunca. U Sunčevom jezgru mogu nastati i alfa-čestice
Kosmički zraci