Oddziaływanie promieniowania alfa z materią

Gdy cząstki α wpadają w materię, wygląda to trochę tak, jak przy grze w kręgle. Kula początkowo całkowicie przewraca kręgle, ale gdy tylko straci w pierwszym zderzeniu swoją energię kinetyczną, zapanowuje spokój. A sama kula zbyt daleko już się nie potoczy.

Podobnie cząstki α, jako promieniowanie silnie jonizujące, mogą być niebezpieczne jedynie na bardzo niewielkim odcinku. Jak tylko oddadzą swoją energię, stają się nieszkodliwe.

Promieniowanie alfa: Szybko pochłaniane

Powietrze całkowicie pochłania promieniowanie α z naturalnych substancji promieniotwórczych już na drodze kilku centymetrów (do około 10 cm); w tkance biologicznej cząstki a dochodzą jedynie na odległość 0,1 mm.

W związku z tym łatwo się osłonić przed promieniowaniem α. Cząstki α tracą swoją energię jonizując lub wzbudzając atomy ośrodka, przez który przechodzą. Nie czynią tego cały czas. W komorze Wilsona, która pokazuje tory cząstek w postaci łańcuszków kropelek wody, powstałych wokół wytworzonych podczas lotu jonów - tory strumienia cząstek α o określonej energii kinetycznej wyglądają jak pędzel do golenia. Obejrzyj poniższy film. Jak można to wyjaśnić?

Cząstki α mogą jonizować cząsteczki gazu tak długo, na ile wystarczy im energii. W tym momencie ich ślad zanika w komorze Wilsona. Każdy gaz potrzebuje do pojedynczej jonizacji swoich cząsteczek określonej energii. Gdy cząstka α nie ma już wystarczająco dużo energii kinetycznej, to nie może więcej jonizować przy zderzeniach. Ponieważ każda cząstka napotyka na odcinek drogi mniej więcej tę samą liczbę cząsteczek gazu, wszystkie cząstki α posiadające tę samą energię pokonują prawie taką samą drogę, dotąd aż jonizacja nie jest już możliwa.

A ile jonów produkują w ten sposób cząstki α?

Cząstki α nie produkują na każdym kolejnym odcinku drogi tej samej ilości jonów. Poniższa krzywa, tzw. krzywa Bragga, pokazuje, ile jonów powstaje na początku i pod koniec drogi w ośrodku materialnym. Jak widać na wykresie, ilość powstałych jonów nie zmienia się proporcjonalnie do drogi przebytej przez cząstkę α. Wytłumaczenie tego faktu jest bardzo proste. Cząstka α porusza się coraz wolniej, a tym samym dłużej przebywa w sąsiedztwie napotkanej cząsteczki gazu, dzięki czemu wzrasta prawdopodobieństwo oderwania elektronu i utworzenia pary jonów (proces ten nazywamy jonizacją). Jednocześnie zwiększa się prawdopodobieństwo przyłączenia przez cząstkę α elektronów, co prowadzi do utworzenia obojętnego elektrycznie atomu helu. W tym momencie zdolność cząstki α do jonizacji spada do zera.

Rys. Krzywa Bragga dla cząstki alfa o energii 5,49 MeV w powietrzu, źródło: Wikipedia, opracowanie własne

Ponieważ cząstki α nie wnikają głęboko, można się przed nimi osłonić już za pomocą kartki papieru. Jeśli trafią na skórę człowieka, zostaną wyłapane w jej górnych warstwach. Z tego też powodu łatwo jest zatrzymać cząstki α. Dla producentów urządzeń pomiarowych stwarza to jednak problem. Dla wykrycia cząstek α za pomocą licznika Geigera-Müllera należy zadbać o to, aby cząstki α dotarły do wnętrza licznika – a więc okienko wlotowe musi być odpowiednio cienkie. W innym przypadku cząstki α zostaną po prostu zatrzymane, nim dotrą do licznika.