Spectroscopie des particules alpha - Alpha-particle spectroscopy

La spectrométrie alpha (également connue sous le nom de spectroscopie alpha(-particulaire) ) est l'étude quantitative de l'énergie des particules alpha émises par un nucléide radioactif qui est un émetteur alpha .

Comme les particules alpha émises sont monoénergétiques (c'est-à-dire qu'elles ne sont pas émises avec un spectre d'énergies, comme la désintégration bêta ) avec des énergies souvent distinctes de la désintégration, elles peuvent être utilisées pour identifier de quel radionucléide elles proviennent.

[Pour les méthodes des rayons gamma et des particules bêta, veuillez consulter respectivement la spectroscopie gamma et le comptage à scintillation liquide .]

méthodes expérimentales

Exemple de la façon dont différents chemins de particules alpha monoénergétiques émises perdraient de l'énergie et provoqueraient donc un élargissement du signal sur le spectre de raies. Tous les chemins perdent de l'énergie à l'air et à la fenêtre du détecteur. Les chemins plus longs perdent plus d'énergie. Les chemins iii et iv montrent également une perte d'énergie passant à travers le matériau source lui-même. Les flèches rouges indiquent la magnitude de l'énergie avec laquelle la particule est détectée.

Comptage à l'aide d'une source dans un disque métallique

Il est courant de placer une goutte de la solution d'essai sur un disque métallique qui est ensuite séché pour donner un revêtement uniforme sur le disque. Celui-ci est ensuite utilisé comme échantillon d'essai. Si l'épaisseur de la couche formée sur le disque est trop épaisse alors les raies du spectre sont élargies à des énergies plus basses. En effet, une partie de l' énergie des particules alpha est perdue lors de leur déplacement à travers la couche de matière active.

Scintillement liquide

Une méthode alternative consiste à utiliser le comptage interne par scintillation liquide , où l'échantillon est mélangé avec un cocktail de scintillation. Lorsque les émissions lumineuses sont ensuite comptées, certaines machines enregistrent la quantité d'énergie lumineuse par événement de désintégration radioactive . En raison des imperfections de la méthode de scintillation liquide (telles qu'un échec pour tous les photons à détecter, les échantillons troubles ou colorés peuvent être difficiles à compter) et le fait que la trempe aléatoire peut réduire le nombre de photons générés par décroissance radioactive, il est possible d'obtenir un élargissement des spectres alpha obtenus par scintillation liquide. Il est probable que ces spectres de scintillation liquide seront soumis à un élargissement gaussien , plutôt qu'à la distorsion présentée lorsque la couche d'un matériau actif sur un disque est trop épaisse.

Spectres alpha

Intensité contre l'énergie alpha pour quatre isotopes , notez que la largeur de la ligne est étroite et que les détails fins peuvent être vus

Intensité par rapport à l'énergie alpha pour quatre isotopes, notez que la largeur de la ligne est large et que certains des détails fins ne peuvent pas être vus. Ceci est pour le comptage à scintillation liquide, où les effets aléatoires provoquent une variation du nombre de photons visibles générés par désintégration alpha

De gauche à droite les pics sont dus à ²⁰⁹ Po, ²³⁹ Pu, ²¹⁰ Po et ²⁴¹ Am. Le fait que des isotopes tels que ²³⁹ Pu et ²⁴¹ Am aient plus d'une raie alpha indique que le noyau (fille) peut être à différents niveaux d'énergie discrets .

Etalonnage : le MCA ne fonctionne pas en énergie, il fonctionne en tension. Pour relier l'énergie à la tension, il faut calibrer le système de détection. Ici, différentes sources d'émission alpha d'énergie connue ont été placées sous le détecteur et le pic d'énergie complet est enregistré.

Mesure de l'épaisseur des films minces : Les énergies des particules alpha provenant de sources radioactives sont mesurées avant et après le passage à travers les films minces. En mesurant la différence et en utilisant SRIM, nous pouvons mesurer l'épaisseur de feuilles minces.

Cinématique de la désintégration alpha

L'énergie de décroissance, Q (également appelée valeur Q de la réaction ), correspond à une disparition de la masse.

Pour la réaction nucléaire de désintégration alpha : , (où P est le nucléide parent et D la fille). ${\displaystyle {\ce {^{A}_{Z}P -> ^{(A-4)}_{(Z-2)}D + \alpha}}}$

${\displaystyle Q{_{\alpha }}=(m_{P}-m_{D}-m_{\alpha })c^{2}}$, ou pour mettre dans les unités les plus couramment utilisées : Q (M eV ) = -931,5 Δ M ( Da ), (où Δ M = ΣM _produits - ΣM _réactifs ).

Lorsque le nucléide fille et la particule alpha formés sont dans leur état fondamental (commun à la désintégration alpha), l'énergie totale de désintégration est divisée entre les deux en énergie cinétique (T) :

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

La taille de T dépend du rapport des masses des produits et en raison de la conservation de la quantité de mouvement (la quantité de mouvement du parent = 0 au moment de la décroissance), cela peut être calculé :

${\style d'affichage p_{\alpha }+p_{D}=0}$

${\displaystyle T=0.5mv^{2}}$et ,${\style d'affichage p=mv}$${\displaystyle \therefore p={\sqrt {2mT}}}$

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

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

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

La particule alpha, ou noyau ⁴ He, est une particule particulièrement fortement liée. Ceci , combiné avec le fait que l'énergie de liaison par nucléon a une valeur maximale près de A = 56 et diminue systématiquement pour les noyaux plus lourds, crée la situation dans laquelle les noyaux avec A> 150 Q ont positives _alpha -values pour l'émission de particules alpha.

Par exemple, l'un des isotopes naturels les plus lourds (en ignorant les charges) : ${\displaystyle {\ce {^238U -> ^234Th + ^4He}}}$

Q _α = -931,5 (234,043 4,002 601 + 603 254 13 à 238,050 788 2) = 4,2699 MeV

Notez que l'énergie de désintégration sera divisée entre la particule alpha et la lourde fille de recul de sorte que l'énergie cinétique de la particule alpha (T _α ) sera légèrement inférieure :

T _α = (234,043 601 / 238,050 788 2) 4,2699 = 4,198 MeV, (noter que ceci est la ^238g U pour ^238g Th réaction, qui dans ce cas a le rapport de branchement de 79%). L'énergie cinétique du noyau fille de recul du ²³⁴ Th est T _D = (m _α /m _P )Q _α = (4,002 603 254 13/238,050 788 2) 4,2699 = 0,0718 MeV ou 71,8 keV, ce qui, bien que beaucoup plus petit est encore sensiblement plus grand que celle des liaisons chimiques (<10 eV), ce qui signifie que le nucléide fils se détachera de l'environnement chimique dans lequel le parent se trouvait.

Exemple de la façon dont l'énergie des particules alpha détectée diminue avec l'augmentation de la pression atmosphérique (de droite à gauche).

L'énergie de recul est également la raison pour laquelle les spectromètres alpha, lorsqu'ils fonctionnent sous pression réduite, ne fonctionnent pas à une pression trop basse de sorte que l'air aide à empêcher la fille de recul de sortir complètement de la source alpha d'origine et de causer de graves problèmes de contamination si les filles sont elles-mêmes radioactives.

Les valeurs Qα augmentent généralement avec l'augmentation du numéro atomique, mais la variation de la surface de masse due aux effets de coque peut dépasser l'augmentation systématique. Les pics aigus près de A=214 sont dus aux effets de la coque N=126.

Les références