Hạt alpha do những đồng vị phóng xạ nhất định phát ra khi chúng phân hủy thành một nguyên tố bền. Nó gồm hai proton và hai neutron; nó mang điện dương. Nguyên tố trải qua “phân rã alpha” biến thành một nguyên tố mới có số nguyên tử giảm hai và số khối giảm bốn so với nguyên tố ban đầu. Phân rã alpha xảy ra khi một hạt nhân có quá nhiều proton nên lực hạt nhân mạnh không có khả năng cân bằng với lực đẩy mạnh của lực điện giữa các proton. Do khối lượng của nó, nên hạt alpha chuyển động tương đối chậm (chưa tới 10% tốc độ ánh sáng), và nó có thể bị chặn lại bởi một lá nhôm mỏng.
Thí nghiệm tán xạ hạt alpha
Khi Henri Becquerel lần đầu tiên phát hiện ra tính phóng xạ vào năm 1896, ông không biết rằng bức xạ đó gồm các hạt và mang năng lượng. Ernest Rutherford bắt đầu làm thí nghiệm để xác định bản chất của bức xạ trên vào năm 1898. Một thí nghiệm chứng minh rằng bức xạ trên gồm có ba loại khác nhau: một hạt dương gọi là “alpha”, một hạt âm và một dạng bức xạ điện từ mang năng lượng cao. Năm 1902, Rutherford cùng người đồng nghiệp Frederick Soddy đề xuất rằng một nguyên tố hóa học khác được hình thành hễ khi có một nguyên tố phóng xạ phân rã, một quá trình gọi là sự biến tố. Rutherford đạt giải Nobel Hóa học năm 1908 cho việc khám phá ra những nguyên lí cơ bản này của sự phóng xạ. Trong thí nghiệm “lá vàng” kinh điển của Rutherford dùng để xác định cấu trúc của nguyên tử, các trợ lí của ông, Hans Geiger và E. Marsden đã sử dụng các hạt alpha tích điện dương tốc độ cao phát ra từ polonium phóng xạ để bắn phá một lá vàng. Kết quả của thí nghiệm này cho thấy một nguyên tử gồm chủ yếu là không gian trống rỗng, với gần như toàn bộ khối lượng của nó tập trung trong một lõi rất nhỏ, đậm đặc, tích điện dương, gọi là hạt nhân. Thật ra, hạt alpha đã được nhận ra là hạt nhân của nguyên tử helium! Soddy, cùng với William Ramsay, người hồi năm 1895 đã phát hiện thấy nguyên tố helium là một thành phần của các khoáng chất trên trái đất, xác nhận rằng helium được sinh ra khi cho radium phân rã trong một ống hàn kín.
Sản phẩm đầu tiên trong phòng thí nghiệm đồng vị phóng xạ - ngược với các đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên – thu được bằng cách bắn phá các đồng vị bền bằng đạn hạt alpha. Năm 1919, Rutherford đã thành công trong việc tạo ra oxygen-17 bằng cách dùng hạt alpha bắn phá nitrogen-14 bình thường; phản ứng trên sinh ra một proton tự do. Năm 1935, Giải Nobel Hóa học được trao cho Irène và Frédéric Joliet-Curie cho nghiên cứu của họ về sự sản sinh các đồng vị phóng xạ bằng cách sử dụng hạt alpha do polonium phân rã để bắn phá những nguyên tố bền. Sau khi dùng hạt alpha bắn phá nhôm, họ nhận thấy khi hạt nhân hấp thụ một hạt alpha, nó biến đổi thành một đồng vị phóng xạ trước đó chưa biết của phospho; phản ứng trên sinh ra một hạt trung hòa chưa được nhận dạng. James Chadwick đã lặp lại thí nghiệm của họ, sử dụng một tấm bia beryllium, sau đó thu giữ hạt phát ra và sử dụng các nguyên lí của vật lí cổ điển nhận ra khối lượng của nó ngang bằng khối lượng của proton. Hạt này được đặt tên là neutron, và Chadwick đã giành Giải Nobel Vật lí năm 1935 cho khám phá trên. Sau đó, các nhà khoa học bắt đầu tăng tốc các hạt alpha lên những năng lượng rất cao trong những dụng cụ được xây dựng đặc biệt như cyclotron và máy gia tốc thẳng trước khi bắn chúng vào nguyên tố mà họ muốn làm biến tố.
Một số đồng vị phóng xạ, cả tự nhiên và nhân tạo, đã được nhận dạng là nguồn phát hạt alpha. Chuỗi phân rã của đồng vị uranium dồi dào nhất, uranium-238, thành chì-206 bền, gồm tám phản ứng phân rã alpha khác nhau. Uranium có chu kì bán rã rất lớn (4,5 tỉ năm) và vì nó có mặt trong trái đất với liều lượng dễ dàng đo được, cho nên tỉ số uranium trên chì được người ta sử dụng để ước tính tuổi của hành tinh Trái đất chúng ta. Gần đây hơn, Guenther Lugmair tại trường Đại học California ở San Diego đã nêu ra phép định tuổi sử dụng samarium-147, nguyên tố chịu sự phân rã alpha để biến đổi thành neodymium-143.
Đa số các nguyên tố phóng xạ nặng hơn uranium chịu sự phân rã alpha. Hồi thập niên 1960, khi cần một thiết bị để phân tích bề mặt mặt trăng, Anthony Turkevich đã phát triển một thiết bị tán xạ alpha, dùng cho nguồn phát alpha curium-242, một nguyên tố nặng sinh ra bởi sự phân rã alpha của americium-241. Thiết bị này đã được các sứ mệnh Surveyor 5, 6, và 7 dùng trên bề mặt mặt trăng. Plutonium đã được sử dụng để cấp nguồn cho hơn 20 phi thuyền kể từ năm 1972; nó cũng được sử dụng để cấp nguồn cho máy điều hòa nhịp tim.
Các máy dò khói ion hóa phát hiện sự có mặt của khói bằng một buồng ion hóa và một nguồn bức xạ ion hóa (americium-241). Những hạt alpha phát ra bởi sự phân rã phóng xạ của americium-241 làm ion hóa các nguyên tử oxygen và nitrogen có mặt trong buồng, làm giải phóng electron tự do và ion. Khi khói có mặt trong buồng, dòng điện sinh ra bởi các electron tự do và ion (khi chúng chuyển động về phía các bản tích điện dương và tích điện âm trong máy dò) bị trung hòa bởi các hạt khói; điều này mang lại sự giảm dòng điện và kích hoạt tín hiệu cảnh báo.
Do tính đâm xuyên kém của chúng, nên hạt alpha thường không có mối đe dọa đối với những sinh vật sống, trừ khi bị nuốt vào. Đây là vấn đề sinh ra bởi chất khí phóng xạ radon, chất hình thành qua sự phân rã phóng xạ tự nhiên của uranium (có mặt trong đá, đất, và nước trên khắp thế giới). Khi khí radon thấm lên trên đất, nó có thể bị giữ lại trong các tòa nhà, nơi nó có thể tích lũy đến hàm lượng độc hại. Radon có thể đi vào cơ thể qua phổi, tại đó nó chịu sự phân rã alpha để tạo ra polonium, một chất rắn phóng xạ vẫn ở lại trong phổi và tiếp tục phát ra bức xạ gây ung thư.
Theo Gale Encyclopedia of Science
