Alpha粒子

**α 粒子**（英語：Alpha particle），也被稱作 **α 射線**或 **α 輻射**，是由兩個質子及兩個中子組成的粒子，其與氦 - 4 的原子核相同。它以第一個希臘字母 α 命名，可以寫作 α 或 α2+，通常在 α 衰變中產生。因為 α 粒子與氦原子核相同，有時也會寫成 He2+ 
或 4 
2He2+ 
以代表 + 2 價（失去兩個電子）的氦離子。當 α 粒子從環境中得到電子，它就會變成一般（電中性）的氦原子 4 
2He。

α 粒子的自旋為 0。由於標準 α 放射性衰變的機制，α 粒子一般會有大約 5 MeV 的動能以及相當於 4% 光速的速度。（見下方「# 能量與吸收」）。它是具高游離性的粒子輻射，通常（當其由放射性 α 衰變產生時）有較小的穿透深度（可以被數公分的大氣層或皮膚阻擋）。

然而，由三元分裂產生的所謂長射程 α 粒子能量及穿透深度都是原本的三倍。比起核分裂過程所產生的氦原子核，組成 10~12% 宇宙射線的氦原子核通常也有較大的能量，能夠穿透人體及數公尺的固體屏障，而少部分由粒子加速器製造的高能氦原子核也具有相同的能量。

## 名稱

有些科學作家會把「雙游離氦原子核（He2+ 
）」和「α 粒子」當作相同的術語，但這個命名法並非定義良好。和 β、γ 粒子 / 射線一樣，粒子的名字都隱含了它的製造過程及所含能量，但這些都沒有被嚴格地應用。 因此，當所指的是恆星的核融合反應（例如 3 氦過程），甚至是宇宙射線的一部分時，"α 粒子" 可以適當地作為術語使用，比 α 衰變所產生的還要高能的 α 是一種不常發生的核分裂 -三元分裂的常見產物。然而，由粒子加速器（迴旋加速器、同步加速器等）所製造的氦原子核比較不能夠被稱為「α 粒子」。

## α 粒子的來源

### α 衰變

α 粒子廣為人知的來源為重原子（>106 u）的 α 衰變。當原子在 α 衰變中放出 α 粒子，原子的質量數會因為失去 α 粒子的四個核子而減少四，原子序會因為失去兩個質子而減少二，該原子會變成新的元素。例如：鈾衰變成釷、鐳衰變成氡即為這類由 α 衰變進行的核轉換。

α 粒子容易從所有具高放射性的原子放出，如鈾、釷、錒、鐳以及超鈾元素。與其他衰變不同的是，α 衰變必須要有一個最小的原子核以完成這一過程。迄今為止發現能夠協助此過程的最小原子核為鈹 - 8 以及碲元素中最輕的核種，其質量數介於 104 到 109 之間。α 衰變有時會把原子核留在激發態，而原子核會放出 γ 射線以釋出多餘的能量。

#### α 衰變的反應機制

和 β 衰變相比，α 衰變中包含的基本交互作用是電磁力與核力的平衡。帶正電的原子核與 α 粒子之間的庫侖靜電力促使 α 衰變發生，而核力則會抑制它發生。在古典物理學中，α 粒子並沒有足夠的能量脫離原子核內部強力形成的位能井。

然而，量子穿隧效應使 α 粒子能夠在能量不足的情況克服核力。物質波的性質允許 α 粒子在距離原子核較遠的區域停留，此時電磁力能夠抵銷核力。因此 α 粒子能夠逃脫。

### 三元分裂

核分裂過程中若發生相對稀有（數百分之一）的三元分裂，會產生特別高能的 α 粒子。在此過程中，比起一般過程的兩個，它會生成三個高能粒子，其中最小的粒子有 90% 的機率為 α 粒子，由於此類 α 粒子的能量高達 16 MeV，它們被稱為長射程 α 粒子，能量比起 α 衰變產生的 α 粒子還高出許多。中子誘發核分裂（發生在核反應爐的核反應）或是可裂變物質及可裂變錒系元素的核種（也就是可進行核分裂的重原子）進行自發核分裂（一種放射性衰變）時都可能發生三元分裂。無論是誘發或自發分裂，較重的原子核使長射程 α 粒子能夠有比起 α 衰變產生的 α 粒子有更高的能量。

### 加速器

高能氦原子核（氦離子）可以從迴旋加速器、同步加速器等粒子加速器製造。傳統上我們一般不會將其稱為 α 粒子。

### 太陽的核反應

氦原子核可能參與星體的核反應，歷史上我們偶爾會將其視為 α 反應（參見 3 氦過程）。

### 宇宙射線

組成宇宙射線 10～12％的超高能氦原子核有時會被當成 α 粒子，宇宙射線生成的機制目前仍爭論不休。

## 能量與吸收

α 衰變放出的 α 粒子的能量有少部分和放射過程的半衰期有關，蓋格 - 納托法則表明半衰期時間在位數上的差異對能量的影響小於 50%。

放出的 α 粒子所擁有的能量不同，雖然較大的原子核會放出較高能量的 α 粒子，但大部分 α 粒子的能量會介於 3~7 MeV （兆電子伏特），其上下限對應到放射半衰期極短和極長的核種放出的 α 粒子。能量與波長的關係使其可以用 α 光譜測定法識別特定核種。

擁有 5 MeV 動能的典型 α 粒子其速度為 15,000 km/s，相當於光速的 5%。對單一粒子來說這個能量相當高，但高質量代表它比起其他輻射（例如 β 粒子、中子輻射）來說速度較小

因為它的帶電及質量，α 粒子可以輕易地被材料吸收，它也只能在空氣中移動數公分，它可以被衛生紙或人類的皮膚吸收，通常可以穿透皮膚 40 微米，相當於數個細胞的深度。

## 對生物的影響

由於 α 粒子的吸收範圍短且無法穿透皮膚表層，除非直接攝入或吸入會放射 α 粒子的物質，不然 α 粒子一般來說不會對生命造成危害。因為其高質量及強吸收，若放出 α 粒子的放射性同位素進入人體（吞入、攝入或注射，1950 年前二氧化釷懸浮液曾被當作 X 光的顯影劑使用），它是游離輻射中游離性最強、最具破壞性的，劑量過大可能引起任何種類的輻射中毒。估計同劑量 α 粒子對染色體的影響比 β、γ 輻射高出 10 到 1000 倍，平均為 20 倍。一項與體內暴露在鈽和鈾的 α 輻射的歐洲核工人有關的研究發現當相對生物效應為 20 時，其致癌率（以肺癌為例）與外部暴露在 γ 輻射一樣，也就是說，攝入一單位的 α 粒子，其危險性與暴露在 20 單位的 γ 輻射一樣。強 α 放射物釙 - 210（1 mg 的 210Po 每秒放出的 α 粒子與 4.215 g 的 226Ra 相同）被懷疑與肺癌和膀胱癌有關（菸草的成分之一）。釙 - 210 曾被用來殺死俄羅斯反政府人士，2006 年被用於毒害前俄羅斯聯邦調查局中校亞歷山大・瓦爾傑洛維奇・利特維年科。

α 粒子放射性同位素被吞入時，它的危險度會遠勝於預計的半衰期與衰變速率，因為其高相對生物效應會對生物造成傷害。比起同等活性的 β 或 γ 放射性同位素，α 粒子的危險性在平均上高出 20 倍，若攝入 α 放射物則會提高到 1000 倍。

## α 粒子的歷史

在 1899 年，物理學家拉賽福（在加拿大蒙特婁的麥基爾大學工作）與維拉爾（在巴黎工作）以穿透性與在磁場中的偏折把輻射分類成三種，拉賽福命名為 α、β 與 γ。拉賽福將 α 定義為那些對一般物體穿透力最低的輻射。

拉賽福的工作也包含了測量 α 粒子的質荷比，讓他有了 α 粒子是 + 2 價氦離子的猜想（之後發現是氦原子核）。1907 年，拉賽福和托馬斯終於證明 α 粒子確實是氦離子。他們讓 α 粒子粒子穿過一個真空管的玻璃薄壁，之後管中捕捉到大量的氦離子，他們讓管中產生電火花，之後由光譜得知是氦離子，並證實 α 粒子就是氦離子。

因為 α 粒子能自然產生，又帶有能夠參與核反應的高能量，因此對 α 粒子的研究可以帶來早期的核物理學知識。拉賽福用溴化鐳放出的 α 粒子推斷湯木生的梅子布丁模型在根本上有瑕疵。在拉賽福的學生蓋革和馬士登進行的 α 粒子金箔散射實驗中，一束 α 粒子被製造並射向金箔（幾百個原子薄）。以硫化鋅硫化鋅當作光屏，α 粒子撞上時會產生光線，拉賽福認為若原子的梅子布丁模型是正確的，則均勻分布的正電荷應只會讓帶正電的 α 粒子輕微偏轉。

實驗發現有些 α 粒子偏折的幅度比預期的大（在拉賽福的建議下進行確認），有些甚至幾乎反彈回來，拉賽福認為若梅子布丁模型是正確的，則被反彈的粒子就像是 15 吋的砲彈射向衛生紙，但砲彈卻被彈開一樣。只有當原子的正電荷集中在中心時，才能將 α 粒子彈開，也就是原子核。

在這之前，沒有人知道 α 粒子自己就是原子核，也不知道質子和中子。這次實驗後，湯木生的的梅子布丁模型被遺棄，之後出現了波耳模型以及現代的波動力學模型。

在 1917 年，拉賽福意外地用 α 粒子進行了核轉換。1901 年之後一個元素轉換成另一個元素被認為是自然的放射性衰變，但當拉賽福將 α 衰變產生的 α 粒子射入空氣時，產生了新的輻射，後來被確認是氫離子（拉賽福命名為質子）。之後的實驗發現質子是由空氣中的氮氣產生，而這個反應被推定是氮轉變成氧的核轉換。

　
: 14N + α → 17O + p

這是第一個被發現的核反應。

在右邊的布拉格曲線中，可看見 α 粒子在末段失去較多能量。

## 反 α 粒子

2011 年，STAR 的成員在美國能源部的布魯克黑文國家實驗室中，利用相對論性重離子對撞機發現了氦原子核的反物質，也被稱作反 α。該實驗將金離子以接近光速對撞以產生反粒子。

## 應用

* 有些煙霧探測器裡面會有少量的 α 放射物鎇 - 241。α 粒子會游離空氣讓電流通過。火焰引起的煙霧粒子會使電流降低，進而使警報響起。此同位素無論是吸入或攝入都非常危險，但只要保持密封就可以最小化傷害。許多美國直轄市已經計畫收集並回收老舊的煙霧探測器以避免它們進入一般的垃圾處理管道。
* α 衰變可安全地提供太空探測器和心律調節器中使用的放射性同位素熱電機所需的能量。α 衰變比起其他衰變更容易被阻擋。鈽 - 238，α 粒子的來源之一，只需要 2.5 毫米的鉛就能阻隔具危險性的輻射放出。
* 防靜電裝置通常會使用釙 - 210，α 粒子放射物，游離空氣讓「靜電吸附力」更快消散。
* 科學家正嘗試利用 α 放射性同位素的破壞性，以少量同位素破壞腫瘤。

### α 粒子用於治療癌症

α 放射性同位素可以用三種方式根除惡性腫瘤：針對特定組織進行不熔放射性治療（鐳 - 223），作為放射源置入腫瘤（鐳 - 224），作為腫瘤指向分子的連結物，像是抗體與抗原（腫瘤）的關係。

#### 鐳 - 223

* 鐳 - 223 是一種 α 放射物，因為它是一種擬鈣劑，它會自然地吸附在骨頭上。鐳 - 223（在 RaCl2 的形式下）可以注入病人的靜脈，它會進入那些因為癌細胞轉移而快速增生的骨骼區域。
* 一旦進入骨骼，鐳 - 223 可以放出 α 輻射並摧毀 100 微米內的實體腫瘤。從 2013 年開始，一個名為氯化鐳的藥品（商品名稱為鐳治骨 ®）被用於治療轉移到骨骼的前列腺癌。
* 注入血液循環的放射性核種可以抵達有血管的地方。然而，這也代表對於內部並未血管化（裡面幾乎沒有血流通過）的大型腫瘤來說，無法有效地以放射線來根除。

#### 鐳 - 224

* 鐳 - 224 是放射性原子，它被當成新型癌症治療方式 DaRT（擴散 α 放射性治療）的 α 輻射來源，該治療用儀器的名稱為 Alpha DaRT™。
* Alpha DaRT 由數個以鐳 - 224 浸泡的不鏽鋼圓型管線組成。每個鐳 - 224 經過衰變會產生 6 個衰變產物，此時會放出 4 個 α 粒子。α 粒子的射程最多只到 100 微米，不足以處理大部分的腫瘤，然而鐳 - 224 的衰變產物可以在組織內擴散到 2~3 毫米，藉此產生 "死區" 有足夠的輻射以清除腫瘤（當管線設置恰當時）。
* 鐳 - 224 的半衰期足夠短（3.6 天），可以有快速的臨床效果而避免長期暴露在輻射下引起的傷害。同時，它的半衰期夠長，讓它可以即時從世界上的任何地方送到癌症治療中心。

#### α 標靶治療

* 針對實體腫瘤的 α 標靶治療包含連接 α 放射性同位素到腫瘤指向分子上，就像抗體一樣，可以用靜脈注射的方式治療癌症病人。
* 傳統上，抗體放射性核種共軛物已經使用 β 放射性核種。舉例來說，長久以來碘 - 131 被用於甲狀腺癌的治療。
* 近期，α 放射物錒 - 225 被用來研究以用於轉移性攝護腺癌的治療。錒 - 225 被連結在前列腺特定膜抗原（PSMA），因為它有 10 天的半衰期，在衰變成鉍 - 209 時會放出 4 個 α 粒子，因此其在臨床上相當實用。

## α 輻射與 DRAM 錯誤

1978 年，Intel 的 DRAM（動態隨機存取記憶體）晶片的 "軟性錯誤" 被發現與 α 粒子有關。之後藉由嚴格控制半導體材料中放射性元素的包裝解決了這項錯誤。

## 參見

* α 核種
* α 作用 （也被稱作 α 捕獲或 α 梯）
* β 粒子
* 宇宙射線
* 氦核，氦 - 3 而不是氦 - 4 的原子核
* α 放射性材料列表
* 核子物理
* 粒子物理學
* 放射性同位素
* 射線：
  * β 射線
  * γ 射線
  * δ 射線
  * ε 射線
* 拉塞福散射

## 註釋

## 參考資料

## 延伸閱讀

* Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph. Modern Physics 4th. W. H. Freeman. 2002. ISBN 978-0-7167-4345-3.

## 外部連結