Типы ядерных превращений, альфа и бета-распад. Альфа- бета- и гамма- распады
испускание альфа-частиц атомными ядрами в процессе самопроизвольного (спонтанного) радиоактивного распада (см. Радиоактивность). При А.-р. из радиоактивного («материнского») ядра с атомным номером Z и массовым числом (См. Массовое число) А испускается ядро гелия
Известно (1968) около 200 α-радиоактивных ядер; большая часть их тяжелее свинца (Z > 82). Некоторое количество α-радиоактивных изотопов имеется в области значений Z Ядро атомное). Так, в области редких земель имеется несколько α-радиоактивных ядер (например, Время жизни), характерные для ядер с небольшой энергией А.-р. (см. ниже).
При А.-р. определённого радиоактивного изотопа вылетающие α-частицы имеют, грубо говоря, одну и ту же энергию. Энергия, выделяющаяся при А.-р., делится между α-частицей и ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Для разных изотопов энергия α-частиц различна. Она тем больше, чем меньше период полураспада T 1/2 данного изотопа (или его время жизни). У всех известных α-радиоактивных изотопов энергия α-частиц лежит в пределах от 2 Мэв до 9 Мэв. Времена жизни α-радиоактивных ядер колеблются в огромном интервале значений, примерно от 3 10 -7 сек для 212 Po до 5 10 15 лет для 142 Ce. Времена жизни и энергии α-частиц приведены в таблице в ст. Изотопы ; там же указаны и все α-радиоактивные изотопы.
α-частицы теряют энергию при прохождении через вещество главным образом при их взаимодействиях с электронными оболочками атомов и молекул, при которых происходит ионизация и тех и других, возбуждение и, наконец, диссоциация молекул. Для полной потери энергии α-частицы требуется очень большое число столкновений (10 4 -10 5). Поэтому в среднем все α-частицы данной энергии проходят примерно одинаковые пути с небольшим разбросом (3-4%). Так как столкновение тяжёлой α-частицы с лёгким электроном не может заметно изменить направление её движения, то этот путь - пробег α-частицы - прямолинеен.
Т. о., α-частицы данной энергии имеют вполне определённый пробег до остановки; например, в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре α-частицы имеют пробеги приблизительно от 2,5 до 8,5 см. По длине следов α-частиц в камере Вильсона можно качественно определить изотопный состав радиоактивного образца. На рис. 1 приведена фотография следов α-частиц, испускаемых при А.-р.
При вылете из ядра α-частица испытывает действие двух различных сил. Очень большие по величине и действующие на близком расстоянии Ядерные силы стремятся удержать частицу внутри ядра, в то время как кулоновское (электрическое) взаимодействие возникшей α-частицы с остальной частью ядра обусловливает появление силы отталкивания.
На рис. 2 показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия α-частицы с конечным ядром (ядром, остающимся после вылета α-частицы) от расстояния до центра ядра. Из рис. видно, что α-частица должна при вылете преодолеть Потенциальный барьер .
Полная (т. е. потенциальная плюс кинетическая) энергия α-частицы в разных ядрах может принимать как отрицательные значения, так - с ростом заряда ядра - и положительные. В этом последнем случае А.-р. будет энергетически разрешен. Сплошной линией на рис. 2 изображена суммарная энергия α-частицы в ядре (или, другими словами, энергетический уровень α-частицы в ядре). Положительный избыток полной энергии, обозначенный буквой Е, представляет собой разницу между массой радиоактивного ядра и суммой масс α-частицы и конечного ядра.
Если бы не существовало потенциального барьера, высота которого V, например, для 238 92 U равна 15 Мэв, то α-частица с положительной кинетической энергией Е (для 238 92 U кинетическая энергия составляла быАльфа-распад4,2 Мэв ) могла бы свободно покидать ядро. Практически это привело бы к тому, что ядра с положительными значениями Е вообще не существовали бы в природе. Однако известно, что в природе существуют ядра с Z ≥ 50, для которых Е положительно.
С другой стороны, с точки зрения классической механики, α-частица с энергией Е
Квантовая механика, учитывая волновую природу α-частиц, показывает, что существует конечная вероятность «просачивания» α-частицы через потенциальный барьер (Туннельный эффект). Барьер становится как бы частично прозрачным для α-частицы. Прозрачность барьера зависит от его высоты V и ширины B следующим образом:
прозрачность 
Здесь b - величина, зависящая от радиуса r ядра, m - масса α-частицы, Е - её энергия (см. рис. 2 ). Прозрачность (проницаемость) барьера тем больше, чем меньше его ширина и чем ближе к вершине потенциального барьера расположен энергетический уровень α-частицы (чем больше энергия α-частицы в ядре).
Вероятность А.-р. пропорциональна проницаемости потенциального барьера. Поскольку с увеличением энергии α-частицы уменьшается ширина барьера (рис. 2 ), становится понятной полученная экспериментально резкая зависимость вероятности А.-р. от Е - кинетической энергии α-частиц. Например, при увеличении энергии испускаемых α-частиц с 5 до 6 Мэв вероятность А.-р. увеличивается в 10 7 раз.
Вероятность А.-р. зависит также и от вероятности образования α-частицы в ядре. Прежде чем α-частица покинет ядро, она должна там сформироваться. Постоянно α-частицы в ядре не существуют. Четыре элементарные частицы, из которых она состоит, участвуют в сложном движении нуклонов в ядре и нет никакого способа отличить их от др. частиц этого ядра. Однако существует заметная (Альфа-распад10 -6) вероятность образования α-частицы в ядре на какое-то короткое время в результате случайного сближения 4 нуклонов. Только когда α-частица покинет ядро и окажется достаточно далеко от него, можно рассматривать α-частицу и ядро как две отдельные частицы.
Вероятность А.-р. резко зависит от размера ядра [см. формулу (*)], что позволяет использовать А.-р. для определения размеров тяжёлых ядер.
Как уже упоминалось, энергия α-частиц, вылетающих из ядра в результате А.-р., должна быть точно равна энергетическому эквиваленту разности масс ядер до и после А.-р., т. е. величине Е. Это утверждение справедливо только для случая, когда конечное ядро
Действительно, экспериментально показано, что α-излучение многих радиоактивных элементов состоит из нескольких групп α-частиц, энергии которых близки друг к другу («тонкая структура» α-спектра). В качестве примера на рис. 3 показан спектр α-частиц от распада 212 83 Bi (висмут-212).
На рис. 4 изображена энергетическая схема α-распада 212 83 Bi на основное и возбужденные состояния конечного ядра
Разность энергий между основной группой и линиями тонкой структуры составляет 0,04, 0,33, 0,47 и 0,49 Мэв. Экспериментально различить линии тонкой структуры α-спектров можно только с помощью магнитных Альфа-спектрометр ов.
Знание тонкой структуры спектров α-частиц позволяет вычислить энергию возбуждённых состояний конечного ядра.
Некоторые радиоактивные изотопы испускают небольшое количество α-частиц с энергиями, гораздо большими, чем энергия основной группы α-частиц. Так, например, в спектре α-частиц от распада Мэв больше, чем энергия основной группы. Интенсивность этих двух групп т. н. длиннопробежных α-частиц составляет всего Альфа-распад 10 -5 от полной интенсивности α-излучения. След одной из таких частиц виден на рис. 5 . Существование длиннопробежных частиц связано с тем, что А.-р. могут испытывать ядра, находящиеся в возбуждённом состоянии (с большей энергией).
Многие основные понятия атомной и ядерной физики обязаны своим происхождением изучению α-радиоактивности. Теория А.-р., предложенная в 1928 Г. Гамовым и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном, явилась первым применением квантовой механики к ядерным процессам. Изучение рассеяния α-частиц привело к понятию об атомном ядре как центре массы и положительного заряда атома. Облучение α-частицами лёгких элементов привело к открытию ядерных реакций и искусственной радиоактивности.
Лит.: Глесстон С., Атом. Атомное ядро. Атомная энергия, пер. с англ., М., 1961; Гольданский В. И., Лейкин Е. М., Превращения атомных ядер, М., 1958.
В.С. Евсеев.
Рис. 2. Потенциальная энергия взаимодействия α-частицы с конечным ядром. V - высота потенциального барьера, В - его ширина, Е - энергия α-частицы, r - расстояние от центра ядра.
α-частиц соответствует переходу в основное состояние, α 1 , α 2 , α 3 и α 4 - альфа-частицы, испускаемые при переходе конечного ядра в одно из возбуждённых состояний.
Рис. 1. Фотографии следов α-частиц в камере Вильсона, α-частицы испускаются источником АсС + АсС". На рис. видны 2 следа от α-частиц, испускаемых АсС". Эти частицы имеют больший пробег (6,6 см ), чем α-частицы АсС (5,4 см ).
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Синонимы :Смотреть что такое "Альфа-распад" в других словарях:
А; м. Радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускается альфа частица. * * * альфа распад (α распад), вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число … … Энциклопедический словарь
Современная энциклопедия
Альфа-распад - (a распад), вид радиоактивности; испускание атомным ядром альфа частицы. При альфа распаде массовое число (число нуклонов) уменьшается на 4 единицы, а заряд ядра (число протонов) уменьшается на 2. При этом выделяется энергия, которая делится… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Альфа-распад - (α распад) испускание альфа частиц (α частиц) при самопроизвольном радиоактивном распаде атомных ядер. Заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4. Характерен для тяжелых ядер с массовым числом А больше 200 и зарядовым числом Z… … Российская энциклопедия по охране труда
Распад ат. ядер, сопровождающийся испусканием a частицы. При А. р. заряд ядра Z (в ед. элементарного заряда) уменьшается на 2 ед., а массовое число А на 4 ед., напр.: 22688Ra® 22286Rn+42Нe Энергия, выделяющаяся при А. р., делится между a частицей … Физическая энциклопедия
АЛЬФА-РАСПАД - вид самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер, при котором испускается (см.), заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число на 4. Механизм А. р. связан с (см.) альфа частиц, которые имеют дискретный спектр энергий. А. р. относят … Большая политехническая энциклопедия
АЛЬФА-РАСПАД
Условие распада. Альфа-распад характерен для тяжелых ядер, у которых а ростом А наблюдается уменьшение энергии связи, приходящейся на 1 нуклон. В этой области массовых чисел уменьшение числа нуклонов в ядре ведет к образованию более прочно связанного ядра. Однако выйгрыш в энергии при уменьшении А на единицу много меньше энергии связи одного нуклона в ядре, поэтому испускание протона или нейтрона, имеющего за пределами ядра энергию связи, равную нулю, невозможно. Испускание же ядра 4 Не оказывается энергетичеки выгодным, так как удельная энергия связи нуклона в этом ядре около 7,1 МэВ. Альфа-распад возможен, если суммарная энергия связи ядра продукта и альфа-частицы больше, чем энергия связи исходного ядра. Или в массовых единицах:
M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)
Увеличение энергии связи нуклонов означает уменьшение энергии покоя как раз на величину выделяющейся при альфа-распаде энергии Е α . Поэтому, если представить альфа-частицу как целое в составе ядра-продукта, то она должна занимать уровень с положительной энергией, равной Е α (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Схема энергетического уровня альфа-частицы в тяжелом ядре
Когда альфа-частица покидает ядро, то эта энергия выделяется в свободном виде, как кинетическая энергия продуктов распада: альфа-частицы и нового ядра. Кинетическая энергия распределяется между этими продуктами распада обратно пропорционально их массам и, поскольку, масса альфа-частицы много меньше массы вновь образовавшегося ядра, практически вся энергия распада уносится альфа-частицей.. Таким образом, с большой точностью Е α есть кинетическая энергия альфа-частицы после распада.
Однако, освобождению энергии препядствует кулоновский потенциальный барьер U k (см. рисунок 3.5), вероятность прохождения которого альфа-частицей мала и очень быстро падает при уменьшении Е α . Поэтому соотношение (3.12) не является достаточным условием альфа-распада.
Высота кулоновского барьера для заряженной частицы, проникающей в ядро или вылетающей из ядра, возрастает пропорционально ее заряду. Поэтому кулоновский барьер составляет еще большее препядствие для вылета из тяжелого ядра других прочно связанных легких ядер, таких как 12 С или 16 О . Средняя энергия связи нуклона в этих ядрах еще выше, чем в ядре 4 Не , поэтому в ряде случаев испускание ядра 16 О вместо последовательного вылета четырех альфа-частиц оказалось бы энергетически более выгодным. Однако испускание ядер более тяжелых, чем ядро 4 Не , не наблюдается.
Объяснение распада. Механизм альфа-распада объясняет квантовая механика, т.к в рамках классической физики этот процесс невозможен. Только частица, обладающая волновыми свойствами, может оказаться за пределами потенциальной ямы при E α . Более того, оказывается, что только потенциальный барьер бесконечно большой ширины с вероятностью равной единице, ограничивает пребывание частицы в пределах потенциальной ямы. Если же ширина барьера конечна, то вероятность перехода за пределы потенциального барьера принципиально всегда отлична от нуля. Правда эта вероятность быстро снижается с ростом ширины и высоты барьера. Аппарат квантовой механике приводит к следующему выражению для прозрачности барьера или вероятности ω оказаться частице за пределами потенциального барьера при столкновении с его стенкой:
(3.13)
Если представить альфа-частицу внутри сферической потенциальной ямы радиусом R , движущуюся со скоростью v α , то частота ударов о стенки ямы составит v α /R , и тогда вероятность вылета альфа-частицы из ядра на единицу времени, или постоянная распада, будет равна произведению числа попыток в единицу времени на вероятность прохождения барьера при одном столкновении со стенкой:
, (3.14)
где - некоторый неопределенный коэффициент, поскольку были приняты положения, далекие от истины: альфа-частица не движется свободно в ядре, да и вообще в саставе ядер нет альфа-частиц. Она образуется из четырех нуклонов в момент альфа-распада. Величина имеет смысл вероятности образования в ядре альфа-частицы, частота столкновений которой со стенками потенциальной ямы равна v α /R .
Сравнение с опытом. На основании зависимости (3.14) можно объяснить многие наблюдаемые при альфа-распаде явления. Период полураспада альфа-активных ядер тем больше, чем меньше энергия Е α испускаемых при распаде альфа-частиц. Однако, если периоды полураспада меняются от долей микросекунды до многих миллиардов лет, то диапазон изменения Е α очень мал и составляет примерно 4-9 МэВ для ядер с массовыми числами A>200. Регулярная зависимость периода полураспада от Е α была давно обнаружена в опытах с естественными а-активными радионуклидами и описана соотношением:
(3.15)
где и - константы, несколько различающиеся для разных радиоактивных семейств.
Это выражение называется законом Гейгера-Нэттола и представляет степенную зависимость постоянной распада λ от Е α с очень большим показателем . Такая сильная зависимость λ от Е α непосредственно вытекает из механизма прохождения альфа-частицей потенциального барьера. Прозрачность барьера, а следовательно и постоянная распада λ зависят от интеграла по области R 1 -R экспоненциально и быстро увеличиваются при росте Е α . Когда Е α приближается к 9 МэВ, время жизни по отношению к альфа-распаду составляет малые доли секунды, т.е. при энергии альфа-частиц 9 МэВ альфа-распад происходит практически мгновенно. Интересно, что такое значение Е α еще существенно меньше высоты кулоновского барьера U k , которая у тяжелых ядер для двухзарядной точечной частицы составляет примерно 30 МэВ. Барьер для альфа-частицы конечного размера несколько ниже и может быть оценен в 20-25 МэВ. Таким образом, прохождение кулоновского потенциального барьера альфа-частицей протекает весьма эффективно, исли ее энергия не ниже трети высоты барьера.
Прозрачность кулоновского барьера зависит также от заряда ядра, т.к. от этого заряда зависит высота кулоновского барьера. Альфа-распад наблюдается среди ядер с массовыми числами A>200 и в области A~150 . Понятно, что кулоновский барьер при A~150 заметно ниже и вероятность альфа-распада для одинаковых Е α значительно больше.
Хотя теоретически при любой энергии альфа-частицы существует вероятность проникновения через барьер, есть ограничения в возможности экспериментального определения этого процесса. Определить альфа-распад ядер с периодом полураспада больше 10 17 – 10 18 лет не удается. Соответствующее минимальное значение Е α выше у более тяжелых ядер и составляет 4 МэВ у ядер с A>200 и около 2 МэВ у ядер с A~150 . Следовательно выполнение соотношения (3.12) не обязательно свидетельствует о неустойчивости ядра по отношению к альфа-распаду. Оказывается, что соотношение (3.12) справедливо для всех ядер с массовыми числами больше 140, однако в области A>140 находится около одной трети всех встречающихся в природе стабильных нуклидов.
Границы устойчивости. Радиоактивные семейства. Границы устойчивости тяжелых ядер по отношению к альфа-распаду можно объяснить, используя модель ядерных оболочек. Ядра, имеющие только замкнутые протонные или нейтронные оболочки, являются особо прочно связанными. Поэтому, хотя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, у средних и тяжелых ядер снижается при возрастании А , это снижение всегда замедляется при приближении А к магическому числу и ускоряется после прохождения А через магическое число протонов или нейтронов. В результате, энергия Е α оказывается значительно ниже минимального значения, при котором наблюдается альфа-распад, для магических ядер или массовое число ядра меньше массового числа магического ядра. Напротив, энергия Е α скачкообразно возрастает у ядер с массовыми числами, превышающими значения А магических ядер, и превосходит минимум практической стабильности а отношении альфа-распада.
В области массовых чисел A~150 альфа-активными являются нуклиды, ядра которых содержат на два ли несколько нейтронов больше магического числа 82. Некоторые из таких нуклидов имеют периоды полураспада много больше геологического возраста Земли и поэтому представлены в естественном виде – это нуклиды 144 Nd, 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Другие были получены в результате ядерных реакций. Последние имеют недостаток нейтронов по сравнению со стабильными нуклидами соответствующих массовых чисел, и у этих нуклидов с альфа-распадом конкурирует обычно β + -распад. Самым тяжелым стабильным нуклидом является 209 Bi , ядро которого содержит магическое число нейтронов 126. Предшествующий висмуту элемент свинец имеет магическое число протонов 82, а 208 Pb является дважды магическим нуклидом. Все более тяжелые ядра радиоактивны.
Поскольку в результате альфа-распада ядро-продукт обогащается нейтронами, то после нескольких альфа-распадов следует бета-распад. Последний не меняет число нуклонов в ядре, поэтому любое ядро с массовым числом A>209 может превратиться в стабильное, только после некоторого числа альфа-распадов. Так как число нуклонов при альфа-распаде уменьшается сразу на 4 единицы, то возможно существование четырех независимых цепочек распада, каждая со своим конечным продуктом. Три из них представлены в природе и называются естественными радиоактивными семействами. Естественные семейства заканчивают свой распад образованием одного из изотопов свинца, конечным продуктом четвертого семейства является нуклид 209 Bi (см. таблицу 3.1).
Существование естественных радиоактивных семейств обязано трем долгоживущим альфа-активным нуклидам – 232 Th, 235 U, 238 U , имеющим периоды полураспада, сравнимые с геологическим возрастом Земли (5.10 9 лет). Наиболее долгоживущим представителем вымершего четвертого семейства является нуклид 237 Np – изотоп трансуранового элемента нептуния.
Таблица 3.1. Радиоактивные семейства
В настоящее время путем бомбардировки тяжелых ядер нейтронами и легкими ядрами получено очень много нуклидов, являющихся изотопами трансурановых элементов (Z>92). Все они неустойчивы и принадлежат к одному из четырех семейств.
Последовательнось распадов в естественных семействах показана на рис. 3.6. В тех случаях, когда вероятности альфа-распада и бета-распада оказываются сравнимыми, образуются вилки, которые соответствуют распадом ядер с испусканием либо альфа- либо бета-частиц. При этом конечный продукт распада остается неизменным.
Рис. 3.6. Схемы распадов в природных семействах.
Приведенные наименования присвоены радионуклидам при первоначальном изучении естественных цепочек распада.
АЛЬФА-РАСПАД (α-распад), испускание атомным ядром альфа-частицы (ядра 4 Не). Альфа-распад из основного (невозбуждённого) состояния ядра называют также альфа-радиоактивностью.
Термин «α-лучи» был введён вскоре после открытия А. А. Беккерелем в 1896 году радиоактивности для обозначения наименее проникающего вида излучения, испускаемого радиоактивными веществами. В 1909 году Э. Резерфорд и Т. Ройдс доказали, что α-частицы являются дважды ионизованными атомами гелия.
При альфа-распаде массовое число А материнского ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд (число протонов) Z - на 2:
A Z → А-4 (Z—2) + 4 2 Не + Q. (1)
Энергия Q, выделяющаяся при альфа-распаде, определяется разностью масс материнского ядра и обоих продуктов распада. Альфа-распад энергетически возможен, если величина Q положительна. Это условие выполняется почти для всех ядер с А > 150. Наблюдаемые времена жизни альфа-радиоактивных ядер лежат в пределах от 10 17 лет (204 Pb) до 3·10 -7 сек (212 Ро). Однако во многих случаях времена жизни ядер (периоды полураспада), для которых Q > 0, оказываются слишком большими и альфа-радиоактивность наблюдать не удаётся. Кинетическая энергия α-частиц изменяется от 1,83 МэВ (144 Nd) до 11,65 МэВ (изомер 212 Ро).
Известно свыше 300 α-радиоактивных нуклидов, полученных в основном искусственно. Подавляющее большинство их относится к элементам, расположенным в периодической системе за свинцом (Z>82). Имеется группа α-радиоактивных нуклидов в области лантаноидов (А= 140-160), а также небольшая группа между лантаноидами и свинцом. В ядерных реакциях с тяжёлыми ионами синтезировано несколько короткоживущих альфа-излучающих нуклидов с А = 106-116.
Альфа-спектроскопия . Альфа-частицы, вылетающие из материнских ядер при их распаде, обычно образуют несколько групп с различной энергией. Распределение этих групп по энергиям называется энергетическим спектром, а область экспериментальной физики, занимающаяся изучением спектров α-частиц, — альфа-спектроскопией. Каждая из линий спектра соответствует определённому состоянию (уровню энергии) дочернего ядра. Задачей альфа-спектроскопии является измерение энергии и интенсивности каждой из групп α-частиц, а также времён жизни распадающихся ядер. Эти данные позволяют определять характеристики отдельных уровней дочернего ядра - их энергии возбуждения, спины, чётности, а также вероятности их образования. Полученная спектроскопическая информация оказывается важным, а иногда и единственным источником сведений о структуре как дочернего, так и материнского ядер. В последнее время альфа-спектроскопия стала одним из важнейших методов исследования, используемых при синтезе сверхтяжёлых элементов.
Измерение энергии и интенсивности α-частиц, испускаемых распадающимися ядрами, производят альфа-спектрометрами. Чаще всего используют кремниевые полупроводниковые детекторы различных типов, позволяющие получить энергетическое разрешение до 12 кэВ (для α-частиц с энергией 6 МэВ) при светосиле порядка 0,1%. Более высокое разрешение может быть получено с помощью магнитных спектрометров, имеющих, однако, значительно меньшую светосилу и отличающихся сложной и громоздкой конструкцией.
Периоды полураспада . Одна из особенностей α-радиоактивности состоит в том, что при сравнительно небольшом различии в энергии α-частиц времена жизни материнских ядер различаются на много порядков. Ещё задолго до создания теории α-радиоактивности было установлено эмпирическое соотношение (Гейгера - Неттолла закон), связывающее период полураспада Т 1/2 с энергией распада Q:
Это соотношение лучше всего выполняется для переходов между основным состояниями ядер с чётным числом нейтронов и протонов.
Теория альфа-распада . Простейшая теория альфа-распад предложена Г. Гамовым в 1927 году, она явилась первым приложением только что созданной квантовой механики к описанию ядерных явлений. Эта теория рассматривала движение α-частицы в потенциальной яме с кулоновским барьером (рис.).
Т.к. высота кулоновского барьера у тяжёлых ядер составляет 25-30 МэВ, а энергия альфа-частиц всего лишь 5-10 МэВ, то их вылет из ядра запрещён законами классической механики и может происходить только за счёт квантово-механического туннельного эффекта. Используя упрощённую форму барьера и предполагая, что α-частица находится внутри ядра, можно получить для вероятности альфа-распад выражение, экспоненциально зависящее от энергии α-частицы, т. е. выражение типа (2). Теория Гамова установила, что основным фактором, определяющим вероятность альфа-распада и её зависимость от энергии альфа-частицы и заряда ядра, является кулоновский барьер.
Современный подход к описанию альфа-распада опирается на методы, используемые в теории ядерных реакций. Вероятность альфа-распада λ (величину, обратную периоду полураспада Т 1/2 с точностью до множителя ln 2 = 0,693) можно представить как произведение трёх сомножителей:
Множитель S, называемый спектроскопическим фактором, определяет вероятность того, что α-частица может сформироваться в данном материнском ядре из двух протонов и двух нейтронов. Эта вероятность зависит от внутренней структуры как начального, так и конечного ядер. Фактор Р есть вероятность прохождения кулоновского барьера (его проницаемость) α-частицей заданной энергии. Третий множитель v - это число попыток в единицу времени проникнуть через барьер. Если бы в ядре существовала реальная α-частица, то величина v была бы близка к частоте соударений α-частицы с барьером, то есть единице, делённой на время пролёта альфа-частицей диаметра ядра. Истинная величина v не сильно отличается от такой оценки.
Таким образом, альфа-распад является двухстадийным процессом: вначале α-частица должна возникнуть и появиться на поверхности распадающегося ядра, а затем пройти сквозь потенциальный барьер. Рассмотренная выше теория хорошо воспроизводит экспериментальные данные и позволяет извлекать из них важную информацию о структуре ядра. В частности, было показано, что, хотя α-частицы и не существуют внутри тяжёлых ядер постоянно, в поверхностном слое ядер нуклоны проводят значительную долю времени в составе альфа-частичных группировок, называемых альфа-кластерами.
Альфа-распад возбуждённых ядер . Отдельные случаи распада из нижних возбуждённых состояний тяжёлых ядер, приводящих к испусканию так называемых длиннопробежных α-частиц, известны давно и причисляются к явлению альфа-радиоактивности. Длиннопробежные альфа-частицы получают дополнительную энергию за счёт энергии возбуждения уровня, которая добавляется к энергии распада Q. Как правило, альфа-распад возбуждённых ядер изучается с помощью ядерных реакций, и рассмотренная выше теория полностью применима и к этим процессам. Наблюдаемые времена жизни возбуждённых состояний ядер лежат в диапазоне от 10 -11 с до 10 -22 с. Некоторые распадающиеся состояния лёгких ядер имеют спектроскопические факторы, близкие к единице, что позволяет говорить об альфа-частичной структуре таких ядер (смотри Кластерная модель ядра). Изучение альфа-распада высоковозбуждённых состояний ядер - один из важных методов исследования ядерной структуры при больших энергиях возбуждения.
Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. М., 1969. Вып. 2; Соловьев В. Г. Теория атомного ядра: Ядерные модели. М., 1981.
Альфа-распад
- распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер 4 He).
Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы
(испытывать альфа-распад), т.е. являются
альфа-радиоактивными
. Альфа-радиоактивность за редким
исключением (например 8 Be) не встречается среди легких и средних
ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200)
расположены в периодической системе в в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно
также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов,
кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи
границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с
кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер
быстрее (как Z 2), чем ядерные силы притяжения, которые растут
линейно с ростом массового числа A.
Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся
следствием закона сохранения энергии
которая называется энергией альфа-распада . Ядра могут испытывать альфа-распад также на возбужденные состояния конечных ядер и из возбужденных состояний начальных ядер. Поэтому соотношение для энергии альфа-распада (2) можно обобщить следующим образом
| Q α = (M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - M α) с 2 + - , |
где и - энергии возбуждения начального и
конечного ядер соответственно. Альфа-частицы, возникающие в результате распада
возбужденных состояний, получили название
длиннопробежных
. Для большинства ядер с A > 190 и для многих
ядер с 150 < A < 190 условие (12) выполняется, однако далеко не все они
считаются альфа-радиоактивными. Дело в том, что современные экспериментальные
возможности не позволяют обнаружить альфа-радиоактивность для нуклидов с
периодом полураспада большим, чем 10 16 лет. Кроме того, часть
“потенциально” альфа-радиоактивных ядер испытывают также бета-распад, который
сильно конкурирует с альфа-распадом.
Основную часть энергии альфа-распада (около 98%) уносят альфа-частицы. Используя
законы сохранения энергии и импульса для кинетической энергии альфа-частицы T α
можно получить соотношение
|
Периоды полураспада известных альфа-радиоактивных нуклидов
варьируются от 0.298 мкс для 212 Po до >10 15 лет
для 144 Nd,
174 Hf... Энергия альфа-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами из
основных состояний, составляет 4 - 9 МэВ, ядрами редкоземельных элементов 2 -
4.5 МэВ.
Важным свойством альфа-распада является то, что при небольшом
изменении энергии альфа-частиц периоды полураспада меняются на многие порядки.
Так у 232 Th Q α = 4.08 МэВ, T 1/2 = 1.41·10 10
лет, а у 218 Th Q α = 9.85 МэВ, T 1/2 = 10 мкс.
Изменению энергии в 2 раза соответствует изменение в периоде полураспада на 24
порядка.
Для четно-четных изотопов одного элемента зависимость периода
полураспада от энергии альфа-распада хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера - Неттола
где T 1/2 в сек, Q α в МэВ. На рис. 1 показаны экспериментальные значения периодов полураспада для 119 альфа-радиоактивных четно-четных ядер (Z от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения (6).
|
Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция
сохраняется, но их периоды полураспада в 2 - 1000 раз больше, чем для
четно-четных ядер с данными Z и Q α .
Основные особенности альфа-распада, в частности сильную
зависимость вероятности альфа-распада от энергии удалось в 1928 г. объяснить Г. Гамову и независимо от него Р. Герни и
Э. Кондону . Ими было показано,
что вероятность альфа-распада в основном определяется вероятностью прохождения
альфа-частицы сквозь потенциальный барьер.
Рассмотрим простую модель альфа-распада. Предполагается, что
альфа-частица движется в сферической области радиуса R, где R - радиус ядра.
Т.е. в этой модели предполагается, что альфа-частица постоянно существует в
ядре.
Вероятность альфа-распада равна
произведению вероятности найти альфа-частицу на границе ядра f на вероятность ee
прохождения через потенциальный барьер D (прозрачность барьера)
Можно отожествить f с числом соударений в единицу времени, которые испытывает альфа-частица о внутренние границы барьера, тогда
 |
где v, T a , a
- скорость внутри ядра, кинетическая энергия и приведенная масса
альфа-частицы, V 0 - ядерный потенциал. Подставив в выражение
(8) V 0 = 35 МэВ, T a = 5 МэВ, получим для ядер с A 200, f 10 21
с -1 .
Hа рис.2 показана зависимость потенциальной энергии между
альфа-частицей и остаточным ядром от расстояния между их центрами. Кулоновский
потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу
остаточного ядра. Высота кулоновского барьера B k определяется
соотношением
 МэВ
|
Здесь Z и z - заряды (в единицах заряда электрона e) остаточного ядра и альфа-частицы соответственно. Например для 238 U B k 30 МэВ.
Можно выделить три области.
|
|
(Аналогично влияние кулоновского барьера и в случае ядерной реакции, когда альфа-частица подлетает к ядру. Если ее энергия меньше высоты кулоновского барьера, она скорее всего рассеется кулоновским полем ядра, не проникнув в него и не вызвав ядерной реакции. Вероятность таких подбарьерных реакций очень мала.)
Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования.
Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий. Альфа-распад
При альфа-распаде излучается α-частица (ядро
атома гелия). Из вещества с количеством протонов Z и нейтронов N в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов Z-2 и количеством нейтронов N-2, атомной массой А-4. То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.
Альфа-распад – это внутриядерный процесс . В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.
Бета-распад
При бета-распаде
излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно,
образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.
Пример β-распада:
Гамма-распад
Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных
Существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма распад.
Таблица распадов
Тип радиоактивности | Изменение заряда ядра Z | Изменение массового числа А | Характер процесса |
Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино |
|||
Взаимные превращения в ядре нейтрона () и протона () |
|||
β – -распад |
|
||
β + -распад |
|
||
Электронный захват (е – -или К-захват) |
И – электронное нейтрино и антинейтрино |
||
Спонтанное деление | Z – (1/2)A | A – (1/2)A | Деление ядра обычно на два осколка, имеющих приблизительно равные массы и заряды |
Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α- излучением, и более проникающую, названную - излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распад
ом атомов (значительно позже стало
ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом
из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный
удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.
В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц
, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4 Не,
а
β-излучение
состоит из электронов
и γ-излучение
является потоком высокочастотных электромагнитных квантов
, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.β-распада ядер . Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми, который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе - "слабым" взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е - и антинейтрино (β - -распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е + и нейтрино ν (β + -распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).
Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году
молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком,
связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые
достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными
массами.Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.
Наконец, в 1984 году
независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную
радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих
кластеры - атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.
