Астронет > Альфа-распад

Астронет: "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru Альфа-распад
http://variable-stars.ru/db/msg/1172388

Альфа-распад
15.08.2001 0:00 | "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru

Альфа-распад - испускание атомным ядром альфа-частицы (ядра ⁴Не). Альфа-распад из основного (невозбужденного) состояния ядра называется также альфа-радиоактивностью [вскоре после открытия А. Беккерелем (A. Becquerel) радиоактивности альфа-лучами был назван наименее проникающий вид излучения, испускаемый радиоактивными веществами, в 1909 Э. Резерфорд (Е. Rutherford) и Т. Ройдс (Т. Royds) доказали, что альфа-частицы являются дважды ионизованными атомами ⁴Hе]. При альфа-распаде массовое число А материнского ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд (число протонов) Z - на 2:
${}^A Z\to{}^{A-4}(Z-2)+{}_2^4 He$ . (1)

Энергия, выделившаяся при альфа-распаде,
$Q=\lbrack M_A-M_{A-4}-M_\alpha\rbrack c^2$ , (2)

где М_А и М_A-4 - массы материнского и дочернего ядер, $M_\alpha$ , - масса альфа-частицы. Энергия Q делится между альфа-частицей и дочерним ядром обратно пропорционально их массам, откуда энергия альфа-частиц
$\mathcal{E}_\alpha=\lbrack M_{A-4}/M_A\rbrack Q$ , (3)

Энергетическое условие возможности альфа-распада заключается в том, чтобы энергия связи (-Q) альфа-частицы относительно материнского ядра была отрицательна. Эта энергия связи оказывается отрицательной почти для всех бета-стабильных ядер с A>150 (рис, 1), т. е. все ядра с А>150 должны быть альфа-радиоактивными. Однако во многих случаях время жизни этих ядер (период полураспада) слишком велико и альфа-радиоактивность не удается наблюдать.

Известно свыше 300 альфа-активных ядер, большинство из которых получено искусственно. Подавляющее большинство последних сосредоточено в области транссвинцовых ядер с Z>82. Имеется группа альфа-активных ядер в области редкоземельных элементов (А=140-160), а также небольшая группа в промежутке между редкоземельными и тяжелыми ядрами (рис. 1). В ядерных реакциях с тяжелыми ионами синтезированы несколько альфа-излучающих нейтронно-дефицитных ядер с А~110. Наблюдаемые времена жизни альфа-активных ядер лежат в пределах от 10¹⁷ лет (²⁰⁴Pb) до $3\cdot 10^{-7}$ с(²¹²Po). Кинетические энергии альфа-частиц изменяются от 1,83 МэВ (¹⁴⁴Nd) до 11,65 МэВ (изомер ^212mPo). Пробег альфа-частицы с типичной энергией $\mathcal{E}_\alpha$ =6 МэВ составляет ~5 см в воздухе при нормальных условиях и ~0,05 мм в Аl.

Альфа-спектроскопия. Спектр альфа-частиц, возникающих при распаде материнского ядра, представляет ряд моноэнергетических линий, соответствующих переходам на различные уровни дочернего ядра. Т. к. альфа-частица не имеет спина, правила отбора по моменту количества движения I=L и четности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми. Угловой момент L альфа-частицы может принимать значения в интервале:
$I_i-I_f\leq L\leq I_i+I_f$ (4)

где I_i и I_f - угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего). При этом разрешены только четные значения L, если четности обоих состояний совпадают, и нечетные, если четности не совпадают. Альфа-распад является важным методом изучения нижних энергетических состоянии тяжелых ядер (рис. 2).

Для измерения энергии и интенсивности потока альфа-частиц, испускаемых альфа-активными ядрами, используются газоразрядные и полупроводниковые детекторы частиц, а также спектрометры. Поверхностно-барьерные кремниевые полупроводниковые детекторы позволяют получить разрешение до 12 кэВ (для альфа-частиц с $\mathcal{E}_\alpha$ =6 МэВ) при светосиле ~0,1%. В табл. 1 приведены энергии альфа-частиц некоторых альфа-излучателей, используемых в качестве стандартов.

Табл. 1.
Источник	Энергия, кэВ
²²⁶Ra	4781,8 $\pm$ 2,4
²¹⁰Po	5304,5 $\pm$ 0,5
²¹²Bi	6049,6 $\pm$ 0,7
²¹⁴Po	7688,4 $\pm$ 0,6
²¹²Po	8785,0 $\pm$ 0,8

Периоды полураспада. Одна из особенностей альфа-радиоактивности состоит в том, что при сравнительно небольшом различии в энергии альфа-частиц $\mathcal{E}_\alpha$ время жизни материнского ядра отличается на много порядков. Энергия альфа-распада Q и период полураспада T_1/2 ядер с одним и тем же Z связаны соотношением, эмпирически установленным задолго до создания теории альфа-распада (закон Гейгера-Неттолла).
$\lg T_{1/2}=A_Z Q_{эф}^{-1/2}+B_Z$ . (5)

Здесь A_Z и В_Z - константы, приведенные в табл. 2; эффективная величина Q_эф = $Q+6,5\cdot 10^{-5}Z^{7/5}$ МэВ учитывает экранирующий эффект электронов.

Соотношение (5) лучше всего описывает переходы между основными состояниями четно-четных ядер (рис. 3). Для нечетных ядер и переходов в возбужденные состояния периоды полураспада оказываются во многих случаях в 100-1000 раз большими при одинаковой энергии альфа-распада. Отношение истинного периода полураспада к вычисленному по формуле (5) для четно-четного ядра называется фактором замедления.

Табл. 2.
Z+2 (атомный номер излучателя)	A_Z	B_Z
84	129,35	-49,9229
86	137,46	-52,4597
88	139,17	-52,1476
90	144,19	-53,2644
92	147,49	-53,65
94	146,23	-52,0899
96	152,44	-53,6825
98	152,86	-52,9506

Теория альфа-распада. Основным фактором, определяющим вероятность альфа-распада и ее зависимость от энергии альфа-частицы и заряда ядра, является кулоновский барьер. Простейшая теория альфа-распада [Г. Гамов (G. Gamow), 1927] сводилась к описанию движения альфа-частицы в потенциальной яме с барьером (рис. 4, пунктир). Т. к. энергия альфа-частиц составляет 5-10 МэВ, а высота кулоновского барьера у тяжелых ядер 25-30 МэВ, то вылет альфа-частицы из ядра может происходить только за счет туннельного эффекта, а вероятность этого процесса определяется проницаемостью В барьера. Используя упрощенную форму барьера и предполагая, что альфа-частица существует внутри ядра и при вылете не уносит углового момента, можно получить для вероятности альфа-распада выражение, экспоненциально зависящее от энергии альфа-частицы, т. е. типа (5).

Современный подход к описанию альфа-распада опирается на методы, используемые в теории ядерных реакций. Ширина $\Gamma_\alpha$ состояния ядра относительно альфа-распада связана с периодом полураспада соотношением
$\Gamma_\alpha=\hbar\ln 2/T_{1/2}$ . (6)

Для альфа-распада в канал С
$\Gamma_{\alpha C}=2\gamma_C^2(R_C)P_C(R_C)$ , (7)

где $\gamma_C(R_C)$ - т. н. приведенная ширина, определяемая степенью перекрывания волновых функций начального и конечного состояния ядер, характеризующая вероятность появления альфа-частицы на поверхности ядра (на радиусе канала $R_C$ ), а $P_C(R_C)$ - проницаемость эффективного барьера V, образуемого ядерным, кулоновским и центробежным потенциалами:
$V = V_{яд}+{\displaystyle Ze^2\over\displaystyle r}-{\displaystyle\hbar^2\over\displaystyle 2m*}{\displaystyle L(L+1)\over\displaystyle r^2}$ . (8)

Здесь L - орбитальный момент вылетающей альфа-частицы, m* - ее приведенная масса, равная m* = $mM\over\displaystyle m+M$ , где М - масса ядра, m - масса альфа-частицы. Существование центробежного барьера связано с наличием у альфа-частицы отличного от нуля орбитального момента. Центробежный барьер в альфа-распаде обычно играет сравнительно небольшую роль (табл. 3), в отличие от бета-распада ядер и гамма-переходов, вероятность которых сильно зависит от углового момента, уносимого частицей (см. Гамма-излучение).

Цель большинства исследований альфа-распада - измерение приведенных ширин и сравнение их с вычисленными на основе различных теоретических представлений о ядре. Абсолютные значения зависят от ряда параметров и особенно чувствительны к величине радиуса канала R_C. Наиболее точные и надежные результаты получаются, если возможен анализ отношения ширин для переходов на разные уровни, одного и того же ядра $\Gamma_{\alpha C_1}/ \Gamma_{\alpha C_2}$ , т. к. в этом случае большинство неопределенностей сокращается. Отношения приведенных ширин $\gamma_{C_1}^2/ \gamma_{C_2}^2$ соответствуют факторам замедления.

Табл. 3 - Проницаемость B_L ценробежного барьера относительно его проницаемости B₀ при L=0 (Z=90, Q=4,5 МэВ).
L	0	1	2	3	4	5	6
B_L/B₀	1	0,84	0,60	0,36	0,18	0,078	0,028

Из анализа ширин следует, что альфа-частицы не существуют в альфа-распадающемся ядре все время, а с некоторой конечной вероятностью возникают на его поверхности перед вылетом. Имеющиеся данные свидетельствуют также о том, что в поверхностном слое тяжелых ядер, по-видимому, существуют альфа-частичные группировки нуклонов (альфа-кластеры).

Классификация альфа-переходов основывается на структурных факторах, связанных с вероятностью образования альфа-частицы. Альфа-распад идет на 2-4 порядка быстрее, когда альфа-частица образуется из нейтронных и протонных пар, по сравнению с распадом, когда альфа-частица образуется из неспаренных нуклонов. В первом случае альфа-распад называется благоприятным, и такими оказываются все альфа-переходы между основными состояниями четно-четных ядер. Во втором случае альфа-распад называется неблагоприятным.

Альфа-распад возбужденных ядер изучается с помощью ядерных реакций. Отдельные случаи распада нижних возбужденных состояний тяжелых ядер, приводящего к испусканию т. н. длиннопробежных альфа-частиц, известны давно и причисляются к явлению радиоактивности. Наблюдаемые времена жизни ядер лежат в диапазоне от 10^-11 с (альфа-распад нейтронных резонансов, см. Нейтронная спектроскопия) до 10^-22 с (альфа-распад уровней легких ядер). Некоторые распадающиеся состояния легких ядер имеют приведенные ширины, близкие к максимально возможным (к т. н. вигнеровскому пределу), что указывает на их ярко выраженный альфа-кластерный характер. Изучение альфа-распада высоковозбужденных состояний ядер - один из информативных методов исследования ядерной структуры при больших энергиях возбуждения.

Глоссарий Astronet.ru