Альфа-распад - испускание атомным ядром -частицы
(ядра 4Не). А--р. из основного (невозбуждённого) состояния ядра наз.
также -радиоактивностью
[вскоре после открытия А. Беккерелем (A. Becquerel) радиоактивности -лучами
был назван наименее проникающий вид излучения, испускаемый радиоактивными веществами,
в 1909 Э. Реаерфорд (Е. Rutherford) и Т. Ройдс (Т. Royds) доказали, что -частицы
являются дважды ионизованными атомами 4Не].
При А--р. массовое число А материнского
ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд (число протонов) Z - на 2:
(1)
Энергия, выделившаяся при А--р.,
(2)
где МА и МA-4 - массы материнского и дочернего ядер.
- масса -частицы.
Энергия делится между
-частицей и дочерним
ядром обратно пропорционально их массам, откуда энергия -частиц
(3)
Энергетич. условие возможности А--р.
заключается в том, чтобы энергия связи
-частицы относительно
материнского ядра была отрицательна. Эта энергия связи оказывается отрицательной
почти для всех-стабильных
ядер с А >150 (рис. 1), т. е. все ядра с
А >150 должны быть a-радиоактивными.
Однако во многих случаях время жизни этих ядер (период полураспада) слишком
велико и -радиоактивность
не удаётся наблюдать.
Рис. 1. Значения энергии связи -частицы
для -стабильных
ядер и области-радиоактивности;
N - число нейтронов в ядре; стрелки показывают зоны, где наблюдается
-распад (в области
Л от 2 до 50 -распад
наблюдается, но точные значения неизвестны).
Известно св. 300 -активных ядер, большинство из к-рых получено искусственно. Подавляющее большинство последних сосредоточено в области транссвинцовых ядер с Z>82. Имеется группа -активных ядер в области редкоземельных элементов (А =140-160), а также небольшая группа в промежутке между редкоземельными и тяжёлыми ядрами (рис. 1). В ядерных реакциях с тяжёлыми ионами синтезированы неск. a-излучающих нейтронно-дефицитных: ядер с А ~110. Наблюдаемые времена жизни a-активных ядер лежат в пределах от 1017 лет (204Рb) до 3*10-7 с (212Ро).
Рис. 2. Схема распада 141Am,
иллюстрируюшая характер информации, получаемой при изучении a-распада;
I - угловые моменты состояний дочернего ядра, 237Np,
-их энергия, b - чётность состояний, % - доля переходов на данный уровень.
L - угловой момент a-частицы.
Кинетич. энергии-частиц
изменяются от 1,83 МэВ (144Nd) до
11,65 МэВ (изомер 212mРо). Пробег a-частицы
с типичной энергией =6
МэВ составляет ~5 см в воздухе при нормальных условиях и ~0,05 мм в Аl.
Альфа-спектроскопия. Спектр -частиц,
возникающих при расиаде материнского ядра, представляет ряд моноэнергетич. линий,
соответствующих переходам на разл. уровни дочернего ядра. T. к. -частица
не имеет спина, правила отбора по моменту кол-ва движения I=L и чётности,
к-рые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми.
Угловой момент L -частицы
может принимать значения в интервале:
(4)
где
и-
угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего).
При этом разрешены только чётные значения L, если чётности обоих состояний
совпадают, и нечётные, если чётности не совпадают. А--р. является важным методом
изучения нижних энергетич. состояний тяжёлых ядер (рис. 2).
Для измерения энергии и интенсивности
потока -частиц, испускаемых
-активными ядрами,
используются газоразрядные и полупроводниковые детекторы частиц,
а также спектрометры. Поверхностно-барьерные кремниевые полупроводниковые
детекторы позволяют получить разрешение до 12 кэВ (для -частиц
с =6 МэВ) при светосиле
~0,1% . В табл.. 1 приведены энергии -частиц
нек-рых -излучателей,
используемых в качестве стандартов.
Периоды полураспада. Одна из
особенностей -радиоактивности
состоит в том, что при сравнительно небольшом различия в энергии -частиц
время жизни материнского
ядра отличается на много порядков. Энергия -распада
Q и период полураспада
ядер с одним и тем же Z связаны соотношением, эмпирически установленным
задолго до создания теории А--р (Гейгера - Неттолла закон):
(5)
Здесь AZ и BZ - константы, приведённые в табл. 2; эфф. величина
МэВ учитывает экранирующий эффект электронов.
Соотношение (5) лучше всего описывает
переходы между осн. состояниями четно-чётных ядер (рис. 3). Для нечётных ядер
и переходов в возбуждённые состояния периоды полураспада оказываются во многих
случаях в 100-1000 раз большими при одинаковой энергии А--р.
Табл. 2
Источник |
Энергия, кэВ |
226Ra |
4781, 8b2. 4 |
210P0 |
5304. 5b0, 5 |
212Bi |
6049, 6b0, 7 |
214P0 |
7688, 4b0, 6 |
212P0 |
8785, 0b0, 8 |
Z + 2 (атомный номер излучателя) |
AZ |
BZ |
Z + 2 (атомный номер излучателя) |
AZ |
BZ |
84 |
129,35 |
-49,9229 |
92 |
147,49 |
-53,65 |
86 |
137,46 |
- 52,4597 |
94 |
146,23 |
- 52,0899 |
88 |
139,17 |
-52,1476 |
96 |
152,44 |
-53,6825 |
90 |
144,19 |
- 53,2644 |
98 |
152,86 |
-52,9506 |
Отношение истинного периода полураспада
к вычисленному по ф-ле (5) для четно-чётного ядра наз. фактором замедления.
Теория альфа-распада. Осн. фактором,
определяющим вероятность А--р. и её зависимость от энергии а-частицы и заряда
ядра, является кулоновский барьер. Простейшая теория А--р. [Г. Гамов (G. Gamow),
1927] сводилась к описанию движения а-частицы в по-
тенциальной яме с барьером (рис. 4, пунктир). Т. к. энергия -частиц составляет 5-10 МэВ, а высота ку-лоновского барьера у тяжёлых ядер 25-30 МэВ, то вылет -частицы из ядра может происходить только за счёт туннельного эффекта, а вероятность этого процесса определяется проницаемостью В барьера.
Рис. 3. Зависимость периода полураспада
T1/2 от энергии четночётных -излучателей,
+ - переходы в основное состояние,
- в первое возбуждённое,
- в высшие возбуждённые состояния.
Используя упрощённую форму барьера
и предполагая, что a-частица
существует внутри ядра и при вылете не уносит углового момента, можно получить
для вероятности А--р. выражение, экспоненциально зависящее от энергии -частицы,
т. е. типа (5).
Совр. подход к описанию А--р. опирается
на методы, используемые в теории ядерных реакций. Ширина
состояния ядра относительно А--р. связана с периодом полураспада соотношением
(6)
Для А--р. в канал С
(7)
где
- т. н. приведённая ширина, определяемая степенью перекрывания волновых функций
начального и конечного состояния ядер, характеризующая
Рис. 4. Сумма ядерного и нулоновекого
потенциалов для частицы
в ядре 230Th; энергия -распада
МэВ.
вероятность появления -частицы
на поверхности ядра (на радиусе канала RC), а PC (RC) - проницаемость эфф. барьера V, образуемого
ядерным, кулоновским и центробежным потенциалами:
(8)
Здесь L-орбитальный момент вылетающей
a-частицы,
-её приведённая масса,
равная , где
М-масса ядра, т-масса
-частицы. Существование
центробежного барьера связано с наличием у-частицы
отличного от нуля орбитального момента. Центробежный барьер в А--р. обычно играет
сравнительно небольшую роль (табл.
3), в отличие от бета-распада ядер и -переходов,
вероятность к-рых сильно зависит от углового момента, уносимого частицей (см.
Гамма-излучение).
Цель большинства исследований А--р.- измерение приведённых ширин и сравнение их с вычисленными на основе разл. теоретич. представлений о ядре. Абс. значения зависят от ряда параметров и особенно чувствительны к величине радиуса канала .
Т а б л. 3 - Проницаемость ВL
центробежного барьера относительно его проницаемости В0 при
L=0 (Z=90, Q = 4,5 МэВ).
L |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
BL/B0 |
1 |
0,84 |
0,60 |
0,36 |
0, 18 |
0,078 |
0,028 |
Наиболее точные
и надёжные результаты получаются, если возможен анализ отношения ширин для переходов
на разные уровни одного и того же ядра
, т. к. в этом случае большинство неопределённостей сокращается. Отношения приведённых
ширин соответствуют
факторам замедления.
Из анализа ширин следует, что -частицы
не существуют в -распадающемся
ядре всё время, а с нек-рой конечной вероятностью возникают на его поверхности
перед вылетом. Имеющиеся данные свидетельствуют также о том, что в поверхностном
слое тяжёлых ядер, по-видимому, существуют -частичные
группировки нуклонов (a-кластеры).
Классификация -переходов
основывается на структурных факторах, связанных с вероятностью образования -частицы.
А--р. идёт на 2-4 порядка быстрее, когда -частица
образуется из нейтронных и протонных пар, по сравнению с распадом, когда-частица
образуется из неспаренных нуклонов. В первом случав А--р. наз. благоприятным,
и такими оказываются все
-переходы между основными состояниями четно-чётных ядер. Во втором случае А--р.
наз. неблагоприятным.
Альфа-распад возбуждённых ядер изучается
с помощью ядерных реакций. Отд. случаи распада нижних возбуждённых состояний
тяжёлых ядер, приводящего к испусканию т. н. длиннопробежных -частиц,
известны давно и причисляются к явлению радиоактивности. Наблюдаемые времена
жизни ядер лежат в диапазоне от 10-11 с (А--р. нейтронных резонансов,
см. Нейтронная спектроскопия)до 10-22 с (А--р. уровней лёгких
ядер). Нек-рые распадающиеся состояния лёгких ядер имеют приведённые ширины,
близкие к максимально возможным (к т. н. вигнеровскому пределу), что указывает
на их ярко выраженный -кластерный
характер. Изучение А--р. высоковозбуждённых состояний ядер - один из информативных
методов исследования ядерной структуры при больших энергиях возбуждения.
А. А. Оглоблин.