Альфа-распад

Альфа-распад (a-распад), 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 А испускается ядро гелия ?(a-частица), т. е. два протона и два нейтрона в связанном состоянии; в результате А.-р. образуется конечное ("дочернее") ядро с атомным номером Z = 2 и массовым числом А = 4. Так, например, радий испускает a-частицу и переходит в радон ( ).

Известно (1968) около 200 a-радиоактивных ядер; большая часть их тяжелее свинца (Z > 82). Некоторое количество a-радиоактивных изотопов имеется в области значений Z < 82 среди ядер с недостаточным количеством нейтронов, т. н. нейтронодефицитных ядер (см. Ядро атомное). Так, в области редких земель имеется несколько a-радиоактивных ядер (например, ). Экспериментальному обнаружению a-активных ядер с А < 200 мешают огромные времена жизни (см. Время жизни), характерные для ядер с небольшой энергией А.-р. (см. ниже).

При А.-р. определённого радиоактивного изотопа вылетающие a-частицы имеют, грубо говоря, одну и ту же энергию. Энергия, выделяющаяся при А.-р., делится между a-частицей и ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Для разных изотопов энергия a-частиц различна. Она тем больше, чем меньше период полураспада T_1/2 данного изотопа (или его время жизни). У всех известных a-радиоактивных изотопов энергия a-частиц лежит в пределах от 2 Мэв до 9 Мэв. Времена жизни a-радиоактивных ядер колеблются в огромном интервале значений, примерно от 3’10^-7 сек для ²¹²Po до 5’10¹⁵ лет для ¹⁴²Ce. Времена жизни и энергии a-частиц приведены в таблице в ст. Изотопы; там же указаны и все a-радиоактивные изотопы.

a-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 a-частицы требуется очень большое число столкновений (10⁴-10⁵). Поэтому в среднем все a-частицы данной энергии проходят примерно одинаковые пути с небольшим разбросом (3-4% ). Так как столкновение тяжёлой a-частицы с лёгким электроном не может заметно изменить направление её движения, то этот путь - пробег a-частицы - прямолинеен.
Т. о., a-частицы данной энергии имеют вполне определённый пробег до остановки; например, в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре a-частицы имеют пробеги приблизительно от 2,5 до 8,5 см. По длине следов a-частиц в камере Вильсона можно качественно определить изотопный состав радиоактивного образца. На рис. 1 приведена фотография следов a-частиц, испускаемых при А.-р.
При вылете из ядра a-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 a-частицы с остальной частью ядра обусловливает появление силы отталкивания.
На рис. 2 показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия a-частицы с конечным ядром (ядром, остающимся после вылета a-частицы) от расстояния до центра ядра. Из рис. видно, что a-частица должна при вылете преодолеть потенциальный барьер.
Полная (т. е. потенциальная плюс кинетическая) энергия a-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 a-частицы в ядре (или, другими словами, энергетический уровень a-частицы в ядре). Положительный избыток полной энергии, обозначенный буквой Е, представляет собой разницу между массой радиоактивного ядра и суммой масс a-частицы и конечного ядра.
Если бы не существовало потенциального барьера, высота которого V, например, для ?равна 15 Мэв, то a-частица с положительной кинетической энергией Е (для ?кинетическая энергия составляла бы~4,2 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 ³ 50, для которых Е положительно.
С другой стороны, с точки зрения классической механики, a-частица с энергией Е < V должна постоянно находиться внутри ядра, потому что для преодоления потенциального барьера у неё не хватает энергии. В рамках классических представлений явление a-радиоактивности понять невозможно.
Квантовая механика, учитывая волновую природу a-частиц, показывает, что существует конечная вероятность "просачивания" a-частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект). Барьер становится как бы частично прозрачным для a-частицы. Прозрачность барьера зависит от его высоты V и ширины B следующим образом:
прозрачность ??(*).
Здесь b - величина, зависящая от радиуса r ядра, m - масса a-частицы, Е - еёэнергия (см. рис. 2). Прозрачность (проницаемость) барьера тем больше, чем меньше его ширина и чем ближе к вершине потенциального барьера расположен энергетический уровень a-частицы (чем больше энергия a-частицы в ядре).
Вероятность А.-р. пропорциональна проницаемости потенциального барьера. Поскольку с увеличением энергии a-частицы уменьшается ширина барьера (рис. 2), становится понятной полученная экспериментально резкая зависимость вероятности А.-р. от Е - кинетической энергии a-частиц. Например, при увеличении энергии испускаемых a-частиц с 5 до 6 Мэв вероятность А.-р. увеличивается в 10⁷ раз.
Вероятность А.-р. зависит также и от вероятности образования a-частицы в ядре. Прежде чем a-частица покинет ядро, она должна там сформироваться. Постоянно a-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 (~10^-6) вероятность образования a-частицы в ядре на какое-то короткое время в результате случайного сближения 4 нуклонов. Только когда a-частица покинет ядро и окажется достаточно далеко от него, можно рассматривать a-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 a-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 ?образуется в основном состоянии. Но если конечное ядро образуется в одном из возбуждённых состояний, то энергия a-частицы будет меньше на величину энергии этого возбуждённого состояния.
Действительно, экспериментально показано, что a-излучение многих радиоактивных элементов состоит из нескольких групп a-частиц, энергии которых близки друг к другу ("тонкая структура" a-спектра). В качестве примера на рис. 3 показан спектр a-частиц от распада ?(висмут-212).
На рис. 4 изображена энергетическая схема a-распада ?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 a-спектров можно только с помощью магнитных альфа-спектрометров.
Знание тонкой структуры спектров a-частиц позволяет вычислить энергию возбуждённых состояний конечного ядра.
Некоторые радиоактивные изотопы испускают небольшое количество a-частиц с энергиями, гораздо большими, чем энергия основной группы a-частиц. Так, например, в спектре a-частиц от распада ?присутствуют две группы с энергиями на 0,7 и 1,9 Мэв больше, чем энергия основной группы. Интенсивность этих двух групп т. н. длиннопробежных a-частиц составляет всего ~ 10^-5 от полной интенсивности a-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 a-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 a-частиц привело к понятию об атомном ядре как центре массы и положительного заряда атома. Облучение a-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.