альфа-распад

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 М_А и М_A-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 A_Z и B_Z - 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

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 ф-ций 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 R_C), а P_C (R_C) - 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 В_L центробежного барьера относительно его проницаемости В₀ при L=0 (Z=90, Q = 4,5 МэВ).

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.

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., в. 2, М., 1969; Соловьев В. Г., Теория атомного ядра. Ядерные модели, М., 1981. А. А. Оглоблин.

   <<      Предметный указатель      >>