А́льфа-распа́д (α-распад), испускание атомным ядром альфа-частицы (ядра ⁴He). Альфа-распад из основного (невозбуждённого) состояния ядра называют также альфа-радиоактивностью.

Термин «$α$-лучи» был введён вскоре после открытия А. А. Беккерелем в 1896 г. радиоактивности для обозначения наименее проникающего вида излучения, испускаемого радиоактивными веществами. В 1909 г. 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: $${^AZ→\ ^{A-4}(Z–2) +\ ^4_2He+Q} \tag 1.$$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 $α$-радиоактивных ядер лежат в пределах от 10¹⁷ лет (²⁰⁴Pb) до 3 · 10^–7 с (²¹²Po). 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 (¹⁴⁴Nd) до 11,65 МэВ (изомер ^212mPo).

Кулоновский потенциал ядра.Кулоновский потенциал ядра.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 $α$-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 ядра. 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 (закон Гейгера – Неттолла), связывающее период полураспада $Т_{1/2}$ с энергией распада $Q$:

$$\lg T_{1/2} \propto1/\sqrt Q\tag 2.$$Это соотношение лучше всего выполняется для переходов между основными состояниями ядер с чётным числом нейтронов и протонов.

Теория альфа-распада

Простейшая теория альфа-распада предложена Г. А. Гамовым в 1928 г., 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 (см. рисунок). Так как высота кулоновского барьера у тяжёлых ядер составляет 25–30 МэВ, а энергия $α$-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-распада 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 $α$-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 $ln2=0,693$) можно представить как произведение трёх сомножителей:

$$λ =0,693/Т_{1/2}=SPν\tag 3.$$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 ядра. Фактор $Р$ есть вероятность прохождения кулоновского барьера (его проницаемость) $α$-частицей заданной энергии. Третий множитель $ν$ – это число попыток в единицу времени проникнуть через барьер. Если бы в ядре существовала реальная $α$-частица, то величина $ν$ была бы близка к частоте соударений $α$-частицы с барьером, т. е. единице, делённой на время пролёта $α$-частицей диаметра ядра. Истинная величина $ν$ 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 т. н. длиннопробежных $α$-частиц, известны давно и причисляются к явлению $α$-радиоактивности. Длиннопробежные $α$-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 (см. Кластерная модель ядра). Изучение альфа-распада высоковозбуждённых состояний ядер – один из важных методов исследования ядерной структуры при больших энергиях возбуждения.