Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

А́ЛЬФА-РАСПА́Д

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 1. Москва, 2005, стр. 572

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. А. Оглоблин

А́ЛЬФА-РАСПА́Д (α-рас­пад), ис­пус­ка­ние атом­ным ядром аль­фа-час­ти­цы (яд­ра 4He). А.-р. из ос­нов­но­го (не­воз­бу­ж­дён­но­го) со­стоя­ния яд­ра на­зы­ва­ют так­же аль­фа-ра­дио­ак­тив­но­стью.

Тер­мин «α-лу­чи» был вве­дён вско­ре по­сле от­кры­тия А. А. Бек­ке­ре­лем в 1896 ра­дио­ак­тив­но­сти для обо­зна­че­ния наи­ме­нее про­ни­каю­ще­го ви­да из­лу­че­ния, ис­пус­кае­мо­го ра­дио­ак­тив­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми. В 1909 Э. Ре­зер­форд и Т. Ройдс до­ка­за­ли, что α-час­ти­цы яв­ля­ют­ся два­ж­ды ио­ни­зо­ван­ны­ми ато­ма­ми ге­лия.

При А.-р. мас­со­вое чис­ло А ма­те­рин­ско­го яд­ра умень­ша­ет­ся на 4 еди­ни­цы, а за­ряд (чис­ло про­то­нов) Z – на 2: $${^AZ→\,^{A-4}(Z–2) + ^4_2He+Q}. \tag1$$Энер­гия Q, вы­де­ляю­щая­ся при А.-р., оп­ре­де­ля­ет­ся раз­но­стью масс ма­те­рин­ско­го яд­ра и обо­их про­дук­тов рас­па­да. А.-р. 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 сек (212Po). Од­на­ко во мн. слу­ча­ях вре­ме­на жиз­ни ядер (пе­рио­ды по­лу­рас­па­да), для ко­то­рых >0, ока­зы­ва­ют­ся слиш­ком боль­ши­ми и аль­фа-ра­дио­ак­тив­ность на­блю­дать не уда­ёт­ся. Ки­не­тич. энер­гия α-час­тиц из­ме­ня­ет­ся от 1,83 МэВ (144Nd) до 11,65 МэВ (изо­мер 212mPo).

Из­вест­но св. 300 α-ра­дио­ак­тив­ных нук­ли­дов, по­лу­чен­ных в осн. ис­кус­ст­вен­но. По­дав­ляю­щее боль­шин­ст­во их от­но­сит­ся к эле­мен­там, рас­по­ло­жен­ным в пе­рио­дич. 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 неск. ко­рот­ко­жи­ву­щих α-из­лу­чаю­щих нук­ли­дов с А=106–116.

Альфа-спектроскопия

Аль­фа-час­ти­цы, вы­ле­таю­щие из ма­те­рин­ских ядер при их рас­па­де, обыч­но об­ра­зу­ют неск. групп с разл. энер­ги­ей. Распределение этих групп по энергиям на­зы­ва­ет­ся энер­ге­тич. спек­тром, а об­ласть экс­пе­рим. 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 отд. уров­ней до­чер­не­го яд­ра – их энер­гии воз­бу­ж­де­ния, спи­ны, чёт­но­сти, а так­же ве­ро­ят­но­сти их об­ра­зо­ва­ния. По­лу­чен­ная спек­тро­ско­пич. ин­фор­ма­ция ока­зы­ва­ет­ся важ­ным, а ино­гда и един­ст­вен­ным ис­точ­ни­ком све­де­ний о струк­ту­ре как до­чер­не­го, так и ма­те­рин­ско­го ядер. 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 разл. ти­пов, по­зво­ляю­щие по­лу­чить энер­ге­тич. 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 эм­пи­рич. со­от­но­ше­ние (Гей­ге­ра – Нет­тол­ла за­кон), свя­зы­ваю­щее пе­ри­од по­лу­рас­па­да $Т_{1/2}$ с энер­ги­ей рас­па­да $Q$:

$$\lg T_{1/2} \propto1/\sqrt Q. \tag2$$

Это со­от­но­ше­ние луч­ше все­го вы­пол­ня­ет­ся для пе­ре­хо­дов ме­ж­ду осн. со­стоя­ния­ми ядер с чёт­ным чис­лом ней­тро­нов и про­то­нов.

Теория альфа-распада

Кулоновский потенциал U(r) ядра:1 – потенциальная яма; 2 – кулоновский барьер. Eα  – энергия α-частицы.

Про­стей­шая тео­рия А.-р. пред­ло­же­на Г. Га­мо­вым в 1927, 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 (рис.). Т. к. 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 клас­сич. ме­ха­ни­ки и мо­жет про­ис­хо­дить толь­ко за счёт кван­то­во-ме­ха­нич. тун­нель­но­го эф­фек­та. Ис­поль­зуя уп­ро­щён­ную фор­му барь­е­ра и пред­по­ла­гая, что α-час­ти­ца на­хо­дит­ся внут­ри яд­ра, мож­но по­лу­чить для ве­ро­ят­но­сти А.-р. вы­ра­же­ние, экс­по­нен­ци­аль­но за­ви­ся­щее от энер­гии α-час­ти­цы, т. е. вы­ра­же­ние ти­па (2). Тео­рия Га­мо­ва ус­та­но­ви­ла, что осн. фак­тором, оп­ре­де­ляю­щим ве­ро­ят­ность А.-р. и её за­ви­си­мость от энер­гии α-час­ти­цы и за­ря­да яд­ра, яв­ля­ет­ся ку­ло­нов­ский барь­ер.

Совр. под­ход к опи­са­нию А.-р. опи­ра­ет­ся на ме­то­ды, ис­поль­зуе­мые в тео­рии ядер­ных ре­ак­ций. Ве­ро­ят­ность А.-р. λ (ве­ли­чи­ну, об­рат­ную пе­рио­ду по­лу­рас­па­да Т1/2 с точ­но­стью до мно­жи­те­ля ln2=0,693) мож­но пред­ста­вить как про­из­ве­де­ние трёх со­мно­жи­те­лей:

$$λ =0,693/Т_{1/2}=SPν.\tag3$$

Мно­жи­тель S, на­зы­вае­мый спек­тро­ско­пич. фак­то­ром, оп­ре­де­ля­ет ве­ро­ят­ность то­го, что α-час­ти­ца мо­жет сфор­ми­ро­вать­ся в дан­ном ма­те­рин­ском яд­ре из двух про­то­нов и двух ней­тро­нов. Эта ве­ро­ят­ность за­ви­сит от внутр. струк­ту­ры как на­чаль­но­го, так и ко­неч­но­го ядер. 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, А.-р. 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 экс­пе­рим. 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 зна­чит. 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 до­пол­нит. энер­гию за счёт энер­гии воз­бу­ж­де­ния уров­ня, ко­то­рая до­бав­ля­ет­ся к энер­гии рас­па­да Q. Как пра­ви­ло, А.-р. 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 спек­тро­ско­пич. фак­то­ры, близ­кие к еди­ни­це, что по­зво­ля­ет го­во­рить об альфа-час­тич­ной струк­ту­ре та­ких ядер (см. Кла­стер­ная мо­дель яд­ра). Изу­че­ние А.-р. вы­со­ко­воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний ядер – один из важ­ных ме­то­дов иссле­до­ва­ния ядер­ной струк­ту­ры при боль­ших энер­ги­ях воз­бу­ж­де­ния.

Лит.: Аль­фа-, бе­та- и гам­ма-спек­тро­ско­пия. М., 1969. Вып. 2; Со­ловь­ев В. Г. Тео­рия атом­но­го яд­ра: Ядер­ные мо­де­ли. М., 1981.

Вернуться к началу