Министерство образования и науки Украины

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Альфа-радиоактивность

составитель

Ю.В. Сорокин

2002

Альфа-радиоактивность

Теоретическое введение.

Тяжелые ядра с Z>83 часто оказываются динамически нестабильными относительно -распада. В таких ядрах энергетически возможно самопроизвольное испускание -частиц — ядер гелия , состоящих из двух нейтронов и двух протонов с энергией связи   28 МэВ. Если обозначить массу исходного (материнского) ядра , массу дочернего ядра и массу -частицы т_ , то энергетическое условие самопроизвольного -распада может быть записано как

.

Альфа - радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием -частиц (- частица это ядро атома гелия ).

- распад протекает по следующей схеме:

Буквой X обозначен химический символ распадающегося материнского ядра, буквой Y – символ образующегося (дочернего) ядра. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего ядра на 2 единицы, а массовое число - на 4 единицы меньше, чем у исходного ядра. Примером -распада может служить превращение ядер урана в ядра тория:

Скорости, с которыми -частицы вылетают из распадающегося ядра, очень велики (107 м/с).Пролетая через вещество, -частица теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества. В воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом теле пробег имеет величину порядка 10-3 см (например, -частицы полностью задерживаются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия -частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и - частицы. Эта избыточная энергия распределяется между -частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам.

Известно около 150 -радиоактивных ядер, значительная часть которых — искусственные изотопы. В естественных условиях существует 30 -активных ядер в трех цепочках радиоактивных изотопов (урановый, актиниевый и ториевый ряды). Эти цепочки начинаются ядрами , и после ряда последовательных - и -распадов кончаются, соответственно изотопами свинца , и (ядерная конфигурация из 82 протонов очень стабильна). Найден и четвертый, нептунивый, ряд, начинающийся с трансуранового элемента и заканчивающийся стабильным изотопом .

Благодаря малой массе -частицы по сравнению с массой дочернего ядра ( ) основная часть энергии, выделяющейся при распаде исходного ядра, уносится -частицей. Так как при распаде образуются только две частицы (с энергией, распределенной между ними в соответствии с законами сохранения энергии и импульса), то для определенного распадающегося изотопа кинетическая энергия вылетающих -частиц строго постоянна (рис. 1). Соответственно спектры -частиц дискретны (моноэнергетичны).

Однако во многих случаях распад идет не только на основной, но и на возбужденные уровни дочернего ядра (рис. 2). В двух известных случаях - при распадах и из возбужденных состояний, которые образуются при -распаде изотопов Bi, — испускаются так называемые длиннопробежные -частицы, обладающие большей энергией, чем основная группа.

Важное свойство -распада заключается в том, что периоды полураспада меняются в громадных пределах, хотя энергии, всех излучаемых, -частиц лежат в сравнительно узком интервале: приблизительно от 4 до 9 МэВ. Например, для , испускающего -частицы с энергией E_ = 8,336 .МэВ, период полураспада T_1/2= 4,210^-6 с =1,3310^-13 лет, а для с E_ = 3,98 МэВ T_1/2=4,410¹⁷ с=1,3810¹⁰ лет. Как показали Гейгер и Нэттол в 1911 г., большим вероятностям распада  соответствуют и большие энергии. Зависимость lg от lgE_ хорошо аппроксимируется прямой линией, а закон Гейгера—Нэттола может быть записан в виде

,

где a и b — константы,  =ln2/T_1/2.