11.8. Альфа-распад

Испускание радиоактивным ядром частицы (ядро изотопа гелия ) называют-распадом. Масса частицы m_ = 6,64410^27 кг содержит два протона и два нейтрона. Спин и магнитный момент равняются нулю. Энергия связи W_св = 28,11 МэВ. Опытным путем установлено, что частицы испускаются только тяжелыми ядрами с Z  82. При распаде массовое число А радиоактивного ядра уменьшается на четыре единицы, а заряд Z  на две (правило Содди и Фаянса):

, (11.24)

где  исходное (материнское) радиоактивное ядро;  новое (дочернее) радиоактивное ядро. Энергия, выделяющаяся при распаде,

Q = [M_A  M_A-4 M_]c², (11.25)

где M_A  масса материнского ядра; M_A-4  масса дочернего ядра; M_  масса  частицы.

Энергетическое условие возможности распада заключается в том, чтобы энергия связи (Q < 0) частицы относительно материнского ядра была отрицательна.

Время жизни радиоактивных ядер лежит в пределах от 310^7 с (например,  изотоп свинца) до 10¹⁷ лет (например,  изотоп полония). Кинетическая энергия вылетевших из ядра частиц изменяется от 1,83 МэВ до 11,65 Мэв. Пробег частиц с типичной кинетической энергией W_k = 6 МэВ составляет в воздухе 5 см, а в алюминии  0,05 мм.

Спектр излучения частиц  линейчатый, представляет собой моноэнергетические линии, соответствующие переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра. Вероятность распада и ее зависимость от энергии частицы и заряда ядра, определяется кулоновским барьером.

Теория распада предложена Гамовым (1927 г), в ней рассматривается движение частицы в потенциальном ящике с барьером (рис. 11.8, пунктирная линия).

Рис. 9.8

Так как, энергия частиц составляет 4,7610 МэВ, а высота кулоновского барьера 25  30 МэВ, то вылет частиц из ядра может происходить только за счет туннельного эффекта. Вероятность этого процесса определяется проницаемостью барьера.

Если потенциальная энергия барьера больше полной энергии W вылета частицы (W_p  W), то говорят о ее подбарьерном прохождении. Если потенциальная энергия барьера меньше полной энергии вылета частицы (W_p < W), то говорят о ее надбарьерном прохождении. Следовательно, распад  подбарьерное прохождении частицы. Внутри барьера деление полной энергии W на кинетическую и потенциальную лишено смысла.

Далеко за пределами ядра движение частицы  классическое, а вся ее энергия  кинетическая. Если частица вылетает из ядра, имея орбитальный момент импульса (), то перейдя в систему отсчета, вращающуюся вместе с частицей, необходимо добавить к кулоновской потенциальной энергииW_кул центробежную потенциальную энергию

, (11.26)

где , (L  орбитальный момент импульса).

Центробежный барьер создается центробежной силой, а она стремится удалить частицу от ядра, т. е. эта сила должна способствовать распаду, что было бы верно, если бы происходил надбарьерный процесс.

Однако  распад является подбарьерным процессом.

Поэтому центробежная сила повышает потенциальный барьер и увеличивает его ширину: она уменьшает постоянную распада и увеличивает период полураспада. Современный подход к описанию распада опирается на методы, используемые в квантовой теории ядерных реакций. Анализ экспериментальных данных показывает, что частицы не существуют в ядре все время, а с некоторой вероятностью образуются на его поверхности перед вылетом. Корпускулярные свойства частиц проявляются вне ядра. Внутри ядра они проявляют волновые свойства, совершая колебания с =410²⁰ с^1 (=10^14 м, v 10⁶ ). и наталкиваясь на стенки потенциального барьера, волны частиц испытывают “полное внутреннее отражение”, но иногда проникают сквозь барьер. Чем больше энергия частицы в ядре, тем больше вероятность, что она покинет ядро. Почему частицы вылетают из ядра? Потому, что радиоактивные ядра нестабильны по своей природе. Чем объясняется моноэнергетичность вылетающих частиц? частица в ядре имеет строго определенную квантованную энергию, с которой она и движется, покинув ядро.

Период полураспада ядер определяется в основном энергией частиц. Чем больше эта энергия, тем меньше ширина потенциального барьера, который ей необходимо преодолеть, тем больше вероятность просочиться сквозь него и тем меньше период полураспада.

Например, W = 4,2 МэВ, Т= 4,510⁹ лет; для полония W = 6 МэВ; Т= 3 мин. Время и место распада радиоактивных ядер определяется законом случая. Ядро  микрообъект, подчиняющийся законам квантовой механики, в которой действуют вероятностные законы.

Момент распада предсказать невозможно.