§31.2. Альфа-распад

Превращения атомных ядер, сопровождаемые испусканием α-частиц, называют α-распадом(рис.31.4).. α–частицы – это положительно заряженные ядра атомов гелия. Ядро гелия образуется из двух протонов и двух нейтронов и является наиболее устойчивым из всех виртуальных образований внутри ядра.

Если символом обозначить материнское ядро, то превращение этого ядра при α -распаде будет происходить по схеме

(31.7)

—символ дочернего ядра; hν-γ-квант, испускаемый ядром , находящимся в возбужденном состоянии].

Особенности α-распада.

1. α -распад уменьшает массовое число на 4, а заряд ядра - на 2 элементарных положительных заряда, т. е. происходит перемещение химического элемента на две клетки влево в периодической системе элементов Менделеева.

2. Скорости, с которыми α-частицы вылетают из ядра, порядка 10 м/с, что соответствует энергии порядка нескольких мегаэлектронвольт.

3. Двигаясь в веществе, α-частицы производят ионизацию атомов или молекул вещества, теряя при этом энергию и образуя на своем пути около 10⁵ пар ионов. О траектории движения α-частицы можно судить по ее ионизирующему действию. Под пробегом α-частицы понимают то расстояние, на котором она производит ионизацию. При нормальных условиях пробег α-частицы в воздухе не превышает 4 см и зависит от источника α-частиц, например для урана U-238 — 2,7 см, радия-226 — 3,3 см, тория-232 — 2,8 см. В жидкостях и твердых телах пробег α-частицы составляет миллионные доли метра.

4. Экспериментальные данные говорят о том, что скорость, а следовательно, и энергия α-частиц, возникающих в результате α-распада ядра, имеют определенное значение.

Энергия, выделяющуюся в результате α-распада распределяется между дочерним ядром и α-частицей в отношении, обратно пропорциональном их массам. Дочернее ядро, возникающее при α-распаде, может находиться как в нормальном, так и в возбужденном состоянии. Максимальное значение скорости α-частицы соответствует тому случаю, когда в результате α-распада образуется дочернее ядро в нормальном состоянии. Переход дочернего ядра из возбужденного в нормальное состояние сопровождается испусканием γ-кванта определенной энергии. Так как энергия дочернего ядра принимает лишь определенные значения (квантуется), α-частицы, возникающие в процессе распада ядра, имеют лишь определенные значения скоростей, а следовательно, и энергий.

Гамма-квант может не вылететь за пределы атома, а передать свою энергию одному из электронов К-, L- или M-оболочки атома, в результате чего электрон покидает атом. Это явление называют внутренней конверсией. На вакантное место переходит электрон с другой оболочки. При переходе электрона с оболочки на оболочку возникает рентгеновское излучение. Таким образом, явление внутренней конверсии всегда сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения.

Процесс α -распада состоит из двух стадий: образования α -частицы в ядре атома и испускания ее ядром. На образовавшуюся α-частицу в ядре действуют как ядерные силы притяжения, так и кулоновские силы отталкивания. Опыты по рассеянию α-частиц показывают, что на расстоянии г ≥ 3•10^-14 м от центра ядра на α-частицу действуют кулоновские силы отталкивания, при меньших расстояниях эти силы уменьшаются и вступают в действие ядерные силы притяжения. Следовательно, покидая ядро, α-частица должна преодолеть потенциальный барьер шириной d (рис. 31.5).

Высота потенциального барьера, как следует из опытов, например, для ядра уранапорядка 8,8 МэВ, максимальная энергия частицы, покидающей ядро урана— 4,2 МэВ. Волновая механика допускает возможность α-частицы, обладающей такой энергией, просочиться сквозь потенциальный барьер ядра. Это явление получило название туннельного эффекта. Вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер может быть определена из решения уравнения Шредингера. На основании этого же уравнения можно найти вероятность α -распада ядра. Как следует из теории, эта вероятность зависит от энергии

α-частицы, от высоты и ширины d потенциального барьера.

Так, α -частица в ядре движется со скоростью 0,01с, что соответствует частоте 10²⁰ Гц. Если частица хотя бы десятую часть всего времени находится у поверхности ядра, то она делает в секунду 10¹⁹ попыток вырваться за его пределы. Так как период полураспада равен Т= 4,5 млрд. лет («10¹⁷ с), то лишь одна из 10³⁶ попыток α-частицы вырваться из ядра может быть успешной.