Какова природа альфа распада

58.Альфа-распад и его закономерности.

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют

радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Альфа-распад — распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер 4He).Альфа-распад — процесс излучения атомами тяжёлых химических элементов альфа-частиц, с одновременным образованием атомов более лёгких химических элементов.Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивность за редким исключением (например 8Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов, кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z2 ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A.Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергииM(A,Z) >M(A-4,Z-2) + Ma, M(A,Z) >M(A-4,Z-2) + Ma, (1)

где M(A,Z) и M(A-4,Z-2) — массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, Ma — масса альфа-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и альфа-частица приобретают суммарную кинетическую энергию

Qa = ( M(A,Z) — M(A-4,Z-2) — Ma ) с2, (2)которая называется энергией альфа-распада. Ядра могут испытывать альфа-распад также на возбужденные состояния конечных ядер и из возбужденных состояний начальных ядер. Поэтому соотношение для энергии альфа-распада (2) можно обобщить следующим образомQa = ( M(A,Z) — M(A-4,Z-2) — Ma ) с2 + — ,

Qa = ( M(A,Z) — M(A-4,Z-2) — Ma ) с2 + — , (3)

(4)

Периоды полураспада известных альфа-радиоактивных нуклидов варьируются от 0.298 мкс для 212Po до >1015 лет для 144Nd, 174Hf. Энергия альфа-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами из основных состояний, составляет 4 — 9 МэВ, ядрами редкоземельных элементов 2 — 4.5 МэВ.Важным свойством альфа-распада является то, что при небольшом изменении энергии альфа-частиц периоды полураспада меняются на многие порядки. Так у 232Th Qa = 4.08 МэВ, T1/2 = 1.41·1010 лет, а у 218Th Qa = 9.85 МэВ, T1/2 = 10 мкс. Изменению энергии в 2 раза соответствует изменение в периоде полураспада на 24 порядка. Для четно-четных изотопов одного элемента зависимость периода полураспада от энергии альфа-распада хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера — Неттолаlg T1/2 = A + B/(Qa)1/2,

где A и B — константы слабо зависящие от Z. С учетом заряда дочернего ядра Z связь между периодом полураспада T1/2 и энергией альфа-распада Qa может быть представлено в виде (B.A. Brown, Phys. Rev. c46, 811 (1992))lg T1/2 = 9.54Z0.6/(Qa)1/2 — 51.37,

lg T1/2 = 9.54Z0.6/(Qa)1/2 — 51.37, (6)

где T1/2 в сек, Qa в МэВ. На рис. 1 показаны экспериментальные значения периодов полураспада для 119 альфа -радиоактивных четно-четных ядер (Z от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения (6).

Источник

Какова природа альфа распада

Альфа-распад — распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер 4 He).
Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными . Альфа-радиоактивность за редким исключением (например 8 Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов, кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z 2 ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A.
Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергии

где M(A,Z) и M(A-4,Z-2) — массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, M_α — масса альфа-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и альфа-частица приобретают суммарную кинетическую энергию

которая называется энергией альфа-распада . Ядра могут испытывать альфа-распад также на возбужденные состояния конечных ядер и из возбужденных состояний начальных ядер. Поэтому соотношение для энергии альфа-распада (2) можно обобщить следующим образом

где и — энергии возбуждения начального и конечного ядер соответственно. Альфа-частицы, возникающие в результате распада возбужденных состояний, получили название длиннопробежных . Для большинства ядер с A > 190 и для многих ядер с 150 < A < 190 условие (12) выполняется, однако далеко не все они считаются альфа-радиоактивными. Дело в том, что современные экспериментальные возможности не позволяют обнаружить альфа-радиоактивность для нуклидов с периодом полураспада большим, чем 10 16 лет. Кроме того, часть “потенциально” альфа-радиоактивных ядер испытывают также бета-распад, который сильно конкурирует с альфа-распадом.
Основную часть энергии альфа-распада (около 98%) уносят альфа-частицы. Используя законы сохранения энергии и импульса для кинетической энергии альфа-частицы T_α можно получить соотношение

Периоды полураспада известных альфа-радиоактивных нуклидов варьируются от 0.298 мкс для 212 Po до для 144 Nd, 174 Hf. Энергия альфа-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами из основных состояний, составляет 4 — 9 МэВ, ядрами редкоземельных элементов 2 — 4.5 МэВ.
Важным свойством альфа-распада является то, что при небольшом изменении энергии альфа-частиц периоды полураспада меняются на многие порядки. Так у 232 Th Q_α = 4.08 МэВ, T_1/2 = 1.41·10 10 лет, а у 218 Th Q_α = 9.85 МэВ, T_1/2 = 10 мкс. Изменению энергии в 2 раза соответствует изменение в периоде полураспада на 24 порядка.
Для четно-четных изотопов одного элемента зависимость периода полураспада от энергии альфа-распада хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера — Неттола

где A и B — константы слабо зависящие от Z. С учетом заряда дочернего ядра Z связь между периодом полураспада T_1/2 и энергией альфа- распада Q_α может быть представлено в виде (B.A. Brown, Phys. Rev. c46, 811 (1992))

где T_1/2 в сек, Q_α в МэВ. На рис. 1 показаны экспериментальные значения периодов полураспада для 119 альфа-радиоактивных четно-четных ядер (Z от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения (6).

Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция сохраняется, но их периоды полураспада в 2 — 1000 раз больше, чем для четно-четных ядер с данными Z и Q_α.
Основные особенности альфа-распада, в частности сильную зависимость вероятности альфа-распада от энергии удалось в 1928 г. объяснить Г. Гамову и независимо от него Р. Герни и Э. Кондону. Ими было показано, что вероятность альфа-распада в основном определяется вероятностью прохождения альфа-частицы сквозь потенциальный барьер.
Рассмотрим простую модель альфа-распада. Предполагается, что альфа-частица движется в сферической области радиуса R, где R — радиус ядра. Т.е. в этой модели предполагается, что альфа-частица постоянно существует в ядре.
Вероятность альфа-распада равна произведению вероятности найти альфа-частицу на границе ядра f на вероятность ee прохождения через потенциальный барьер D (прозрачность барьера)

Можно отожествить f с числом соударений в единицу времени, которые испытывает альфа-частица о внутренние границы барьера, тогда

где v, T_a, _a — скорость внутри ядра, кинетическая энергия и приведенная масса альфа-частицы, V₀ — ядерный потенциал. Подставив в выражение (8) V₀ = 35 МэВ, T_a = 5 МэВ, получим для ядер с A 200, f 10 21 с -1 .
Hа рис.2 показана зависимость потенциальной энергии между альфа-частицей и остаточным ядром от расстояния между их центрами. Кулоновский потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу остаточного ядра. Высота кулоновского барьера B_k определяется соотношением

Здесь Z и z — заряды (в единицах заряда электрона e) остаточного ядра и альфа-частицы соответственно. Например для 238 U B_k 30 МэВ.

Можно выделить три области.

1. r < R - сферическая потенциальная яма глубиной V. В классической механике альфа-частица с кинетической энергией T_a+ V₀ может двигаться в этой области, но не способна ее покинуть. В этой области существенно сильное взаимодействие между альфа-частицей и остаточным ядром.
2. R < r < r_e — область потенциального барьера, в которой потенциальная энергия больше энергии альфа-частицы, т.е. это область запрещенная для классической частицы.
3. r > r_e — область вне потенциального барьера. В квантовой механике возможно прохождение альфа-частицы сквозь барьер (туннелирование), однако вероятность этого весьма мала.

(Аналогично влияние кулоновского барьера и в случае ядерной реакции, когда альфа-частица подлетает к ядру. Если ее энергия меньше высоты кулоновского барьера, она скорее всего рассеется кулоновским полем ядра, не проникнув в него и не вызвав ядерной реакции. Вероятность таких подбарьерных реакций очень мала.)

Квантово-механическое решение задачи о прохождении частицы через потенциальный барьер дает для вероятности прохождения (коэффициента прозрачности барьера) D

где μ_α— приведенная масса, T_α — энергия α-частицы. В приближении T_α k, где B_k — высота кулоновского барьера (предполагается, что барьер чисто кулоновский) описывается соотношением

Приведенные выше формулы описывают эмиссию альфа-частиц с нулевым орбитальным моментом l. Однако возможен распад и с ненулевым орбитальным моментом, более того, в ряде случаев распад с l = 0 запрещен законами сохранения. В этом случае к кулоновскому V_k(r) добавляется центробежный потенциал V_ц(r)

Источник