Образование альфа частиц

— распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер 4He). Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются . 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 энергии

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

которая называется . 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 . 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 1016 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 Tα можно получить соотношение

Периоды полураспада известных альфа-радиоактивных нуклидов варьируются от 0.298 мкс для 212Po до 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 Qα = 4.08 МэВ, T1/2 = 1.41·1010 лет, а у 218Th Qα = 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 — Неттола

где A и B — константы слабо зависящие от Z. С учетом заряда дочернего ядра Z связь между периодом полураспада T1/2 и энергией распада Qα может быть представлено в виде (B.A. Brown, Phys. Rev. c46, 811 (1992))

где T1/2 в сек, Qα 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 Qα. 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)

где v, Ta, a — скорость внутри ядра, кинетическая энергия и приведенная масса альфа-частицы, V0 — ядерный потенциал. Подставив в выражение (8) V0 = 35 МэВ, Ta = 5 МэВ, получим для ядер с A 200, f 1021 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 Bk определяется соотношением

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

Можно выделить три области.

(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 μα— приведенная масса, Tα — энергия α-частицы. В приближении Tα << Bk, где Bk — высота кулоновского барьера (предполагается, что барьер чисто кулоновский) описывается соотношением

Рассчитанные по формулам (7), (8) и (11) периоды полураспада правильно передают важнейшую закономерность альфа-распада — сильную зависимость периода полураспадаT1/2 от энергии альфа-частиц Tα (энергии альфа-распада Qα Tα ). При изменении периодов полураспада более чем на 20 порядков отличия экспериментальных значений от расчетных всего 1-2 порядка. Конечно, такие расхождения все же довольно велики. Где их источник и как надо усовершенствовать теорию, чтобы эти расхождения с экспериментом уменьшить? Какие факторы должны быть дополнительно учтены?

См. также С.Г.Кадменский. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения С.Д. Кургалин. Кластерный распад — новое явление ядерной физики С.Г.Кадменский. Кластеры в ядрах

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий