А́ЛЬФА-РАСПА́Д (α
-распад), испускание атомным ядром альфа-частицы (ядра 4He). А.-р. из основного (невозбуждённого) состояния ядра называют также альфа-радиоактивностью.
Термин «α-лучи» был введён вскоре после открытия А. А. Беккерелем в 1896 радиоактивности для обозначения наименее проникающего вида излучения, испускаемого радиоактивными веществами. В 1909 Э. Резерфорд и Т. Ройдс доказали, что α-частицы являются дважды ионизованными атомами гелия.
При А.-р. массовое число А материнского ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд (число протонов) Z — на 2: $${^AZ→\,^{A-4}(Z—2) + ^4_2He+Q}. \tag1$$Энергия Q, выделяющаяся при А.-р., определяется разностью масс материнского ядра и обоих продуктов распада. А.-р. энергетически возможен, если величина Q положительна. Это условие выполняется почти для всех ядер с А >150. Наблюдаемые времена жизни α-радиоактивных ядер лежат в пределах от 1017 лет (204Pb) до 3·10—7 сек (212Po). Однако во мн. случаях времена жизни ядер (периоды полураспада), для которых Q >0, оказываются слишком большими и альфа-радиоактивность наблюдать не удаётся. Кинетич. энергия α-частиц изменяется от 1,83 МэВ (144Nd) до 11,65 МэВ (изомер 212mPo).
Известно св. 300 α-радиоактивных нуклидов, полученных в осн. искусственно. Подавляющее большинство их относится к элементам, расположенным в периодич. системе за свинцом (Z>82). Имеется группа α-радиоактивных нуклидов в области лантаноидов (А=140—160), а также небольшая группа между лантаноидами и свинцом. В ядерных реакциях с тяжёлыми ионами синтезировано неск. короткоживущих α-излучающих нуклидов с А=106—116.
Альфа-спектроскопия
Альфа-частицы, вылетающие из материнских ядер при их распаде, обычно образуют неск. групп с разл. энергией. Распределение этих групп по энергиям называется энергетич. спектром, а область эксперим. физики, занимающаяся изучением спектров α-частиц, — альфа-спектроскопией. Каждая из линий спектра соответствует определённому состоянию (уровню энергии) дочернего ядра. Задачей альфа-спектроскопии является измерение энергии и интенсивности каждой из групп α-частиц, а также времён жизни распадающихся ядер. Эти данные позволяют определять характеристики отд. уровней дочернего ядра — их энергии возбуждения, спины, чётности, а также вероятности их образования. Полученная спектроскопич. информация оказывается важным, а иногда и единственным источником сведений о структуре как дочернего, так и материнского ядер. В последнее время альфа-спектроскопия стала одним из важнейших методов исследования, используемых при синтезе сверхтяжёлых элементов.
Измерение энергии и интенсивности α-частиц, испускаемых распадающимися ядрами, производят альфа-спектрометрами. Чаще всего используют кремниевые полупроводниковые детекторы разл. типов, позволяющие получить энергетич. разрешение до 12 кэВ (для α-частиц с энергией 6 МэВ) при светосиле порядка 0,1%. Более высокое разрешение может быть получено с помощью магнитных спектрометров, имеющих, однако, значительно меньшую светосилу и отличающихся сложной и громоздкой конструкцией.
Периоды полураспада
Одна из особенностей α-радиоактивности состоит в том, что при сравнительно небольшом различии в энергии α-частиц времена жизни материнских ядер различаются на много порядков. Ещё задолго до создания теории α-радиоактивности было установлено эмпирич. соотношение (Гейгера — Неттолла закон), связывающее период полураспада $Т_{1/2}$ с энергией распада $Q$:
$$\lg T_{1/2} \propto1/\sqrt Q. \tag2$$
Это соотношение лучше всего выполняется для переходов между осн. состояниями ядер с чётным числом нейтронов и протонов.
Теория альфа-распада
Простейшая теория А.-р. предложена Г. Гамовым в 1927, она явилась первым приложением только что созданной квантовой механики к описанию ядерных явлений. Эта теория рассматривала движение α-частицы в потенциальной яме с кулоновским барьером (рис.). Т. к. высота кулоновского барьера у тяжёлых ядер составляет 25–30 МэВ, а энергия α-частиц всего лишь 5–10 МэВ, то их вылет из ядра запрещён законами классич. механики и может происходить только за счёт квантово-механич. туннельного эффекта. Используя упрощённую форму барьера и предполагая, что α-частица находится внутри ядра, можно получить для вероятности А.-р. выражение, экспоненциально зависящее от энергии α-частицы, т. е. выражение типа (2). Теория Гамова установила, что осн. фактором, определяющим вероятность А.-р. и её зависимость от энергии α-частицы и заряда ядра, является кулоновский барьер.
Совр. подход к описанию А.-р. опирается на методы, используемые в теории ядерных реакций. Вероятность А.-р. λ (величину, обратную периоду полураспада Т1/2 с точностью до множителя ln2=0,693) можно представить как произведение трёх сомножителей:
$$λ =0,693/Т_{1/2}=SPν.\tag3$$
Множитель S, называемый спектроскопич. фактором, определяет вероятность того, что α-частица может сформироваться в данном материнском ядре из двух протонов и двух нейтронов. Эта вероятность зависит от внутр. структуры как начального, так и конечного ядер. Фактор Р есть вероятность прохождения кулоновского барьера (его проницаемость) α -частицей заданной энергии. Третий множитель ν — это число попыток в единицу времени проникнуть через барьер. Если бы в ядре существовала реальная α-частица, то величина ν была бы близка к частоте соударений α-частицы с барьером, т. е. единице, делённой на время пролёта α-частицей диаметра ядра. Истинная величина ν не сильно отличается от такой оценки.
Таким образом, А.-р. является двухстадийным процессом: вначале α-частица должна возникнуть и появиться на поверхности распадающегося ядра, а затем пройти сквозь потенциальный барьер. Рассмотренная выше теория хорошо воспроизводит эксперим. данные и позволяет извлекать из них важную информацию о структуре ядра. В частности, было показано, что, хотя α -частицы и не существуют внутри тяжёлых ядер постоянно, в поверхностном слое ядер нуклоны проводят значит. долю времени в составе альфа-частичных группировок, называемых альфа-кластерами.
Альфа-распад возбуждённых ядер
Отдельные случаи распада из нижних возбуждённых состояний тяжёлых ядер, приводящих к испусканию т. н. длиннопробежных α-частиц, известны давно и причисляются к явлению α-радиоактивности. Длиннопробежные α-частицы получают дополнит. энергию за счёт энергии возбуждения уровня, которая добавляется к энергии распада Q. Как правило, А.-р. возбуждённых ядер изучается с помощью ядерных реакций, и рассмотренная выше теория полностью применима и к этим процессам. Наблюдаемые времена жизни возбуждённых состояний ядер лежат в диапазоне от 10–11 с до 10–22 с. Некоторые распадающиеся состояния лёгких ядер имеют спектроскопич. факторы, близкие к единице, что позволяет говорить об альфа-частичной структуре таких ядер (см. Кластерная модель ядра). Изучение А.-р. высоковозбуждённых состояний ядер — один из важных методов исследования ядерной структуры при больших энергиях возбуждения.