Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.

Явление α - распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α - частицы. Происходит самопроизвольное деление атомного ядра на α - частицу (ядро атома гелия ₂He⁴) и ядро-продукт. При этом массовое число нового ядра уменьшается на четыре единицы, а его зарядовое число ( атомный номер) - на две:

Частота характеризует скорость повторяемости колебательного движения. Частоту измеряют количеством полных колебаний за единицу времени

 

ZXA→2He4+Z-2YA-4.

(1)

 

Исходное ядро _ZX^A называется материнским, а ядро-продукт _Z-2Y^A-4 - дочерним. Известны следующие характерные эмпирические особенности α - распада:

• Альфа-распад идет только для тяжелых ядер при значениях зарядового числа Z≥82

• Периоды полураспада α радиоактивных ядер варьируются в широчайших пределах от 1,4·10¹⁷ до 10^-6 с.

• Альфа-частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию, но для разных ядер эти энергии варьируются в диапазоне от 3,99 МэВ до 8,78 МэВ.

Закон сохранения массы-энергии для α - распада имеет вид

 

mXc2=mYc2+mαc2+KY+Kα,

(2)

 

где K_Y,K_α - соответственно кинетические энергии дочернего ядра и частицы. Материнское ядро считается неподвижным, поэтому K_X=0. Энергетический эффект α - распада - разность энергий материнского ядра и продуктов распада равен сумме кинетических энергий этих новых частиц:

 

Q=[mX-(mY-mя)]c2=KY+Kα.

(3)

 

Энергетический эффект α - распада можно определить соотношением

 

Q=Eсв(A-4,Z-2)-Eсв(Z,A)-Eсв(α).

(4)

 

Примером α - радиоактивного изотопа может служить первый из открытых радиоактивных изотопов - изотоп урана ₉₂U²³⁸. Схема его распада имеет вид

 

92U238→2He4+9Th234.

(5)

 

Кинетическая энергия частицы равна 4,18 МэВ, а кинетическая энергия изотопа тория равна 0,07 МэВ.

В большинстве случаев испускается несколько групп частиц близкой, но различной энергии. Этим обусловлена тонкая структура α - спектра. Причина заключается в том, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, состоянии, но и в возбужденных состояниях. В возбужденном состоянии ядро находится в среднем порядка 10^-8÷10^-16 с. Затем переходит либо в основном состоянии, либо в менее возбужденном состоянии, но, в конечном счете, все же окажется в основное состояние. Когда ядро переходит в менее возбужденное состояние, оно излучает фотоны высокой энергии, которые обычно называют γ - фотонами. Таким образом, альфа-распад сопровождается γ - излучением. Однако ядро может передать избыток энергии непосредственно одному из электронов атомной оболочки, в результате чего этот электрон покидает атом. Это явление называется электронной конверсией. Следствием электронной конверсии будет рентгеновское излучение, когда вакантное энергетическое состояние переходит электрон внешней оболочки атома, при котором происходит излучение фотонов.

Характерной особенностью распада является сильная зависимость периода полураспада от энергии вылетающей α - частицы K_α. Эта зависимость выражается законом Гейгера - Наталла

 

lnT1/2=ClnKα+B.

(6)

 

Этот закон теоретически был объяснен квантовомеханическим туннельным эффектом.