Произошел альфа распад. Типы ядерных превращений, альфа и бета-распад
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
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
Q α = (M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - M α) с 2 + - , |
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 >10 15 лет
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 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, V 0 - ядерный потенциал. Подставив в выражение
(8) V 0 = 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.
|
|
(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.)
Начнем знакомство с разными вариантами распада нестабильных ядер - и с разными способами удерживать ядро от мгновенного развала - с альфа-распада. Альфа-частица - это просто ядро атома гелия, два протона и два нейтрона. Такая комбинация скреплена ядерными силами особенно крепко. Поэтому если уж тяжелое ядро и готово потерять лишние протоны и нейтроны, то они, как правило, вылетают именно в форме альфа-частицы. Этот процесс и называется альфа-распадом.
Вообще-то, ядро просто так альфа-частицу не отпустит: всё-таки между ними действуют ядерные силы притяжения. Вот если бы частица уже оторвалась от ядра и отошла бы на заметное расстояние, то тогда бы силы электрического отталкивания между ними развели бы их прочь. Но проникнуть в эту область просто так не получится - на пути к свободе альфа-частице надо как-то преодолеть высокий и широкий барьер потенциальной энергии. Он не пускает частицу и тем самым предотвращает моментальный альфа-распад ядра. Альфа-частица словно мечется в ядре, постоянно натыкаясь на потенциальный барьер.
По счастью, в квантовой механике частицы не локализованы, а немножко размазаны в пространстве. Поэтому с какой-то пусть очень маленькой, но всё же ненулевой вероятностью альфа-частица рано или поздно сможет оказаться по ту сторону барьера. Частица туннелирует, проходит потенциальный барьер насквозь, несмотря на то, что ей не хватает энергии переползти этот барьер поверху. И вот теперь, наконец-то оказавшись по ту сторону барьера, частица чувствует только электрическое отталкивание и с удовольствием улетает прочь.
Время жизни ядра, готового к альфа-распаду, определяется свойствами этого барьера. Чем выше и шире барьер, тем меньше вероятность просочиться наружу, а значит, тем дольше придется ждать для того, чтобы альфа-распад произошел. В одних случаях барьер очень труднопреодолимый, и время жизни ядра получается безумно большим, вплоть до миллиардов лет. В других случаях барьер оказывается хиленьким, и распад происходит очень быстро. Например, самое простое ядро, способное испытывать альфа-распад - бериллий-8, 8 Be - содержит четыре протона и четыре нейтрона, и потому оно с огромным удовольствием распадается на две альфа-частицы. Его время жизни было измерено полвека назад и составляет 10 −16 с = 100 ас . Заметьте, что это хоть и быстрый распад, но по ядерным масштабам он всё-таки занимает порядка миллиона типичных ядерных циклов.
Между прочим, тот факт, что ядро 8 Be настолько нестабильно, имеет огромное значение для синтеза химических элементов во Вселенной и в конечном итоге - для жизни! В недрах звезд водород постепенно сгорает и превращается в гелий. Ядра гелия, альфа-частицы, постоянно летают, сталкиваются друг с другом и время от времени образуют бериллий-8. Если бы это ядро было стабильным или хотя бы долгоживущим, то на него быстро налипли бы новые альфа-частицы, получился бы углерод, азот и так далее. Иными словами, весь гелий бы очень быстро выгорел. В реальности же 8 Be распадается столь быстро, что редко когда в него успевает воткнуться еще одна альфа-частица. Именно поэтому гелий в звездах так просто не горит. Лишь на очень поздних этапах, когда давление в звезде повышается, процесс тройного превращения альфа-частиц в углерод через промежуточный бериллий-8 запускается на полную катушку.
Альфа-распад
Alpha decay
Альфа-распад
(или
α-распад) – самопроизвольное испускание атомными ядрами альфа-частиц (ядер
атома гелия). Поскольку α-частица представляет собой связанное состояние
двух протонов и двух нейтронов (т.е. ядро гелия), то в результате α-распада
конечное ядро содержит на 2 протона и 2 нейтрона меньше, чем начальное.
Например, α-распад ядра плутония, содержащего 239 нуклонов, в числе которых
94 протона, записывается следующим образом: 239 Pu→
235 U + α . Конечным ядром после распада является
ядро урана, содержащее 235 нуклонов, из которых 92 протона. Альфа-распад
становится энергетически возможным для ядер, содержащих не менее 60 протонов.
Для того чтобы происходил α-распад, необходимо, чтобы масса исходного
ядра M(A,Z) была больше суммы масс конечного ядра M(A-4, Z-2)
и α -частицы m α:
M(A,Z) > M(A-4, Z-2) + m α .
Энергия α-распада
Q α = c 2 .
Энергия, освобождающаяся при α-распаде, обычно заключена в интервале
2–9 МэВ (1 МэВ = 1.6 . 10 -13 Дж) и основная её часть
(≈98%) уносится α-частицей в виде её кинетической энергии. Оставшиеся 2%
- это кинетическая энергия конечного ядра. Периоды полураспада альфа-излучателей
изменяются в очень широких пределах: от 5 . 10 -8 сек
до 8 . 10 18 лет. Столь широкий разброс периодов полураспада,
а также огромные значения этих периодов для многих альфа-радиоактивных ядер
объясняется тем, что α-частица не может “мгновенно” покинуть ядро, несмотря
на то, что это энергетически выгодно. Для того чтобы покинуть ядро, α-частица
должна преодолеть потенциальный барьер - область на границе ядра, образующуюся
за счёт потенциальной энергии электростатического отталкивания α-частицы
и конечного ядра и сил притяжения между нуклонами. С точки зрения классической
физики α-
частица не может преодолеть потенциальный барьер, так как
не имеет необходимой для этого кинетической энергии. Однако квантовая механика
допускает такую возможность - α-частица имеет определенную вероятность пройти
сквозь потенциальный барьер и покинуть ядро. Это квантовомеханическое явление
называют “туннельным эффектом” или “туннелированием”. Чем выше барьер, тем
меньше вероятность туннелирования, а период полураспада больше. Огромный
диапазон периодов полураспада α-излучателей объясняется различным сочетанием
кинетических энергий α-частиц и высот потенциальных барьеров. Если бы барьера
не существовало, то альфа-
частица за время ≈10 -21 – 10 -23
с покинула бы ядро.
Простейшая модель α-распада была предложена в 1928 году
Г. Гамовым и независимо от него
Г. Герни и Э. Кондоном .
В этой модели предполагалось, что α-частица постоянно существует в ядре.
Пока α-частица находится в ядре на нее действуют ядерные силы притяжения.
Радиус их действия – R. Ядерный потенциал – V 0 . За пределами
ядерной поверхности при r > R потенциал является кулоновским
V(r) = 2Ze 2 /r.
Упрощенная схема совместного действия ядерного потенциала притяжения и кулоновского потенциала отталкивания показана на рисунке. Для того, чтобы выйти за пределы ядра α-частица должна пройти сквозь потенциальный барьер, заключенный в области от R до R c . Вероятность D альфа-распада в основном определяется вероятностью прохождения α-частиц через кулоновский потенциальный барьер
В рамках этой модели удалось объяснить сильную зависимость
вероятности α-распада от энергии
-частицы.
Таким образом, вылет α-частиц из радиоактивных ядер обусловлен
туннельным эффектом. Аналогичные явления – вылет электронов из металла или
проникновение электронов в зону проводимости. Во всех этих случаях проявляются
волновые свойства частиц.
Закон Гейгера-Неттола, установленный
экспериментально, показывает зависимость между периодом полураспада
T 1/2 α-радиоактивных ядер и энергией Е α вылетающей
α-частицы