Альфа-распад. 
Альфа-распад ядер

Альфа-распад — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия 4 альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжёлых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия, в принципе способны распадаться по этому каналу. Лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима 144Nd) до 23 700 км/с у изотопа полония 212mPo. В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

.

Пример альфа-распада для изотопа 238U:

.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский физик Георгий Гамов.

Все виды радиоактивных превращений ядер удовлетворяют экспоненциальному закону:

N (t) = N (0)exp (-лt),.

где N (t) — число радиоактивных ядер, выживших к моменту времени t > 0, если в момент t = 0 их число было N (0). Величина л, совпадает с вероятностью распада радиоактивного ядра в единицу времени. Тогда время Т½, называемое периодом полураспада, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, определяется как:

Т½ = (ln2)/л.

Значения Т½ для б-излучателей меняются в широком диапазоне от 10−10 секунды до 1020 лет в зависимости от величины энергии Q относительного движения б-частицы и дочернего ядра, которая при использовании законов сохранения энергии и импульса при б-р аспаде определяется как:

Q = B (A-4, Z-2) + В (4,2) — В (А, Z),.

где В (А, Z) — энергия связи родительского ядра. Для всех исследованных б-переходов величина Q > 0 и не превосходит 10 МэВ. В 1910 году Ганс Гейгер и Джордж Нэттол экспериментально обнаружили закон, связывающий период полураспада Т½ с энергией Q:

lgТ½ = В + СQ-½,.

где величины В и С не зависят от Q. Рисунок 1 иллюстрирует указанный закон для четно-четных изотопов полония, радона и радия.

Но тогда появляется очень серьезная проблема. Потенциал взаимодействия V® б-частицы и дочернего ядра в зависимости от расстояния R между их центрами тяжести можно качественно представить следующим образом (рис. 2). На больших расстояниях R они взаимодействуют кулоновским образом и потенциал:

На малых же расстояниях R в игру вступают короткодействующие ядерные силы и потенциал V® становится притягивающим. Поэтому в потенциале V® появляется барьер, положение RB максимума которого VB = V (RB) лежит для тяжелых ядер с Z? 82 в районе 10−12 см, а величина VB = 25 МэВ. Но тогда возникает вопрос, как а-частица с энергией Q < VB может выйти из радиоактивного ядра, если в под барьерной области величина ее кинетической энергии К = Q — V® становится отрицательной и с точки зрения классической механики движение частицы в этой области невозможно. Решение этой проблемы было найдено в 1928 году русским физиком Г. А. Гамовым. Опираясь на незадолго до того времени созданную квантовую механику, Гамов показал, что волновые свойства б-частицы позволяют ей с определенной вероятностью Р просачиваться через потенциальный барьер.

ядерный квантовый радиоактивный изотопный Тогда, если принять, что б-частица существует в полностью сформированном виде внутри ядра, для вероятности его б-р аспада в единицу времени А, возникает формула:

л = 2нP,.

где 2н — число ударов б-частицы о внутреннюю стенку барьера, определяемое частотой н колебаний б-частицы внутри родительского ядра. Тогда, рассчитав квантово-механически величину Р и оценив v в простейших приближениях, Гамов получил для lgТ½ закон Гейгера-Нэттола. Результат Гамова имел громадный резонанс в среде физиков, поскольку он продемонстрировал, что атомное ядро описывается законами квантовой механики.