Альфа-распад и его закономерности.

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют

радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Альфа-распад - распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер 4He).Альфа-распад - процесс излучения атомами тяжёлых химических элементов альфа-частиц, с одновременным образованием атомов более лёгких химических элементов.Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными. 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 энергииM(A,Z) >M(A-4,Z-2) + Ma, M(A,Z) >M(A-4,Z-2) + Ma, (1)

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

Qa = (M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - Ma) с2, (2)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 образомQa = (M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - Ma) с2 + -,

Qa = (M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - Ma) с2 + -, (3)

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 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 Ta можно получить соотношение

(4)

Периоды полураспада известных альфа-радиоактивных нуклидов варьируются от 0.298 мкс для 212Po до >1015 лет 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 Qa = 4.08 МэВ, T1/2 = 1.41·1010 лет, а у 218Th Qa = 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 - Неттолаlg T1/2 = A + B/(Qa)1/2,

lg T1/2 = A + B/(Qa)1/2, (5)

где A и B - константы слабо зависящие от Z. С учетом заряда дочернего ядра Z связь между периодом полураспада T1/2 и энергией альфа-распада Qa может быть представлено в виде (B.A. Brown, Phys. Rev. c46, 811 (1992))lg T1/2 = 9.54Z0.6/(Qa)1/2 - 51.37,

lg T1/2 = 9.54Z0.6/(Qa)1/2 - 51.37, (6)

где T1/2 в сек, Qa 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).