Как составить альфа распад

Альфа-распадом называют
самопроизвольный распад атомного ядра
на дочернее ядро и α-частицу (ядро
атома ⁴He).

Альфа-распад,
как правило, происходит в тяжёлых ядрах
с массовым
числом А ≥
140 (хотя
есть несколько исключений). Внутри
тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения
ядерных сил образуются обособленные α-частицы,
состоящие из двух протонов и двух
нейтронов. Образовавшаяся α-частица
подвержена большему действию кулоновских
сил отталкивания от протонов ядра, чем
отдельные протоны. Одновременно α-частица
испытывает меньшее ядерное притяжение
к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны.
Образовавшаяся альфа-частица на границе
ядра отражается от потенциального
барьера внутрь, однако с некоторой
вероятностью она может преодолеть его
(см. Туннельный
эффект)
и вылететь наружу. С уменьшением энергии
альфа-частицы проницаемость потенциального
барьера очень быстро (экспоненциально)
уменьшается, поэтому время
жизниядер
с меньшей доступной энергией альфа-распада
при прочих равных условиях больше.

Правило
смещения Содди для α-распада:

Пример
(альфа-распад урана-238 в
торий-234):

В
результате α-распада атом смещается на
2 клетки к началу таблицы
Менделеева (то
есть заряд ядра Z уменьшается
на 2), массовое число дочернего ядра
уменьшается на 4.

Бета-распад [править]

Основная
статья: Бета-распад

Бета-минус-распад [править]

Беккерель
доказал, что β-лучи являются
потоком электронов.
Бета-распад — это проявление слабого
взаимодействия.

Бета-распад (точнее,
бета-минус-распад, β⁻-распад) —
это радиоактивный распад, сопровождающийся
испусканием из ядра электрона и
электронного антинейтрино.

Фейнмановская
диаграмма бета-минус-распада:
d-кварк в одном из нейтронов ядра
превращается в u-кварк, испуская
виртуальный W-бозон,
который распадается в электрон и
электронное антинейтрино.

Бета-распад
является внутринуклонным процессом.
Бета-минус-распад происходит вследствие
превращения одного из d-кварков в
одном из нейтронов ядра
в u-кварк;
при этом происходит превращение нейтрона
в протон с
испусканием электрона и антинейтрино:

Свободные
нейтроны также испытывают β⁻-распад,
превращаясь в протон, электрон и
антинейтрино (см. Бета-распад
нейтрона).

Правило
смещения Содди для β⁻-распада:

Пример
(бета-распад трития в гелий-3):

После
β⁻-распада
элемент смещается на 1 клетку к
концу таблицы
Менделеева (заряд
ядра увеличивается на единицу), тогда
как массовое
число ядра
при этом не меняется.

Позитронный
распад и электронный захват [править]

Фейнмановская
диаграмма позитронного
распада: u-кварк в одном из протонов ядра
превращается в d-кварк, испуская
виртуальный W-бозон,
который распадается в позитрон и
электронное нейтрино.

Фейнмановская
диаграмма электронного
захвата: u-кварк в одном из протонов ядра
превращается в d-кварк, испуская
виртуальный W-бозон,
который взаимодействует с электроном
оболочки, превращая его в электронное
нейтрино.

Основная
статья: Позитронный
распад

Основная
статья: Электронный
захват

Существуют
также другие типы бета-распада.
В позитронном
распаде (бета-плюс-распаде)
ядро испускает позитрон и
электронное нейтрино.
При β⁺-распаде
заряд ядра уменьшается на единицу (ядро
смещается на одну клетку к началу таблицы
Менделеева), то есть один из протонов
ядра превращается в нейтрон, испуская
позитрон и нейтрино (на кварковом уровне
этот процесс можно описать как превращение
одного из u-кварков в
одном из протонов ядра
в d-кварк;
следует отметить, что свободный протон
не может распасться в нейтрон, это
запрещено законом сохранения энергии,
т.к. нейтрон тяжелее протона; однако в
ядре такой процесс возможен, если
разность масс материнского и дочернего
атома положительна). Позитронный
распад всегда сопровождается
конкурирующим процессом — электронным
захватом;
в этом процессе ядро захватывает электрон
из атомной оболочки и испускает нейтрино,
при этом заряд ядра также уменьшается
на единицу. Однако обратное неверно:
для многих нуклидов, испытывающих
электронный захват (ε-захват), позитронный
распад запрещён законом
сохранения энергии.
В зависимости от того, с какой из
электронных оболочек атома (K, L, M,…)
захватывается электрон при ε-захвате,
процесс обозначается как К-захват,
L-захват, M-захват, …; все они, при наличии
соответствующих оболочек и достаточности
энергии распада, обычно конкурируют,
однако наиболее вероятен К-захват,
поскольку концентрация электронов
K-оболочки вблизи ядра выше, чем более
удалённых оболочек. После захвата
электрона образовавшаяся вакансия в
электронной оболочке заполняется путём
перехода электрона из более высокой
оболочки, этот процесс может быть
каскадным (после перехода вакансия не
исчезает, а смещается на более высокую
оболочку), а энергия уносится посредством
рентгеновских фотонов и/или оже-электронов с
дискретным энергетическим спектром.

Правило
смещения Содди для β⁺-распада
и электронного захвата:

Пример
(ε-захват бериллия-7
в литий-7):

После
позитронного распада и ε-захвата элемент
смещается на 1 клетку к началу таблицы
Менделеева (заряд
ядра уменьшается на единицу), тогда
как массовое
числоядра
при этом не меняется.

Двойной
бета-распад [править]

Основная
статья: Двойной
бета-распад

Наиболее
редким из всех известных типов
радиоактивного распада является двойной
бета-распад,
он обнаружен на сегодня лишь для
одиннадцати нуклидов, и период полураспада
для любого из них превышает 10¹⁹ лет.
Двойной бета-распад, в зависимости от
нуклида, может происходить:

• с
  повышением заряда ядра на 2 (при этом
  испускаются два электрона и два
  антинейтрино, 2β⁻-распад)

• с
  понижением заряда ядра на 2, при этом
  испускаются два нейтрино и

  • два
    позитрона (двухпозитронный распад,
    2β⁺-распад)

  • испускание
    одного позитрона сопровождается
    захватом электрона из оболочки
    (электрон-позитронная конверсия, или
    εβ⁺-распад)

  • захватываются
    два электрона (двойной электронный
    захват, 2ε-захват).

Предсказан,
но ещё не открыт безнейтринный двойной
бета-распад.

Общие
свойства бета-распада [править]

Все
типы бета-распада сохраняют массовое
число ядра,
поскольку при любом бета-распаде общее
количество нуклонов в ядре не изменяется,
лишь один или два нейтрона превращаются
в протоны (или наоборот).

Гамма-распад
(изомерный переход) [править]

Основная
статья: Изомерия
атомных ядер

Почти
все ядра имеют, кроме основного квантового
состояния, дискретный набор возбуждённых
состояний с большей энергией (исключением
являются ядра ¹H, ²H, ³H и ³He).
Возбуждённые состояния могут заселяться
при ядерных реакциях либо радиоактивном
распаде других ядер. Большинство
возбуждённых состояний имеют очень
малые времена жизни (менее наносекунды).
Однако существуют и достаточно
долгоживущие состояния (чьи времена
жизни измеряются микросекундами, сутками
или годами), которые называются изомерными,
хотя граница между ними и короткоживущими
состояниями весьма условна. Изомерные
состояния ядер, как правило, распадаются
в основное состояние (иногда через
несколько промежуточных состояний).
При этом излучаются один или несколько
гамма-квантов; возбуждение ядра может
сниматься также посредством
вылета конверсионных
электронов из
атомной оболочки. Изомерные состояния
могут распадаться также и посредством
обычных бета- и альфа-распадов.

Альфа- бета- и гамма- распады

Ядра
большинства атомов – это довольно
устойчивые образования. Однако ядра
атомов радиоактивных веществ в процессе
радиоактивного распада самопроизвольно
превращаются в ядра атомов других
веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил,
что помещенный в сосуд радий через
некоторое время превратился в радон. А
в сосуде дополнительно появился гелий:
(88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Чтобы понимать смысл
написанного выражения, изучите тему
о массовом
и зарядовом числе ядра атома.

Удалось
установить, что основные виды радиоактивного
распада: альфа и бета-распад происходят
согласно следующему правилу смещения:

Альфа-распад

При
альфа-распаде излучается
α-частица (ядро атома гелия). Из вещества
с количеством протонов Z и нейтронов N
в атомном ядре оно превращается в
вещество с количеством протонов Z-2 и
количеством нейтронов N-2 и, соответственно,
атомной массой А-4: (Z^A)X→(Z-2^(A-4))Y
+(2^4)He. То есть происходит смещение
образовавшегося элемента на две клетки
назад в периодической системе.

Пример
α-распада: (92^238)U→(90^234)Th+(2^4)He.

Альфа-распад
– это внутриядерный
процесс.
В составе тяжелого ядра за счет сложной
картины сочетания ядерных и
электростатических сил образуется
самостоятельная α-частица, которая
выталкивается кулоновскими силами
гораздо активнее остальных нуклонов.
При определенных условиях она может
преодолеть силы ядерного взаимодействия
и вылететь из ядра.

Бета-распад

При
бета-распаде излучается
электрон (β-частица). В результате распада
одного нейтрона на протон, электрон и
антинейтрино, состав ядра увеличивается
на один протон, а электрон и антинейтрино
излучаются вовне:  
(Z^A)X→(Z+1^A)Y+(-1^0)e+(0^0)v.
Соответственно, образовавшийся элемент
смещается в периодической системе на
одну клетку вперед.

Пример
β-распада: (19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.

Бета-распад
– это внутринуклонный
процесс.
Превращение претерпевает нейтрон.
Существует также бета-плюс-распад или
позитронный бета-распад. При позитронном
распаде ядро испускает позитрон и
нейтрино, а элемент смещается при этом
на одну клетку назад по периодической
таблице. Позитронный бета-распад обычно
сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме
альфа и бета-распада существует также
гамма-распад. Гамма-распад – это излучение
гамма-квантов ядрами в возбужденном
состоянии, при котором они обладают
большой по сравнению с невозбужденным
состоянием энергией. В возбужденное
состояние ядра могут приходить при
ядерных реакциях либо при радиоактивных
распадах других ядер. Большинство
возбужденных состояний ядер имеют очень
непродолжительное время жизни – менее
наносекунды.

Также
существуют распады с эмиссией нейтрона,
протона, кластерная радиоактивность и
некоторые другие, очень редкие виды
распадов. Но превалирующие виды
радиоактивности это
альфа, бета и гамма-распад.

А́томное
ядро́ —
центральная часть атома,
в которой сосредоточена основная
его масса (более
99,9 %). Ядро заряжено положительно,
заряд ядра определяет химический
элемент,
к которому относят атом. Размеры ядер
различных атомов составляют
несколько фемтометров,
что в более чем в 10 тысяч раз меньше
размеров самого атома.

Атомные
ядра изучает ядерная
физика.

Атомное
ядро состоит из нуклонов —
положительно заряженных протонов и
нейтральных нейтронов,
которые связаны между собой при
помощи сильного
взаимодействия.
Протон и нейтрон обладают собственным
моментом количества движения (спином),
равным ^[сн
1] и
связанным с ним магнитным
моментом.

Атомное
ядро, рассматриваемое как класс частиц
с определённым числом протонов и
нейтронов, принято называть нуклидом.

Количество
протонов в ядре называется его зарядовым
числом —
это число равно порядковому номеру элемента,
к которому относится атом,
в таблице Менделеева.
Количество протонов в ядре определяет
структуру электронной
оболочки нейтрального
атома и, таким образом, химические
свойства соответствующего
элемента. Количество нейтронов в ядре
называется его изотопическим
числом .
Ядра с одинаковым числом протонов и
разным числом нейтронов называются изотопами.
Ядра с одинаковым числом нейтронов, но
разным числом протонов —
называются изотонами.
Термины изотоп и изотон используются
также применительно к атомам, содержащим
указанные ядра, а также для характеристики
нехимических разновидностей одного
химического элемента. Полное количество
нуклонов в ядре называется его массовым
числом  ()
и приблизительно равно средней массе
атома, указанной в таблице Менделеева.
Нуклиды с одинаковым массовым числом,
но разным протон-нейтронным составом
принято называть изобарами.

Как
и любая квантовая система, ядра могут
находиться в метастабильном возбуждённом
состоянии, причём в отдельных случаях время
жизни такого
состояния исчисляется годами. Такие
возбуждённые состояния ядер
называются ядерными
изомерами

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: (88^{226}Rarightarrow86^{222}Rn+2^4) He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, он изучил тему о массовом и зарядовом числе ядра атома.

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада – альфа и бета-распад – происходят согласно следующему правилу смещения.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов (Z) и нейтронов (N) в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов (Z-2) и количеством нейтронов (N-2) и, соответственно, атомной массой (A-4). То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: (92^{238}Urightarrow90^{234}Th+2^4)He.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон ((beta)-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример (beta)-распада: (19^{40}Krightarrow20^{40}Ca+_{-1} ^0e+_0 ^0v).

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях, либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма-распад.

Можно описать и так, что альфа-распад – это вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия ^{(^4)}He – альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер – на (2). Альфа-распад наблюдается только у тяжелых 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 растет 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 ^{(^{144})}Nd) до (23700) км/с (у изотопа полония ^{(^{212m})}Po). В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

(_Z^AXrightarrow_{Z-2}^{A-4}Y+alpha(_2^4He)).

Пример альфа-распада для изотопа (^{238}U):

(_{92}^{238}Urightarrow_{90}^{234}Th+alpha(_2^4He)).

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

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 и американский физик Георгий Гамов.

Британский физик Эрнест Резерфорд впервые описал альфа-частицу в 1899 году. Он также различал и называл альфа-и бета-излучение. Однако только в 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада с помощью квантового туннелирования.

В этой обзорной статье мы объяснили, почему происходит альфа-распад, что на самом деле происходит в этом процессе, каковы его первичные источники и имеет ли он какие-либо неблагоприятные последствия. Но давайте начнем с основ.

Что такое альфа-распад?

Определение: альфа-распад (также называемый α-распадом) – это один из трех видов радиоактивного распада (другой – бета- и гамма-распад), при котором нестабильное атомное ядро ​​рассеивает избыточную энергию, спонтанно выбрасывая альфа-частицу.

Поскольку альфа-частица содержит массу в четыре единицы и два положительных заряда, ее выброс из ядра приводит к образованию дочернего ядра с массой на четыре единицы меньше и атомным номером на две единицы меньше (чем у ее родительского ядра).

Испускаемая альфа-частица идентична ядру гелия, которое содержит два нейтрона и два протона. Он также имеет массу 4u и заряд + 2e. Символом ядра гелия является He ²⁺, или иногда он записывается как ⁴ ₂ He ²⁺.

Уравнение

В ядерной физике формула или уравнение альфа-распада могут быть записаны как:

где,

• ^A _B X – родительское ядро
• ^A-4 _B-2 X ‘ – дочернее ядро
• ⁴ ₂ He – испускаемое ядро ​​гелия или альфа-частица

В ядерном уравнении альфа-частица обычно показывается без учета заряда (однако, она содержит заряд +2e).

Альфа-распад происходит только в тяжелых нуклидах. Теоретические расчеты показывают, что этот тип распада может происходить в ядрах, немного более тяжелых, чем никель (атомное число 28). В реальном мире, однако, он был обнаружен только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель.

Теллур (атомное число 52) является самым легким элементом, чьи изотопы (от ¹⁰⁴ Те до ¹⁰⁹ Те), как известно, претерпевают альфа-распад. Однако есть некоторые исключительные случаи, такие как изотоп бериллия ( ⁸ Be), который распадается на две альфа-частицы.

Примеры

Наиболее популярным примером такого рода ядерной трансмутации является распад урана. Уран-238 (самый распространенный изотоп урана, встречающийся в природе) распадается с образованием тория-234.

²³⁸₉₂Ur  →  ²³⁴₉₀Th  +  ⁴₂He

Где,

• ²³⁸ ₉₂ Ur – нестабильное материнское ядро ​​урана-238
• ²³⁴ _{90 тыс.} Дочернее ядро ​​тория-234
• ⁴ ₂ He – выброшенная альфа-частица

Как видите, сумма индексов (масс и атомных номеров) остается одинаковой с каждой стороны уравнения.

Торий также становится радием

²³² ₉₀ Th → ²²⁸ ₈₈ Ra + ⁴ ₂ He

Нептуний превращается в протактиний

²³⁷ ₉₃ Np → ²³³ ₉₁ Па + ⁴ ₂ He

Платина становится Осмием

¹⁷⁵ ₇₈ Pt → ¹⁷¹ ₇₆ Os + ⁴ ₂ He

Гадолиний становится самарием

¹⁴⁹ ₆₄ Gd → ¹⁴⁵ ₆₂ Sm + ⁴ ₂ He

Итак, три вещи происходят в альфа-распаде:
1. Тяжелое (родительское) ядро ​​распадается на две части.
2. Альфа-частица выбрасывается в пространство.
3. У оставшегося (дочернего) ядра его массовое число уменьшено на четыре, а его атомное число уменьшено на два.

Почему происходит альфа-распад?

В Альфа-распаде важную роль играют два фундаментальных взаимодействия: ядерная сила (ближняя) и электромагнитная сила (дальняя). Сила притяжения ядерных сил (действующих между нейтронами) намного больше, чем сила отталкивания электромагнитных сил (действующих между протонами). Таким образом, ядерная сила удерживает атомное ядро вместе.

Однако, когда общая разрушительная электромагнитная сила преодолевает ядерную, атомное ядро распадается на две или более частей. Исследования показывают, что ядро, содержащее более 209 нуклонов, настолько велико, что электромагнитное отталкивание между его протонами часто побеждает притягивающую ядерную силу, удерживающую его.

Это происходит потому, что сила ядерной силы быстро падает за пределы одного фемтометра, в то время как электромагнитная сила сохраняет такую ​​же силу на больших расстояниях.

Классическая физика не позволяет альфа-частицам избегать сильных ядерных сил внутри ядра. Квантовая механика, однако, позволяет альфа-частицам убегать через квантовое туннелирование, даже если они не обладают достаточной энергией для преодоления ядерной силы.

Основной источник альфа-распада

Альфа-частицы в основном испускаются более тяжелыми атомами (атомный номер> 106), такими как торий, уран, радий и актиний. Фактически, почти 99 процентов гелия, генерируемого на Земле, происходит от альфа-распада подземных минералов, состоящих из тория или урана.

Космические лучи, исходящие из атмосферы Земли, также содержат альфа-частицы. Около 90 процентов ядер космических лучей составляют водород (протоны), 9 процентов – гелий (альфа-частицы) и 1 процент – ионы HZE. Доля изменяется в зависимости от энергетического диапазона космических лучей.

Некоторые искусственные изотопы испускают альфа-частицы: например, радиоизотопы кюрия, америция и плутония. Они создаются в ядерном реакторе путем поглощения нейтронов различными изотопами урана.

Высокоэнергетические ядра гелия также могут быть искусственно созданы ускорителями частиц, такими как синхротрон и циклотроны. Однако их обычно не называют альфа-частицами.

Это опасно?

Как правило, выброшенные альфа-частицы имеют кинетическую энергию 5 Мегаэлектронвольт, и они движутся со скоростью почти 5 процентов скорости света. Поскольку они несут + 2e электрический заряд и имеют большую массу, они могут легко взаимодействовать с другими атомами и терять свою энергию.

Хотя альфа-распад является сильно ионизирующим излучением частиц, он имеет низкую глубину проникновения. Движение вперед альфа-частиц может быть остановлено куском бумаги, толстым слоем воздуха или внешними слоями кожи человека.

Они не опасны для жизни, если источник не вдыхается, не проглатывается и не вводится. Если радиоактивное вещество, разлагающее альфа-частицу, попадает в организм, оно может быть в 20 раз опаснее гамма-излучения. Большие дозы могут привести к радиационному отравлению. Полоний-210, сильный альфа-излучатель, играет ключевую роль при раке мочевого пузыря и легких.

Хотя альфа-частицы не могут проникнуть сквозь кожу человека, они могут повредить роговицу. Некоторые альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими ядрами, которые, в свою очередь, сопровождаются испусканием гамма-фотонов.

Радон является одним из крупнейших источников дозы облучения населения. При вдыхании некоторые его частицы прикрепляются к внутренней оболочке легкого и в конечном итоге повреждают клетки в ткани легкого.

Применения

Радиоактивные источники альфа-частиц используются в детекторах дыма. Америций-241, например, выделяет альфа-частицы, которые ионизируют воздух внутри детектора. Когда дым попадает в оборудование, он поглощает излучение, вызывая тревогу.

Альфа-частицы из полония-210 используются для устранения статического электричества из оборудования. Альфа-частицы притягивают свободные электроны, уменьшая потенциал местного статического электричества. Этот метод широко применяется на бумажных фабриках.

Рентгеновская спектроскопия альфа-частиц используется для определения состава пород и грунтов. НАСА использовало этот процесс на Марсовом разведывательном ровере для сбора криволинейных данных, данных о погоде и активности воды на Марсе.

Космические агентства используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) для питания различных космических аппаратов и спутников, включая “Вояджер 1/2” и “Пионер 10/11”. Эти генераторы используют плутоний-238 для работы в качестве долговременной батареи. Плутоний-238 испускает альфа-излучение, в результате чего образуется тепло, которое преобразуется в электричество.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы использовать разрушительные источники альфа-излучения для лечения рака. Они пытаются направить небольшое количество альфа-частиц в опухолевые клетки. Поскольку эти частицы имеют небольшую глубину проникновения, они могут остановить рост опухоли или, возможно, уничтожить ее, не затрагивая окружающие здоровые ткани. Этот вид лечения известен как негерметичная лучевая терапия.

Ядерные процессы
Радиоактивный распад
Альфа-распад Бета-распад Кластерный распад Двойной бета-распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма-излучение Внутренняя конверсия Изомерный переход Нейтронный распад Позитронный распад Протонный распад Спонтанное деление
Нуклеосинтез
Термоядерная реакция Протон-протонный цикл CNO-цикл Ядерное горение дейтерия Ядерное горение лития Тройная гелиевая реакция Гелиевая вспышка Ядерное горение углерода Углеродная детонация Ядерное горение неона Ядерное горение кислорода Ядерное горение кремния Нейтронный захват r-процесс s-процесс Захват протонов: p-процесс rp-процесс Нейтронизация Реакции скалывания Взрывной нуклеосинтез

А́льфа-распа́д (α-распад) — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия ⁴He — альфа-частицы^[1]. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Теория[править | править код]

Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у радия-226 или урана-238. Альфа-радиоактивные ядра в таблице нуклидов появляются начиная с атомного номера 52 (теллур) и массового числа около 106—110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада. Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория.

Альфа-распад из высоковозбуждённых состояний ядра наблюдается и у ряда лёгких нуклидов, например у лития-7. Среди лёгких нуклидов альфа-распад из основного состояния испытывают гелий-5 (распадается в α + n), литий-5 (α + p), бериллий-6 (α + 2p), бериллий-8 (2α) и бор-9 (2α + p)^[2].

Альфа-частица испытывает туннельный переход через потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально^[3], 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 следующим образом:

Пример альфа-распада для изотопа ²³⁸U:

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

История[править | править код]

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году^[4]. Одновременно в Париже французский физик Поль Виллар проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Опасность для живых организмов[править | править код]

Будучи довольно тяжёлыми и положительно заряженными, альфа-частицы от радиоактивного распада имеют очень короткий пробег в веществе и при движении в среде быстро теряют энергию на небольшом расстоянии от источника. Это приводит к тому, что вся энергия излучения высвобождается в малом объёме вещества, что увеличивает шансы повреждения клеток при попадании источника излучения внутрь организма. Однако внешнее излучение от радиоактивных источников безвредно, поскольку альфа-частицы могут эффективно задерживаться несколькими сантиметрами воздуха или десятками микрометров плотного вещества — например, листом бумаги и даже роговым омертвевшим слоем эпидермиса (поверхностью кожи), не достигая живых клеток. Даже прикосновение к источнику чистого альфа-излучения не опасно, хотя следует помнить, что многие источники альфа-излучения излучают также гораздо более проникающие типы излучения (бета-частицы, гамма-кванты, иногда нейтроны). Однако попадание альфа-источника внутрь организма приводит к значительному облучению. Коэффициент качества альфа-излучения равен 20 (больше всех остальных типов ионизирующего излучения, за исключением тяжёлых ядер и осколков деления). Это означает, что в живой ткани альфа-частица создаёт оценочно в 20 раз большие повреждения, чем гамма-квант или бета-частица равной энергии.

Всё вышеизложенное относится к радиоактивным источникам альфа-частиц, энергии которых не превосходят 15 МэВ. Альфа-частицы, полученные на ускорителе, могут иметь значительно более высокие энергии и создавать значимую дозу даже при внешнем облучении организма.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М.: Физматлит, 1959. — 472 с. — 18 000 экз.
• Яворский Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Справочник по физике. — М.: «ОНИКС», «Мир и Образование», 2006. — 1056 с. — 7000 экз. — ISBN 5-488-00330-4.