1.2.2. Альфа-распад

Альфа-распад заключается в способности ядер превращаться в другие, более легкие ядра путем испускания α-частицы - ядра гелия (

4

2

Не):

A

Z

X →

A-4

Z-2

X +

4

2

He (A₂ = A₁ - 4; Z₂ = Z₁ - 2).(1.7)

Альфа-распад характерен для тяжелых ядер конца периодической системы, перегруженных как протонами, так и нейтронами. Кроме того, α-активными являются ядра в группе лантаноидов при А = 140 - 160.

Самым легким α-активным радионуклидом является

142

58

Се. Энергии вылетающих при распаде α-частиц варьируют от 4 - 9 МэВ для тяжелых ядер до 2 - 4,5 МэВ для группы лантаноидов. Энергия α-частиц зависит от периода полураспада. Согласно полуэмпиричсскому закону Гейгера - Неттола

lg T_1/2 = C + 

D

√E

,(1.8)

где С, D - константы, не зависящие от А, но слабо зависящие от Z Так, С = -50,15, D = 128,8 для Z = 84; С = -51,94, D = 139,4 для Z = 90.

Общая энергия ΔЕ, выделяющаяся при α-распаде, выражается через энергии связи материнского ядра (Е_{А, Z}), дочернего ядра (Е_{A-4, Z-2}) и α-частицы (Е_α):

ΔЕ = Е_{А-4, Z-2} + Еα + E_{A, Z} .

При ΔE > 0 распад энергетически возможен, при ΔЕ < 0 - запрещен. Энергия связи α-частицы равна 28 МэВ, что составляет 7 МэВ на нуклон. Для средних ядер энергия связи равна примерно 8 МэВ на нуклон и α-распад запрещен. Для тяжелых ядер удельная энергия связи снижается за счет кулоновского отталкивания протонов. Примерно в области А = 190 удельная энергия связи становится равной 7 МэВ/нуклон и α-распад возможен.

16

Вариации ΔЕ связаны с оболочечным строением ядра. Если материнское ядро имеет замкнутую оболочку, ΔE понижено. Если замкнутую оболочку имеет дочернее ядро, ΔЕ повышено. Именно за счет такого оболочечного эффекта первая, редкоземельная область α-активных ядер начинается с N = 84 + 2, а тяжелые α-активные ядра особенно многочисленны начиная с Z = 84. α-Активные ядра в области редкоземельных элементов нейтронодефицитные, что повышает относительную роль кулоновского отталкивания. У этих ядер нередко с α-распадом конкурируют процессы K-захвата и позитронного распада. Обычно удается наблюдать лишь более быстро идущий тип распада.

Надо отметить, что нуклонный распад менее энергетически выгоден, чем α-распад. На отрыв одного нуклона тратится в среднем около 6 МэВ. Поэтому вместо четырех нуклонов ядро испускает одну α-частицу с энергией порядка 4 - 6 МэВ, т.е. в 4 - 6 раз меньше, чем при нуклонном распаде.

Энергия α-частиц находится в интервале 2 - 10 МэВ. В соответствии с формулой (1.8) даже небольшое изменение энергии распада ведет к резким вариациям продолжительности жизни. Ядра с Е_α > 9 МэВ распадаются практически мгновенно, а с Е_α < 4 Мэв живут так долго, что распад трудно зафиксировать.

17