Распад ядер и его особенности

Тема 14 Альфа-распад ядер

Явление α - распада состоит в самопроизвольном испускании α – частицы:

_zX^A → _z-2X^A-4+₂He⁴(α),

где _zX^A – материнское ядро или исходное, _z-2X^A-4 – дочернее ядро или образовавшееся в результате распада.

Основными характеристиками распада являются: область ядер, у которых наблюдается распад, период полураспада ядер и энергия вылетающих α - частиц. Известно более 200 α - активных ядер, из которых большинство получается искусственно.

α - распад идет, как правило, только для тяжелых ядер. В таблице Менделеева – это ядра начиная с Z > 83(Z=82 – магическое число), т.е. не менее 2-х протонов сверх замкнутой оболочки. Талий ₈₁Tl не имеет ни одного α - активного изотопа; свинец ₈₂Pb – 2, висмут ₈₃Bi – 9, полоний ₈₄Po – более 20 (25). Если α - активность не обнаружена, то она все равно существует, но подавлена другими механизмами распада. Существует небольшая группа α - активных ядер в области А=140-160 (редкоземельные элементы). Самый легкий изотоп церия ₅₈Се¹⁴². Существует необычайно легкий α - активный изотоп бериллия ₂Ве⁸ (τ =3*10^-16 с). Но по принятой нами классификации – это распад составного ядра.

Характерной особенностью α -распада является очень сильная зависимость периода полураспада Т_1/2 радиоактивного ядра от кинетической энергии Т_α вылетающей α -частицы. Уменьшение Т_α на 1% может увеличить Т_1/2 в 10 раз, на 10% – увеличит на 2-3 порядка. Например,

₉₀Th²³² – Т_α =4, 08 МэВ, Т_1/2 =1, 41*10¹⁰ лет и ₉₀Th²¹⁸ – Т_α =9, 85 МэВ, Т_1/2 =10^-5 с.

Т.е. уменьшение Т_α в 2 раза, увеличивает Т_1/2 на 24 порядка.

Т_1/2 α -активных ядер изменяются в широчайших пределах: от Т_1/2 =1, 4*10¹⁷ лет (свинец ₈₂Pb²⁰⁴)

до Т_1/2 =10^-6 с (радон ₈₆Rn²¹⁵).

Энергия же вылетающих α -частиц заключена в довольно узких пределах: 4-9 МэВ для тяжелых ядер, 2-4, 5 МэВ для ядер редкоземельных элементов.

Связь между величинами Т_1/2 и Т_α была эмпирически установлена Гейгером и Неттолом в 1911-1912 гг. и получила название закона Гейгера–Неттола. Физический смысл этого закона был понят только после того, как к теории α -распада была применена квантовая механика. Вид

lg T_1/2=C+D / , (14.1)

где С и D – const, не зависящие от А и слабо зависящие от Z. В большинстве случаев α -частицы, вылетающие при распаде ядер данного элемента, имеют одинаковые энергии, т.е. являются моноэнергетическими. Например полоний ₈₄Po распадаясь, испускает α -частицы с кинетической энергией Т_α =7, 68 МэВ. Некоторые ядра испускают несколько типов моноэнергетических α -частиц, что получило название тонкой структуры α -спектров. Например, радий ₈₈Ra испускает α -частицы двух энергий:

α -частицы с наименьшей энергией испускаются с меньшей интенсивностью. Если для таких ядер построить спектр α -излучения, откладывая по оси абсцисс энергию α -частиц, а по оси ординат – число α -частиц с заданной энергией, то мы получим ряд дискретных линий.

Ширина линий, равна по порядку величины ≈ 0, 1 эВ и характеризует степень монохроматичности α -частиц. Моноэнергетичность и дискретность являются основными свойствами α -спектров, что и используется при исследованиях энергетических уравнений ядер.