Альфа-розпад

А́льфа-ро́зпад, α-розпад, альфа-радіоактивність — вид радіоактивного розпаду ядра, при якому випромінюються альфа-частинки — ядра 42He. При цьому масове число ядра зменшується на 4, а атомний номер на 2.

${\displaystyle \alpha }$-розпад

Період альфа-розпаду визначається законом Гейгера-Неттола.

Альфа-розпад пояснюється тунелюванням ядра гелію крізь потенціальний бар'єр, зумовлений сильною взаємодією, яка утримує нуклони важкого ядра.

Історія

Вперше альфа-розпад був ідентифікований британським фізиком Ернестом Резерфордом в 1899 році. Одночасно в Парижі французький фізик ^[ru] проводив аналогічні експерименти, але не встиг раніше Резерфорда. Першу кількісну теорію альфа-розпаду розробив у 1928 році радянський та американський фізик Джордж Гамов.

Теорія

Альфа-розпад з основного стану спостерігається тільки у достатньо важких ядер. Альфа-радіоактивні ядра в таблиці ізотопів з'являються починаючи з атомного номера 52 (телур) і масового числа близько 106–110, а при атомному номері більше 82 і масовому числі більше 200 практично всі нукліди альфа-радіоактивні, хоча альфа-розпад у них може бути і не домінантною модою розпаду. Серед природних ізотопів альфа-радіоактивність спостерігається у декількох нуклідів рідкісноземельних елементів (неодим-144, самарій-147, самарій-148, європій-151, гадоліній-152), а також у декількох нуклідів важких металів (гафній-174, вольфрам-180, осмій-186, платина-190, вісмут-209, торій-232, уран-235, уран-238) і у продуктів розпаду урану і торію з коротким життям.

Альфа-розпад з високозбуджених станів ядра спостерігається і в деяких легких нуклідів, наприклад у літію-7.

Альфа-частинка зазнає тунельного переходу через кулонівський бар'єр в ядрі, тому альфа-розпад є суттєво квантовим процесом. Оскільки ймовірність тунельного ефекту залежить від висоти бар'єру експоненціально, період напіврозпаду альфа-активних ядер експоненціально зростає зі зменшенням енергії альфа-частинки (цей факт складає зміст закону Ґейґера–Неттола). При енергії альфа-частинки менше 2 МеВ час життя альфа-активних ядер суттєво перевищує час існування Всесвіту. Тому, хоча більшість природних ізотопів важчі від церію в принципі здатні розпадатися за цим каналом, лише для небагатьох з них такий розпад дійсно зафіксований.

Швидкість вилітання альфа-частинки складає від 9400 км/с (ізотоп неодиму 144Nd) до 23700 км/с у ізотопу полонію 212mPo).

У загальному вигляді формула альфа-розпаду має такий вигляд:

${\displaystyle \ _{Z}^{A}{\rm {X}}\rightarrow _{Z-2}^{A-4}{\rm {Y}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}})}$

Приклад альфа-розпаду для ізотопу 238U:

${\displaystyle \ _{92}^{238}{\rm {U}}\rightarrow _{90}^{234}{\rm {Th}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}})}$

Альфа-розпад може розглядатися як граничний випадок кластерного розпаду.

Небезпека для живих організмів

Оскільки альфа-частинки від радіоактивного розпаду доволі важкі і позитивно заряджені, вони мають дуже короткий пробіг в речовині і при русі в середовищі швидко втрачають енергію на невеликій відстані від джерела. Це призводить до того, що вся енергія випромінювання вивільняється в малому об'ємі речовини, що збільшує шанси пошкодження клітин при потраплянні джерела випромінювання всередину організму. Однак зовнішнє випромінювання від радіоактивних джерел нешкідливе, оскільки альфа-частинки можуть ефективно затримуватись кількома сантиметрами повітря або десятками мікрометрів щільної речовини — наприклад, листом паперу і навіть роговим відмерлим шаром епідермісу, не досягаючи живих клітин. Навіть доторкання до джерела чистого альфа-випромінювання не є небезпечним, хоча слід пам'ятати, що численні джерела альфа-випромінювання випромінюють також набагато більш проникаючі типи випромінювання (бета-частинки, гамма-кванти, іноді нейтрони). Однак потрапляння альфа-джерела всередину організму призводить до значного опромінення. ^[ru] альфа-випромінювання дорівнює 20 (більше від усіх інших типів іонізуючого випромінювання, за винятком важких ядер і осколків поділу). Це означає, що в живих тканинах альфа-частинка створює приблизно в 20 разів більші ушкодження, ніж гамма-квант або бета-частинка рівної енергії.

Все вищевикладене відноситься до радіоактивних джерел альфа-частинок, енергії яких не перевищують 15 МеВ. Альфа-частинки, отримані на прискорювачі, можуть мати значно вищі енергії і створювати значну дозу навіть при зовнішньому опроміненні організму.

Див. також

• Альфа-частинки
• Радіоактивний розпад
• Бета-розпад
• Кластерний розпад

Примітки

1. Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. В 2 кн. Кн. 1. Физика атомного ядра. Ч. I. Свойства нуклонов, ядер и радиоактивных излучений. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — С. 137. — (рос.)
2. E. Rutherford Випромінювання урану та викликана ним електрична провідність="Uranium radiation and the electrical conduction produced by it" [ 25 квітня 2015 у Wayback Machine.] Philosophical Magazine (1899), Series 5, vol. 47, no. 284, pages 109—163.

Література

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — .
• Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев. Справочник по физике. — М. : «ОНИКС», «Мир и Образование», 2006. — 1056 с. — 7 000 прим. — .