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α衰变

α衰变,又名阿尔法衰变,是一种放射性衰变(核衰变);发生α衰变时,一颗α粒子会从原子核中射出(附注:α粒子,又名阿尔法粒子,即氦-4核,He,即一颗由2颗质子和2颗中子组成的原子核); α衰变发生后,原子核的质量数会减少4个单位,其原子序数也会减少了2个单位。

α衰变是一种核裂变,当中涉及量子物理学中的隧穿效应,和β衰变不同的是α衰变是由强核力力场产生和控制。

一颗α粒子带有5兆电子伏特的动能(约等于一颗α粒子的总能量的0.13%),其移动速度是每秒15,000公里,即是只达到5%光速(光速是时速1,079,252,848.8公里);由于α粒子相对大的质量,其+2的电荷,以及相对慢的移动速度,它们实在太容易就会和其他原子核和粒子反应及失去其能量,α粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸收。

地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏的矿物,如铀和钍的α衰变产生的。

α-decay

设衰变前的原子核(称母核)为X(Z,A),这里Z为原子序数,A为质量数,衰变后的原子核(称子核)为Y(Z-2,A-4),则α衰变可表示为

X(Z,A)→Y(Z-2,A-4)+α

α衰变能Qα可表示为

Qα=(mx-my-mα)c,

其中mx、my和mα分别是母核、子核和α 粒子的静止质量,с是真空中的光速。

根据能量守恒和动量守恒,α衰变能Qα以α粒子的动能Eα和子核的反冲能EY的形式表现出来

Qα=Eα+Ey,

可见,对A≈200的原子核,α粒子的动能约占衰变能的98%,子核的反冲能约占衰变能的2%。实验测得α粒子的动能因母核而异,一般在4~9兆电子伏之间。因而子核反冲能约为 100千电子伏量级。这个能量足以引起一些重要的反冲效应。

绝大多数的α放射体放出的α粒子的能量不止一组,而有强度不等的若干组,这是由于α衰变不仅在母核基态至子核基态之间进行,而且可以在母核基态至子核激发态之间,少数情形可以在母核激发态至子核基态之间进行。

在天然核素中,只有相当重的核(A> 140的核)才可能发生α衰变,而且主要发生于A> 209的重核。利用核子的平均结合能不难解释这一现象(见原子核)。

不同的α放射性核素具有不同的半衰期,半衰期的长短同α粒子的能量有强烈的依赖关系。例如U238放射的α粒子能量是4.20兆电子伏,而Po212放射的α粒子能量是8.78兆电子伏,相差2.1倍,而U238的半衰期是4.468×10^9年,而Po212的半衰期是3.0×10^-7秒,却相差10^23倍。 这反映了α粒子能量的微小改变引起了半衰期的巨大变化。1911年,H.盖革和J.M.努塔耳总结实验结果,得出衰变常数λ和α粒子能量之间的经验规律。这个规律可以表述为

lgλ=A+BlgEα,

衰变常数λ同半衰期T12的关系是:T12 = ln2/λ,而B是常数(约86),A对同一个天然放射系也是常数。

为什么α粒子能从原子核中发射出来,为什么α衰变具有一定半衰期,为什么半衰期同α粒子能量有强烈的依赖关系,这些都是人们十分感兴趣的问题。计算表明,α粒子和子核之间的库仑势垒一般高达20兆电子伏以上。如前所述,α粒子动能比库仑势垒高度低得多,按照经典力学,由于库仑势垒的阻挡,α粒子不能跑到核外,根本不可能发生α衰变。20世纪20年代发展起来的量子力学能成功地解释 α衰变的产生机制。根据量子力学的隧道效应,α粒子有一定的几率穿透势垒跑出原子核。描述势垒穿透几率P的伽莫夫公式是

式中V(r)是α粒子和子核的相互作用势,E是相对运动动能,µ是α粒子和子核的约化质量,R是α粒子与子核的半径之和,RV(r)=E时的r值。可见,α粒子的能量E越大,穿透势垒的几率就越大,衰变几率就越大,从而半衰期就越短。由于能量因子出现在伽莫夫公式的指数幂上,因而它的微小变化将引起衰变常数的巨大变化。这就解释了实验上观察到的α衰变半衰期随α粒子能量变化而剧烈变化的规律。利用势垒穿透来解释 α衰变是用量子力学研究原子核的最早成就之一。

不同核素α衰变的半衰期分布较广,从1微秒(μs)到1017秒(s),一般的规律是衰变能较大,则半衰期较短;反之,衰变能较小,则半衰期较长。衰变能的微小改变,引起半衰期的巨大变化。α衰变是量子力学隧道效应的结果,半衰期随衰变能变化的规律可以根据隧道效应予以说明。计算表明,α粒子和子核的库仑势垒高达20MeV,α粒子的能量虽小于此值,但由于隧道效应,α粒子有一定的几率穿透势垒,跑出原子核。α粒子的能量越大,穿透势垒的几率越大,即衰变几率越大,从而半衰期越短。由于能量因子出现在指数上,因而它的微小变化,引起半衰期的巨大变化。这是量子力学研究原子核的最早成就之一。

α衰变主要限于一些重核素。α衰变能谱的研究提供了核结构的信息。α衰变常数的定量计算直到目前还没有得到圆满解决。尤其对于奇A核和奇奇核,实验值可以比理论值小几个数量级。这主要有赖于所谓 α形成因子的计算。研究表明:α粒子不大可能在α衰变前就存在于核内,而是在衰变过程中形成的。因此,在计算衰变常数时,必须乘上一个有关α粒子形成几率的因子,通常称它为α形成因子。显然,α形成因子应该和原子核的结构有关。正因为如此,对α衰变的深入研究可进一步了解原子核内部结构的运动规律。

卢希庭主编:《原子核物理》,原子能出版社,北京,1981。

P.Marmier and E.Sheldon,Physics of Nuclei and Particles,Academic Press,New York and London,1969.


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