Альфа-распад и спектры альфа-излучения

Альфа-распад – это испускание атомным ядром a-частицы (ядро атома гелия ). Как правило, альфа-распад возникает только в очень тяжелых элементах с массовым числом больше 200 (Z ≥ 82). Исключение составляют несколько легких ядер с   А = 140 – 160: ¹⁴⁷Sm, ¹⁴⁸Gd, ¹⁵²Gd. Известно около 25-ти естественных и около 100 искусственных a-активных изотопов.

Альфа-распад ядра (Z, A) становится энергетически возможным, когда для энергии распада Q _a выполняется соотношение

    (1.20)

где М (А, Z), M (A – 4, Z – 2) – массы покоя ядра до и после распада соответственно;  – масса покоя a-частицы.

Из этого соотношения и зависимости энергии связи нуклонов в ядре от массового числа (см. рис. 1.1) можно получить, что    Q _a   > 0 при А > 130. Вместе с тем, даже при Q _α > 0 распаду препятствует кулоновский барьер, и распад происходит путём туннельного перехода a-частиц через этот барьер. Большинство    a-радиоактивных ядер имеют Z > 82, А > 200, при этом                2 МэВ ≤   Е _a ≤ 11 МэВ; 10^-7 с £ Т _1/2 £ 10¹⁵ лет.

С ростом Q _a прозрачность кулоновского барьера быстро увеличивается и при Q _a > 9 МэВ a-распад происходит практически мгновенно. Для тяжёлых ядер высота кулоновского барьера около 25 МэВ, и a-частица эффективно проходит через барьер, втрое более высокий по сравнению с энергией a-распада. Связь периода полураспада a-радиоактивных ядер с энергией испускаемых a-частиц e_a выражается экспериментально установленным законом Гейгера-Неттола

                        (1.21)

где В > 0, С < 0 – постоянные величины, не зависящие от массового числа   А, слабо зависящие от зарядового числа Z.

В области нейтронодефицитных ядер a-распад успешно конкурирует с е -захватом и β ⁺ -распадом.

Баланс энергии при a-распаде имеет вид

                      (1.22)

где Е _a, Е _отд – кинетические энергии a-частицы и ядра отдачи; Е _возб – энергия возбуждения дочернего ядра. Значительную часть энергии распада Q _a составляет энергия a-частицы , энергия отдачи конечного ядра составляет оставшуюся часть Е _отд » .

При a-распаде радиоактивных ядер спектр дискретный. Следует различать три вида a-распада и соответствующих им энергетических спектров (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Основные виды α-распада и соответствующие им спектры: а) моноэнергетический спектр; б) схема образования короткопробежных α-частиц; в) схема образования длиннопробежных α-частиц

(A, Z)

(A, Z)

(A -4, Z -2)

α0

(A -4, Z -2)

α2

α1

α0

(A, Z)

E 0

E α

E 0

E α

E 1

E 2

E 0

E 1

E 2

E α

E α

(A, Z)

(A, Z)

(A, Z)

(A -4, Z -2)

α2

α1

α0

а)

б)

в)

 

 

а). Распад, при котором осуществляются переходы только между основными состояниями. В спектре наблюдается лишь одна линия (рис. 1.6 а)).

б). Распад, при котором переходы осуществляются на возбуждённые уровни. При этом энергия a-частиц уменьшается примерно на Е _возб, и такие частицы называют короткопробежными (рис. 1.6 б)). В спектре появляется несколько линий, интенсивность которых убывает по мере увеличения Е _возб.

в). Распад с возбуждённых уровней материнского ядра. Энергия α-частиц, испускаемых ядром с возбуждённого уровня, возрастает примерно на Е _возб, и в этом случае говорят о длиннопробежных α-частицах (рис. 1.6 в)). Их интенсивность, как правило, невелика из-за большой вероятности предварительных переходов в материнском ядре с испусканием фотонов.

Корпускулярные a-частицы имеют небольшие пробеги в веществе, поэтому защита от внешних потоков этого вида излучения не представляет трудностей. Слой воздуха ~ 5,6 см полностью поглощает a-частицы с энергией 7 МэВ. Пробег a-частиц в биологической ткани для e_a = 7 МэВ составляет» 0,006 см, поэтому всю энергию a-частица теряет на длинах пробега, сравнимых с размером клеточного ядра, а передача большой энергии клеточным микроструктурам приводит к их повреждению.