АЛЬФА-РАСПАД

История открытия и изучения α-распада связана с именем Э. Резерфорда. Он предложил и названия: α-распад, α-частица. Это произошло вскоре после открытия радиоактивности, когда Резерфорд только начал заниматься исследованием излучения солей урана. Опыты показали, что это излучение неоднородно. Одна его часть поглощалась тонкой алюминиевой фольгой, тогда как другая свободно проходила сквозь нее. Ученый назвал их соответственно α- и β-лучами. Немного позднее была обнаружена еще одна составная часть излучения, обозначенная третьей буквой греческого алфавита: γ-лучи (см. Бета-распад, Гамма-излучение) .

На долгие годы α-частицы стали для Резерфорда незаменимым инструментом исследования атомных ядер (см. Атом). Ему принадлежит и первенство в выяснении природы α-частиц. Оказалось, что это — атомы гелия, потерявшие два электрона — ядра атома гелия-4.

α ≡ ₂⁴Не.

Ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, одна из самых простых и устойчивых. Частицы связаны в нем так прочно, что многим другим ядрам было бы энергетически выгодно распасться на α-частицы и более легкое ядро. Однако этого не происходит. Распадаются лишь тяжелые элементы: уран, радий, торий и некоторые другие.

Причина устойчивости ядер к а-распаду весьма необычна, и в ее установлении тоже принял участие Резерфорд. Он впервые обратил внимание на то, что α-распад, согласно законам классической физики, не имеет права на существование. Действительно, α-частица испускается тяжелым ядром и имеет при этом кинетическую энергию не более 10 МэВ. Теперь представим себе, рассуждал Резерфорд, что частица с такой энергией захотела бы проникнуть назад, в глубь ядра. Оказывается, это невозможно. Она не сможет приблизиться к ядру и войти в сферу действия ядерных сил, поскольку этому помешают силы электростатического отталкивания.

Для проникновения в ядро энергия частицы должна превышать некоторую критическую величину, так называемый потенциальный барьер. Величину барьера B_α можно оценить:

B_α = 1/(4π_e) • (2e)(eZ)/R_я,

где eZ — заряд ядра, 2е — заряд α-частицы, R_я — радиус ядра. Для ядер, близких к урану, B_α составляет 30 МэВ.

Выходит, что природа, разрешив прямой процесс (α-распад), запретила обратный (проникновение частицы в ядро). Но во всех явлениях, с которыми до тех пор сталкивались физики, существование первого процесса всегда обусловливало возможность второго. Именно это и вызвало удивление Резерфорда.

Объяснение было дано квантовой механикой. В отличие от классической механики она допускает прохождение частицы сквозь барьер — туннельный переход (см. Туннельный эффект). С помощью туннельного перехода α-частица может попасть в тяжелое ядро. Тогда становится ясно, что с помощью точно такого же перехода осуществляется и α-распад. Квантовая механика восстановила равноправность прямого и обратного процессов и позволила создать теорию а-распада.

Вероятность туннельного перехода очень быстро падает с увеличением высоты и ширины потенциального барьера. Она ничтожно мала для многих ядер, и поэтому они не испытывают α-распада. А для α-активных ядер период полураспада (время распада половины ядер) меняется в очень широких пределах — от 7,13•10⁸ лет (уран-235) до 3•10^-7 с (полоний-212), в зависимости от проницаемости барьера.

Для естественных радиоактивных изотопов энергия а-частиц лежит в пределах 2—8 МэВ, скорость порядка 10⁷ м/с, пробег в воздухе — несколько сантиметров.

На современных ускорителях заряженных частиц — циклотронах, фазотронах — удается разогнать а-частицы до энергий, в сотни раз больших.