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α衰變

鎖定
α衰變,又名阿爾法衰變,是一種放射性衰變(核衰變);發生α衰變時,一顆α粒子會從原子核中射出(附註:α粒子,又名阿爾法粒子,即氦-4核,⁴₂He,即一顆由2顆質子和2顆中子組成的原子核); α衰變發生後,原子核的質量數會減少4個單位,其原子序數也會減少了2個單位。
α衰變是一種核裂變,當中涉及量子物理學中的隧穿效應,和β衰變不同的是α衰變是由強核力力場產生和控制。
一顆α粒子帶有5兆電子伏特的動能(約等於一顆α粒子的總能量的0.13%),其移動速度是每秒15,000公里,即是隻達到5%光速(光速是時速1,079,252,848.8公里);由於α粒子相對大的質量,其+2的電荷,以及相對慢的移動速度,它們實在太容易就會和其他原子核和粒子反應及失去其能量,α粒子在幾釐米厚度的空氣內就會被吸收。
地球上大多數的氦氣都是來自地下藴藏的礦物,如的α衰變產生的。
中文名
α衰變
別    名
阿爾法衰變
原子序數
Z
質量數
A
衰變原子核
Y
分    類
放射性衰變

α衰變衰變模型

α-decay

α衰變性質

設衰變前的原子核(稱母核)為X(Z,A),這裏Z原子序數A質量數,衰變後的原子核(稱子核)為Y(Z-2,A-4),則α衰變可表示為
X(Z,A)→Y(Z-2,A-4)+α
α衰變能Qα可表示為
Qα=(mx-my-mα)c²,
其中mx、my和mα分別是母核、子核和α 粒子的靜止質量,с是真空中的光速
根據能量守恆動量守恆,α衰變能Qα以α粒子動能Eα和子核的反衝能EY的形式表現出來
Qα=Eα+Ey,
可見,對A≈200的原子核,α粒子的動能約佔衰變能的98%,子核的反衝能約佔衰變能的2%。實驗測得α粒子的動能因母核而異,一般在4~9兆電子伏之間。因而子核反衝能約為 100千電子伏量級。這個能量足以引起一些重要的反衝效應。
絕大多數的α放射體放出的α粒子的能量不止一組,而有強度不等的若干組,這是由於α衰變不僅在母核基態至子核基態之間進行,而且可以在母核基態至子核激發態之間,少數情形可以在母核激發態至子核基態之間進行。
在天然核素中,只有相當重的核(A> 140的核)才可能發生α衰變,而且主要發生於A> 209的重核。利用核子的平均結合能不難解釋這一現象(見原子核)。
不同的α放射性核素具有不同的半衰期,半衰期的長短同α粒子的能量有強烈的依賴關係。例如U238放射的α粒子能量是4.20兆電子伏,而Po212放射的α粒子能量是8.78兆電子伏,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,卻相差10^23倍。 [1]  這反映了α粒子能量的微小改變引起了半衰期的巨大變化。1911年,H.蓋革和J.M.努塔耳總結實驗結果,得出衰變常數λ和α粒子能量之間的經驗規律。這個規律可以表述為
lgλ=A+BlgEα,
衰變常數λ同半衰期T12的關係是:T12 = ln2/λ,而B是常數(約86),A對同一個天然放射系也是常數。

α衰變產生機制

為什麼α粒子能從原子核中發射出來,為什麼α衰變具有一定半衰期,為什麼半衰期同α粒子能量有強烈的依賴關係,這些都是人們十分感興趣的問題。計算表明,α粒子和子核之間的庫侖勢壘一般高達20兆電子伏以上。如前所述,α粒子動能比庫侖勢壘高度低得多,按照經典力學,由於庫侖勢壘的阻擋,α粒子不能跑到核外,根本不可能發生α衰變。20世紀20年代發展起來的量子力學能成功地解釋 α衰變的產生機制。根據量子力學的隧道效應,α粒子有一定的幾率穿透勢壘跑出原子核。描述勢壘穿透幾率P伽莫夫公式是
伽莫夫公式 伽莫夫公式
式中V(r)是α粒子和子核的相互作用勢,E是相對運動動能,μ是α粒子和子核的約化質量Rc是α粒子與子核的半徑之和,RV(r)=E時的r值。可見,α粒子的能量E越大,穿透勢壘的幾率就越大,衰變幾率就越大,從而半衰期就越短。由於能量因子出現在伽莫夫公式的指數冪上,因而它的微小變化將引起衰變常數的巨大變化。這就解釋了實驗上觀察到的α衰變半衰期隨α粒子能量變化而劇烈變化的規律。利用勢壘穿透來解釋 α衰變是用量子力學研究原子核的最早成就之一。

α衰變半衰期

不同核素α衰變的半衰期分佈較廣,從1微秒(μs)到1017秒(s),一般的規律是衰變能較大,則半衰期較短;反之,衰變能較小,則半衰期較長。衰變能的微小改變,引起半衰期的巨大變化。α衰變是量子力學隧道效應的結果,半衰期隨衰變能變化的規律可以根據隧道效應予以説明。計算表明,α粒子和子核庫侖勢壘高達20MeV,α粒子的能量雖小於此值,但由於隧道效應,α粒子有一定的幾率穿透勢壘,跑出原子核。α粒子的能量越大,穿透勢壘的幾率越大,即衰變幾率越大,從而半衰期越短。由於能量因子出現在指數上,因而它的微小變化,引起半衰期的巨大變化。這是量子力學研究原子核的最早成就之一。
α衰變主要限於一些重核素。α衰變能譜的研究提供了核結構的信息。α衰變常數的定量計算直到目前還沒有得到圓滿解決。尤其對於奇A核和奇奇核,實驗值可以比理論值小几個數量級。這主要有賴於所謂 α形成因子的計算。研究表明:α粒子不大可能在α衰變前就存在於核內,而是在衰變過程中形成的。因此,在計算衰變常數時,必須乘上一個有關α粒子形成幾率的因子,通常稱它為α形成因子。顯然,α形成因子應該和原子核的結構有關。正因為如此,對α衰變的深入研究可進一步瞭解原子核內部結構的運動規律。

α衰變參考書目

盧希庭主編:《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.
參考資料
  • 1.    陳伯顯 張智.核輻射物理及探測學.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2011:66