Alfahajoaminen
Alfahajoamisessa raskas epävakaa ydin emittoi alfahiukkasen eli helium-4-ytimen. Ytimen koostumuksen kirjanpito on yksinkertainen, mutta hajoamisnopeus ja energian jakautuminen vaativat sekä energian ja liikemäärän säilymistä että kvanttitunnelointia.
Massaluku pienenee neljällä ja Z kahdella
Alfahiukkasessa on kaksi protonia ja kaksi neutronia. Siksi (A,Z)→(A−4,Z−2)+α. Datterytimen alkuaine löytyy suoraan uudesta Z-arvosta.
Sekä nukleonimäärä että sähkövaraus säilyvät. Alfahiukkanen ei ole elektroni eikä neutraali heliumatomi, vaan kaksinkertaisesti positiivinen heliumydin.
Q-arvo määrää käytettävissä olevan energian
Hajoaminen on energettisesti mahdollinen, kun lähtötilan lepomassa ylittää tuotteiden lepomassojen summan. Erotus antaa Q=(m_parent−m_products)c².
Q-energia muuttuu pääosin alfahiukkasen ja datterytimen liike-energiaksi sekä mahdolliseksi myöhemmäksi gammasäteilyksi, jos datter jää virittyneeksi.
Rekyyli jakaa energian epätasaisesti
Alfa ja datterydin saavat yhtä suuren mutta vastakkaisen liikemäärän. Koska alfa on paljon kevyempi, sama liikemäärä vastaa sille suurempaa kineettistä energiaa.
Siksi mitattu alfaenergia voi olla hyvin terävä ja muodostaa nuklidille tunnusomaisia viivoja, jos siirtymä tapahtuu tiettyyn datterytimen tilaan.
Tunnelointi selittää pitkät puoliintumisajat
Klassisesti alfahiukkanen ei yleensä pystyisi ylittämään Coulomb-estettä. Kvanttimekaniikassa sillä on kuitenkin pieni todennäköisyys tunnelointiin esteen läpi.
Tunnelointitodennäköisyys riippuu erittäin voimakkaasti alfaenergiasta ja esteestä. Siksi samantyyppisten hajoamisten puoliintumisajat voivat erota valtavasti. Kaksinkertaisesti varautunut raskas alfahiukkanen menettää energiaa nopeasti ja kulkee aineessa verraten lyhyen matkan. Ulkoinen alfalähde on siksi heikosti läpäisevä, mutta elimistöön joutunut alfa-aktiivinen aine voi tallettaa suuren energian hyvin paikallisesti.
Ratkaistuja esimerkkejä
1. Uraani-238
²³⁸U, Z=92, emittoi alfan.
Ratkaisu
Datterilla A=234 ja Z=90: torium-234.
2. Radium-226
A=226, Z=88 ennen hajoamista.
Ratkaisu
Alfan jälkeen A=222, Z=86.
3. Rekyyli
Miksi alfa saa yleensä suurimman osan kineettisestä energiasta?
Ratkaisu
Liikemäärät ovat yhtä suuret; samalla p:llä kevyempi hiukkanen saa suuremman K:n.
Alfahajoamista ei pidä kuvata liian klassisesti valmiiksi muodostuneena pallona, joka vain karkaa ytimestä. Ytimen aaltofunktiossa voi olla klusterirakennetta, mutta havaittu hajoamistodennäköisyys on kvanttimekaaninen siirtymä. Ehto Q>0 kertoo energetiikasta, kun taas tunnelointi määrää olennaisesti aikaskaalan.