Alfahenfall
Alfahenfall er en kjerneomdanning der en tung ustabil kjerne sender ut en alfapartikkel, altså en helium-4-kjerne. Bokføringen er enkel, men energibevaring, rekyl og kvantetunnelering er avgjørende for fysikken.
Den nukleære bokføringen
En alfapartikkel inneholder to protoner og to nøytroner. En mor-kjerne (A,Z) går derfor til (A−4,Z−2) pluss ⁴He-kjernen.
Reduksjonen av Z med to bestemmer dattergrunnstoffet direkte. Både nukleontall og elektrisk ladning balanserer over reaksjonslikningen.
Hvor den frigjorte energien går
Q-verdien fra masseforskjellen blir hovedsakelig kinetisk energi til alfaen og datterkjernen. Siden impulsenes størrelser er like og motsatt rettet, får den lette alfapartikkelen størstedelen av kinetisk energi.
Hvis datterkjernen dannes eksitert, kan den senere sende ut gammafotoner. Hele energiregnskapet må da inkludere både rekyl og eventuell etterfølgende stråling.
Positiv Q-verdi kan fortsatt gi lang halveringstid
Klassisk ville alfapartikkelen være fanget bak Coulomb-barrieren. Kvantemekanisk har bølgefunksjonen en liten sannsynlighet for å tunnelere gjennom barrieren.
Tunneleringen er ekstremt følsom for alfaenergien og barrierens form. Derfor kan kjerner med positiv Q-verdi ha halveringstider som varierer over mange størrelsesordener.
Vekselvirkning med stoff
Alfapartikler er tunge og dobbelt positivt ladet. De ioniserer tett langs en relativt kort bane og mister energi raskt i stoff.
Den korte rekkevidden betyr lav gjennomtrengning fra en ytre kilde, men alfastråling kan være alvorlig dersom et radioaktivt stoff kommer inn i kroppen, fordi energien avsettes lokalt.
Løste eksempler
1. Uran-238
Skriv A og Z for datteren når ²³⁸U med Z=92 sender ut en alfa.
Løsning
A=238−4=234, Z=92−2=90: thorium-234.
2. Radium-226
En kjerne har A=226 og Z=88. Finn datteren.
Løsning
Etter alfa: A=222, Z=86.
3. Rekylenergi
Hvorfor får alfaen mest kinetisk energi?
Løsning
Alfa og datter har samme impulsmagnitud. For samme p er K omtrent p²/(2m), så den lettere alfaen får større kinetisk energi.
Et alfahenfall må ikke beskrives som at kjernen allerede inneholder en ferdig klassisk alfakule som bare «hopper ut». Klyngestruktur kan være relevant i kjernebølgefunksjonen, men den målte henfallsraten følger en kvantemekanisk overgang gjennom en barriere. Dette skiller energibetingelsen Q>0 fra den kinetiske sannsynligheten for at henfallet faktisk skjer på en gitt tidsskala.
Kjernefysiske beregninger er følsomme for definisjoner og for hvilke partikler som er med i start- og sluttilstanden. Massetall A er et heltall som teller nukleoner, mens en tabellert atommasse er en målt masse som også inkluderer elektroner. Derfor må atom- og kjernemasser ikke blandes uten korreksjon. Den sikreste framgangsmåten er å skrive full reaksjon eller overgang først, kontrollere A, Z og elektrisk ladning, og deretter bruke masse- og energibalansen. En positiv Q-verdi forteller at et sluttstadium er energetisk tilgjengelig, men sier ikke alene hvor raskt prosessen går; tunnellering, svak vekselvirkning, elektromagnetiske utvalgsregler og tilgjengelige eksiterte nivåer bestemmer sannsynligheten. Målt stråling og halveringstid må derfor tolkes sammen med bevaringslovene, ikke som erstatning for dem.