Rozpad alfa

Rozpad alfa jest przemianą jądrową, w której ciężkie niestabilne jądro emituje cząstkę alfa, czyli jądro helu-4. Bilans nukleonów i ładunku jest prosty, ale mechanizm obejmuje również energię Q, odrzut produktów oraz tunelowanie kwantowe przez barierę kulombowską.

(A,Z)(A-4,Z-2)α

Bilans jądrowy

Cząstka alfa zawiera dwa protony i dwa neutrony. Dla jądra macierzystego (A, Z) po emisji alfa jądro potomne ma A − 4 oraz Z − 2. Liczba nukleonów i ładunek są zachowane. Spadek Z o dwa oznacza również zmianę pierwiastka o dwa miejsca w lewo w układzie okresowym.

Dokąd trafia uwolniona energia

Jeśli produkty mają mniejszą całkowitą masę spoczynkową niż jądro macierzyste, różnica daje dodatnie Q. W układzie spoczynkowym jądra macierzystego cząstka alfa i jądro potomne mają pędy równe co do wartości i przeciwne. Lżejsza cząstka alfa otrzymuje dlatego większość energii kinetycznej.

Sprawdź jądro potomne

Tunelowanie przez barierę

Energetycznie dozwolony rozpad nie musi być szybki. Cząstka alfa jest związana oddziaływaniem jądrowym, a na zewnątrz napotyka elektrostatyczną barierę. Mechanika kwantowa daje niezerowe prawdopodobieństwo tunelowania. Jest ono bardzo czułe na energię alfa, co tłumaczy ogromne różnice okresów półtrwania.

Rozpad pojedynczego jądra jest zdarzeniem losowym. Stała rozpadu i okres półtrwania opisują prawdopodobieństwo dla dużej liczby identycznych jąder, a nie zegar odliczający czas życia konkretnego atomu. W próbce liczba nierozpadłych jąder maleje wykładniczo, choć każde pojedyncze zdarzenie pozostaje nieprzewidywalne.

Widmo energii alfa

Przejścia między określonymi stanami jądrowymi dają cząstki alfa o energiach bliskich dyskretnym wartościom. Pomiar tych energii pomaga identyfikować radionuklidy i badać strukturę poziomów jądrowych. Słabsze linie mogą odpowiadać przejściom do wzbudzonych stanów jądra potomnego.

Oddziaływanie z materią

Cząstka alfa ma ładunek +2e i stosunkowo dużą masę. Silnie jonizuje materię i szybko traci energię, dlatego jej zasięg jest krótki względem cząstek beta lub fotonów gamma. Krótki zasięg nie oznacza jednak automatycznie małego skutku: liczy się miejsce zdeponowania energii.

Wartość Q można obliczyć z różnicy mas jądra macierzystego i produktów. Niewielka część Q trafia do odrzutu ciężkiego jądra potomnego, ponieważ zachowanie pędu wymusza jego ruch. Dokładny podział energii wynika z mas obu produktów, a nie z dowolnego „podziału po połowie”.

Przykłady obliczeniowe

1. Uran-238

Rozwiązanie

238, 92 → 234, 90.

2. Sprawdzenie zachowania

Rozwiązanie

222 + 4 = 226 oraz / a / in 86 + 2 = 88.

3. Energia odrzutu

Rozwiązanie

Przy / Při / Pri jednakowym pędzie lżejsza cząstka ma większą energię kinetyczną; większość otrzymuje α.