Phân rã alpha
Phân rã alpha là biến đổi hạt nhân trong đó một hạt nhân nặng không bền phát ra hạt alpha, tức hạt nhân heli-4. Việc cân bằng A và Z khá đơn giản, nhưng cơ chế vật lý còn liên quan đến bảo toàn năng lượng, giật lùi và xuyên hầm lượng tử.
Hạch toán hạt nhân
Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron. Nếu hạt nhân mẹ có số khối A và số nguyên tử Z thì hạt nhân con có A−4 và Z−2: (A,Z)→(A−4,Z−2)+⁴₂He. Số nuclôn và điện tích được bảo toàn; Z giảm 2 nên nguyên tố con nằm cách hai ô về bên trái trong bảng tuần hoàn.
Năng lượng giải phóng đi đâu
Nếu tổng khối lượng nghỉ của sản phẩm nhỏ hơn hạt nhân mẹ, phần chênh lệch trở thành năng lượng giải phóng. Trong hệ quy chiếu của hạt nhân mẹ, hạt alpha và hạt nhân con có động lượng bằng nhau và ngược chiều. Vì hạt nhân con nặng hơn nhiều, hạt alpha nhận phần lớn động năng. Các chuyển mức giữa trạng thái hạt nhân xác định cho năng lượng alpha gần rời rạc.
Vì sao Q>0 vẫn có thể đi kèm chu kỳ bán rã rất dài
Được phép về năng lượng không có nghĩa là xảy ra nhanh. Cụm giống alpha vẫn phải thoát qua hàng rào Coulomb quanh hạt nhân con. Cơ học cổ điển không cho phép vượt qua khi năng lượng thấp hơn đỉnh rào, nhưng xuyên hầm lượng tử tạo xác suất thoát hữu hạn và xác suất đó cực nhạy với năng lượng alpha.
Hạt alpha tương tác với vật chất
Hạt alpha khá nặng và mang điện +2e nên gây ion hóa mạnh và mất năng lượng nhanh; vì vậy tầm đi trong vật chất ngắn hơn beta hay gamma. Tuy nhiên tầm ngắn không đồng nghĩa nguồn alpha luôn vô hại. Vị trí chất phóng xạ và nơi năng lượng được lắng đọng rất quan trọng; độ xuyên và tác động sinh học là hai câu hỏi khác nhau.
Ví dụ có lời giải
1. Hoàn thành phương trình alpha
Lời giải
Urani-238 có A=238, Z=92. Sau phát alpha, A=234, Z=90 nên hạt nhân con là thori-234.
2. Kiểm tra bảo toàn
Lời giải
Mẹ A=226, Z=88 cho con A=222, Z=86; cộng alpha A=4, Z=2 khôi phục tổng ban đầu.
3. So sánh năng lượng giật lùi
Lời giải
Với cùng độ lớn động lượng, hạt nhẹ hơn có động năng lớn hơn nên hạt alpha nhận phần lớn động năng.