衰變模型
α-decay
性質
設衰變前的原子核(稱母核)為X( , ),這裡 為 原子序數,為質量數,衰變後的原子核(稱 子核)為Y( -2, -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=( x- y- α)c^2,
其中 x、y和α分别是母核、子核和α粒子的靜止質量,с是真空中的 光速。
根據能量守恒和動量守恒,α衰變能Qα以α粒子的動能α和子核的反沖能Y的形式表現出來
Qα= α+ y,
可見,對 ≈200的原子核, α粒子的動能約占衰變能的98%,子核的反沖能約占衰變能的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。因而子核反沖能約為 100千電子伏量級。這個能量足以引起一些重要的反沖效應。
絕大多數的α放射體放出的α粒子的能量不止一組,而有強度不等的若幹組,這是由于α衰變不僅在母核基态至子核基态之間進行,而且可以在母核基态至子核激發态之間,少數情形可以在母核激發态至子核基态之間進行。
在天然核素中,隻有相當重的核( > 140的核)才可能發生α衰變,而且主要發生于 > 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系。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。 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= + α,衰變常數λ同半衰期12的關系是: 12 = ln2/λ,而是常數(約86),對同一個天然放射系也是常數。
半衰期
不同 核素α衰變的半衰期分布較廣,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,半衰期随衰變能變化的規律可以根據 隧道效應予以說明。計算表明,α粒子和 子核的庫侖勢壘高達20MeV,α粒子的能量雖小于此值,但由于隧道效應,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。由于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衰變主要限于一些重核素。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。尤其對于奇 核和奇奇核,實驗值可以比理論值小幾個數量級。這主要有賴于所謂α形成 因子的計算。研究表明:α粒子不大可能在α衰變前就存在于核内,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了解原子核内部結構的運動規律。
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.