Альфа-распад

А́льфа-распа́д (α-распад) — вид радиоактивного распадаядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия ⁴He — альфа-частицы^[1]. При этом массовое число ядра в соответствии с правилом радиоактивных смещений Содди и Фаянса уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Альфа-распад является наиболее распространённой формой кластерного распада — процесса, при котором материнский атом испускает определённую группу нуклонов (протонов и нейтронов). Это обусловлено тем, что испускание альфа-частицы (⁴He) в большинстве случаев требует меньше энергии, чем испускание других элементов (например, протона или ядра гелия ³He)^[2].

Альфа-распад характерен для тяжёлых ядер, а также для изотопов в высокоэнергетическом состоянии и, как исключение, для изотопа бериллия⁸Be^[3].

В общем виде формула альфа-распада выглядит следующим образом:

${\displaystyle \ _{Z}^{A}{\rm {X}}\rightarrow _{Z-2}^{A-4}{\rm {Y}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}}).}$

Пример альфа-распада для изотопа урана ²³⁸U:

${\displaystyle \ _{92}^{238}{\rm {U}}\rightarrow _{90}^{234}{\rm {Th}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}}).}$

Силы сильного ядерного взаимодействия, удерживающие нуклоны (нейтроны и протоны) в атомном ядре, чрезвычайно велики и превосходят электромагнитноеотталкивание между протонами (имеющими одинаковый положительный заряд). Однако сильное взаимодействие сильно зависит от расстояния и резко ослабевает на расстояниях более ${\displaystyle 3\cdot 10^{-15}}$ метров, в то время как электромагнитное отталкивание гораздо меньше зависит от расстояния. Таким образом, сила притяжения в ядре приблизительно пропорциональна общему числу нуклонов, а «разрушительная» сила отталкивания протонов приблизительно пропорциональна квадрату числа нуклонов. В крупных ядрах сильное взаимодействие едва компенсирует электромагнитное отталкивание. Для таких ядер альфа-распад становится способом повышения стабильности за счёт уменьшения своего размера^[2].

Преимущественное испускание именно альфа-частиц (а не одиночных протонов или нейтронов) объясняется высокой энергией связи альфа-частицы. Масса альфа-частицы меньше суммы масс двух свободных протонов и двух свободных нейтронов, что увеличивает высвобождаемую энергию распада. Энергия распада вычисляется по формуле:$${\displaystyle Q=(M_{i}-M_{f}-m_{\alpha })\cdot c^{2},}$$где ${\displaystyle M_{i}}$ — начальная масса ядра, ${\displaystyle M_{f}}$ — масса ядра после испускания, а ${\displaystyle m_{\alpha }}$ — масса альфа-частицы. Альфа-распад возможен только в том случае, если эта величина положительна (масса изначального ядра может быть меньше из-за энергии связи). Например, при распаде ²³²U испускание альфа-частицы высвобождает 5,4 МэВ энергии, тогда как для испускания одиночного протона потребовалось бы затратить 6,1 МэВ; либо 9,6 МэВ для испускания другого изотопа гелия — ³He^[2].

Альфа-распад определяется взаимодействием сильного и электромагнитного полей. Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера и освобождения альфа-частицы, составляет около 25 МэВ. Однако энергия альфа-частиц при распаде составляет всего от 4 до 9 МэВ. Значит, высота непреодолимого барьера составляет от 16 до 21 МэВ. С позиций классической физики частица не может покинуть ядро^[2].

Согласно квантовой теории, альфа-частицу можно считать независимой частицей внутри ядра атома. Она находится в постоянном движении со скоростью около ${\displaystyle 2\cdot 10^{7}}$ м/c и сталкивается более ${\displaystyle 10^{21}}$ раз в секунду с потенциальным барьером радиусом ${\displaystyle 10^{-14}}$ метров. При каждом столкновении существует малая, но ненулевая вероятность туннельного перехода через барьер. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально^[4], период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера — Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВвремя жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад наблюдался^[2][3].

Скорость вылета альфа-частицы составляет примерно 5% от скорости света — типичное значение около 15 000 км/с (варьируется от 9 400 км/с до 23 700 км/с у ядер ¹⁴⁴Nd и ^212mPo соответственно). Кинетическая энергия частиц крайне стабильна для конкретного изотопа и обычно составляет около от 4 до 9 МэВ^[2].

Подавляющая часть энергии распада переходит в кинетическую энергию альфа-частицы. Однако для выполнения закона сохранения импульса небольшая часть энергии передается дочернему ядру (ядро отдачи). Поскольку масса тяжёлых ядер отдачи сильно превышает массу альфа-частицы, на отдачу приходится менее 2% энергии^[2].

Впервые альфа-излучение было описано британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году в ходе исследований радиоактивности. Именно он классифицировал три вида проникающего излучения (альфа-, бета- и гамма-излучение), назвав их по мере увеличения проникающей способности^[5][6]. В то же время в Париже французский физик Поль Виллар проводил аналогичные эксперименты с естественным радиоактивным излучением некоторых природных элементов, но не успел разделить это излучение магнитным полем на разные виды ранее Резерфорда.

В 1907 году было доказано, что частицы альфа-излучения являются двухзарядными ионами гелия — ядрами атома гелия ⁴He.

В 1928 году физики Георгий Гамов^[2], а также независимо от него Рональд Гёрни и Эдвард Кондон^[7], разработали первую количественную теорию альфа-распада, основанную на принципах недавно открытой квантовой механики. Они объяснили процесс с точки зрения квантового туннелирования. Гамов теоретически рассчитал модельный потенциал для альфа-радиоактивного ядра и вывел из фундаментальных принципов соотношение между периодом полураспада и энергией вылетающих частиц, которое ранее было установлено эмпирически и известно как закон Гейгера — Неттолла^[8].

Альфа-распад наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, за исключением изотопов в высокоэнергетическом состоянии и изотопа бериллия⁸Be:

• Тяжёлые ядра: Тяжёлые альфа-радиоактивные ядра начинают появляться в промежутке от массового числа 104 (¹⁰⁴Sb и ¹⁰⁴Te) до массового числа 114 (¹¹⁴Ba, ¹¹⁴Cs). Начиная с массового числа 142 альфа-радиоактивные ядра вновь появляются, и их количество начинает увеличиваться по мере увеличения массы изотопов. Например, среди природных тяжёлых элементов альфа-распад характерен для изотопов: ²⁰⁹Bi, ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U; для ряда редкоземельных изотопов: ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁷Sm, ¹⁵²Gd; короткоживущих продуктов распада урана и тория; а также для прочих элементов^[3].
• Лёгкие ядра: Из лёгких элементов альфа-распад из основного (невозбуждённого) состояния испытывает только изотоп бериллия ⁸Be (распадается на 2α). В высокоэнергетическом состоянии альфа-распад теоретически возможен у большего числа лёгких изотопов: ⁷Be, ¹²C, ¹³C, ¹³N, ¹⁶O, ²²Mg и прочих^[3].

Большинство гелия на Земле является результатом альфа-распада в подземных месторождениях минералов, содержащих уран или торий^[9][10].

Альфа-частицы обладают высокой массой (относительно других видов излучения), электрическим зарядом +2 e и относительно низкой скоростью. Из-за этого они активно взаимодействуют с атомами внешней среды, быстро теряя энергию на крайне малых расстояниях. Их движение может быть остановлено несколькими сантиметрами воздуха, листом бумаги или омертвевшим роговым слоем эпидермиса.

По этой причине внешнее облучение от радиоактивных альфа-источников (с энергией до 15 МэВ) безопасно для человека — частицы не достигают живых клеток. Однако следует учитывать, что частицы, полученные на ускорителях с более высокими энергиями, способны создавать значимую дозу даже при внешнем облучении, а многие альфа-источники параллельно испускают более проникающее бета- и гамма-излучение.

Альфа-радиоактивные элементы особенно опасны при попадании внутрь организма. Внутреннее облучение (при вдыхании, проглатывании или попадании через кожу) представляет крайнюю опасность. Так как альфа-частицы быстро отдают энергию, вся энергия излучения высвобождается в микроскопическом объёме живой ткани^[11].

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) альфа-излучения принята равной 20. Это означает, что альфа-частица наносит биологической ткани ущерб в 20 раз больший, чем гамма-квант или бета-частица равной энергии^[11].

Альфа-частица и тяжёлые дочерние ядра имеют высокую плотность ионизации (количество ионизаций молекул или атомов на единицу пути), что вызывает тяжёлые повреждения и мутации клеток и ДНК. Атомы тяжёлого дочернего ядра также часто скапливаются на хромосомах, вызывая отклонения. По некоторым оценкам, ядро отдачи ответственно за значительную часть внутреннего радиационного повреждения^[11].

Крупнейшим естественным источником альфа-облучения населения является радон — радиоактивный газ, образующийся в почве. При вдыхании его альфа-активные частицы оседают в лёгких, повреждая их ткани. Радон также содержится в дыму от сигарет и является одним из основных источников рака лёгких у курящих людей^[12].

Альфа-излучение чрезвычайно канцерогенно: помимо рака лёгких, оно также может вызывать рак печени, рак костей и рак крови (лейкоз)^[11].

Смерть Марии Кюри от апластической анемии связывают с длительным облучением альфа-частицами (она активно работала с радием, распадающимся в радон), хотя точная роль именно альфа-излучения помимо прочих остаётся предметом дискуссий^[13].

Убийство Александра Литвиненко в 2006 году было осуществлено с использованием изотопа полония²¹⁰Po — чистого альфа-излучателя^[14].

Иногда бета-распад лёгких элементов может породить несколько возбуждённых состояний в дочернем нуклиде. В таком случае, получившееся дочернее ядро находится в крайне нестабильном высокоэнергетическом состоянии и почти сразу распадается далее путём испускания частиц:

1. до трёх протонов или нейтронов;
2. одного ядра дейтерия²H или трития³H;
3. одной альфа-частицы^[3].

В случае последующего испускания альфа-частицы, такой распад называют бета-запаздывающим альфа-испусканием (англ. beta-delayed alpha emission)^[3]. В данном случае, испускание альфа-частицы инициируется слабым взаимодействием при бета-распаде изначального изотопа, в отличие от самопроизвольного квантового туннелирования альфа-частицы при «настоящем» альфа-распаде.

В основном, такой вид распада происходит в лёгких нуклидах (⁸Li, ⁸B, ⁹C, ¹¹Li, ¹¹Be и прочих); а в случае изначального бета-плюс-распада — также в нуклидах с массовым числом от 108 до 122 (¹⁰⁸Te, ¹¹⁰I, ¹²²Cs и прочих)^[3].

В случае бета-минус-распада обозначается как «β⁻α-распад», а в случае бета-плюс-распада — «β⁺α-распад»^[3].

Некоторые лёгкие изотопы также могут образовывать альфа-частицы при распаде: ⁵He (α + n), ⁵Li (α + p), ⁶Be (α + 2p), ⁹B (распадается на p + ⁸Be, который затем распадается на 2α). Однако в данных случаях из ядер атомов испускается только лишний нейтрон или протон (два протона), в результате чего образуется стабильная альфа-частица (ядро гелия ⁴He)^[3].

Поэтому, несмотря на то, что результатом таких распадов может быть альфа-частица, такие изотопы испытывают не альфа-распад, а протонный или нейтронный распад^[3].

Несмотря на радиационную опасность при попадании внутрь организма, уникальные свойства альфа-распада нашли широкое применение в технике и медицине:

• Детекторы дыма: Альфа-излучатели ионизируют воздух в открытой камере, создавая слабый электрический ток. Частицы дыма, попадая в камеру, снижают этот ток, что вызывает срабатывание сигнализации^[15].
• Медицина: Альфа-радиоактивный изотоп ²²³Ra успешно применяется для лечения костных метастазов при кастрационно-резистентном раке предстательной железы^[16].
• Источники энергии: Благодаря лёгкости экранирования от радиации, альфа-распад является безопасным источником энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), используемых в космических зондах^[17].
• Снятие статического электричества: Устройства с изотопом ²¹⁰Po ранее использовались для ионизации воздуха на производствах, что позволяло быстро снимать статические заряды с материалов^[18].

• Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М.: Физматлит, 1959. — 472 с. — 18 000 экз.
• Яворский Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К.Альфа-распад // Справочник по физике. — 8-е изд., перераб. и испр. — М.: «ОНИКС», «Мир и Образование», 2006. — С. 877—879.