Аль-Фараби

Аль-Фара'би (870 — 950), арабоязычный мыслитель, учёный-энциклопедист, см. Фараби.

Альфа-распад

А'льфа-распа'д (a-распад), испускание альфа-частиц атомными ядрами в процессе самопроизвольного (спонтанного) радиоактивного распада (см. Радиоактивность). При А.-р. из радиоактивного («материнского») ядра с атомным номером Z и массовым числом А испускается ядро гелия

 (a-частица), т. е. два протона и два нейтрона в связанном состоянии; в результате А.-р. образуется конечное («дочернее») ядро с атомным номером Z = 2 и массовым числом А = 4. Так, например, радий испускает a-частицу и переходит в радон ().

  Известно (1968) около 200 a-радиоактивных ядер; большая часть их тяжелее свинца (Z > 82). Некоторое количество a-радиоактивных изотопов имеется в области значений Z < 82 среди ядер с недостаточным количеством нейтронов, т. н. нейтронодефицитных ядер (см. Ядро атомное). Так, в области редких земель имеется несколько a-радиоактивных ядер (например,

). Экспериментальному обнаружению a-активных ядер с А < 200 мешают огромные времена жизни (см. Время жизни), характерные для ядер с небольшой энергией А.-р. (см. ниже).

  При А.-р. определённого радиоактивного изотопа вылетающие a-частицы имеют, грубо говоря, одну и ту же энергию. Энергия, выделяющаяся при А.-р., делится между a-частицей и ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Для разных изотопов энергия a-частиц различна. Она тем больше, чем меньше период полураспада T_1/2 данного изотопа (или его время жизни). У всех известных a-радиоактивных изотопов энергия a-частиц лежит в пределах от 2 Мэв до 9 Мэв. Времена жизни a-радиоактивных ядер колеблются в огромном интервале значений, примерно от 3•10^-7 сек для ²¹²Po до 5•10¹⁵ лет для ¹⁴²Ce. Времена жизни и энергии a-частиц приведены в таблице в ст. Изотопы; там же указаны и все a-радиоактивные изотопы.

  a-частицы теряют энергию при прохождении через вещество главным образом при их взаимодействиях с электронными оболочками атомов и молекул, при которых происходит ионизация и тех и других, возбуждение и, наконец, диссоциация молекул. Для полной потери энергии a-частицы требуется очень большое число столкновений (10⁴—10⁵). Поэтому в среднем все a-частицы данной энергии проходят примерно одинаковые пути с небольшим разбросом (3—4% ). Так как столкновение тяжёлой a-частицы с лёгким электроном не может заметно изменить направление её движения, то этот путь — пробег a-частицы — прямолинеен.

  Т. о., a-частицы данной энергии имеют вполне определённый пробег до остановки; например, в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре a-частицы имеют пробеги приблизительно от 2,5 до 8,5 см. По длине следов a-частиц в камере Вильсона можно качественно определить изотопный состав радиоактивного образца. На рис. 1 приведена фотография следов a-частиц, испускаемых при А.-р.

  При вылете из ядра a-частица испытывает действие двух различных сил. Очень большие по величине и действующие на близком расстоянии ядерные силы стремятся удержать частицу внутри ядра, в то время как кулоновское (электрическое) взаимодействие возникшей a-частицы с остальной частью ядра обусловливает появление силы отталкивания.

  На рис. 2 показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия a-частицы с конечным ядром (ядром, остающимся после вылета a-частицы) от расстояния до центра ядра. Из рис. видно, что a-частица должна при вылете преодолеть потенциальный барьер.

  Полная (т. е. потенциальная плюс кинетическая) энергия a-частицы в разных ядрах может принимать как отрицательные значения, так — с ростом заряда ядра — и положительные. В этом последнем случае А.-р. будет энергетически разрешен. Сплошной линией на рис. 2 изображена суммарная энергия a-частицы в ядре (или, другими словами, энергетический уровень a-частицы в ядре). Положительный избыток полной энергии, обозначенный буквой Е, представляет собой разницу между массой радиоактивного ядра и суммой масс a-частицы и конечного ядра.

  Если бы не существовало потенциального барьера, высота которого V, например, для

 равна 15 Мэв, то a-частица с положительной кинетической энергией Е (для  кинетическая энергия составляла бы~4,2 Мэв) могла бы свободно покидать ядро. Практически это привело бы к тому, что ядра с положительными значениями Е вообще не существовали бы в природе. Однако известно, что в природе существуют ядра с Z ³ 50, для которых Е положительно.

  С другой стороны, с точки зрения классической механики, a-частица с энергией Е < V должна постоянно находиться внутри ядра, потому что для преодоления потенциального барьера у неё не хватает энергии. В рамках классических представлений явление a-радиоактивности понять невозможно.

  Квантовая механика, учитывая волновую природу a-частиц, показывает, что существует конечная вероятность «просачивания» a-частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект). Барьер становится как бы частично прозрачным для a-частицы. Прозрачность барьера зависит от его высоты V и ширины B следующим образом:

  прозрачность

  (*).

  Здесь b — величина, зависящая от радиуса r ядра, m — масса a-частицы, Е — её энергия (см. рис. 2). Прозрачность (проницаемость) барьера тем больше, чем меньше его ширина и чем ближе к вершине потенциального барьера расположен энергетический уровень a-частицы (чем больше энергия a-частицы в ядре).

  Вероятность А.-р. пропорциональна проницаемости потенциального барьера. Поскольку с увеличением энергии a-частицы уменьшается ширина барьера (рис. 2), становится понятной полученная экспериментально резкая зависимость вероятности А.-р. от Е — кинетической энергии a-частиц. Например, при увеличении энергии испускаемых a-частиц с 5 до 6 Мэв вероятность А.-р. увеличивается в 10⁷ раз.

  Вероятность А.-р. зависит также и от вероятности образования a-частицы в ядре. Прежде чем a-частица покинет ядро, она должна там сформироваться. Постоянно a-частицы в ядре не существуют. Четыре элементарные частицы, из которых она состоит, участвуют в сложном движении нуклонов в ядре и нет никакого способа отличить их от др. частиц этого ядра. Однако существует заметная (~10^-6) вероятность образования a-частицы в ядре на какое-то короткое время в результате случайного сближения 4 нуклонов. Только когда a-частица покинет ядро и окажется достаточно далеко от него, можно рассматривать a-частицу и ядро как две отдельные частицы.

  Вероятность А.-р. резко зависит от размера ядра [см. формулу (*)], что позволяет использовать А.-р. для определения размеров тяжёлых ядер.

  Как уже упоминалось, энергия a-частиц, вылетающих из ядра в результате А.-р., должна быть точно равна энергетическому эквиваленту разности масс ядер до и после А.-р., т. е. величине Е. Это утверждение справедливо только для случая, когда конечное ядро

 образуется в основном состоянии. Но если конечное ядро образуется в одном из возбуждённых состояний, то энергия a-частицы будет меньше на величину энергии этого возбуждённого состояния.