實質
是一種放射性衰變。在此過程中,一個原子核釋放一個α粒子(由兩個中子和兩個質子形成的氦原子核),并且轉變成一個質量數減少4,核電荷數減少2的新原子核。原子核進行一次阿爾法衰變後,電荷數減少2,新核在周期表上的位置要向前移動2格。
性質
設衰變前的原子核(稱母核)為X(Z,A),這裡Z為原子序數,A為質量數,衰變後的原子核(稱子核)為Y(Z-2,A-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=(mx-my-mα)c^2,
其中mx、my和mα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Eα和子核的反沖能EY的形式表現出來
Qα=Eα+Ey,
可見,對A≈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(A>140的核)才可能發生α衰變,而且主要發生于A>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=A+BlgEα,
衰變常數λ同半衰期T12的關系是:T12=ln2/λ,而B是常數(約86),A對同一個天然放射系也是常數。
産生機制
為什麼α粒子能從原子核中發射出來,為什麼α衰變具有一定半衰期,為什麼半衰期同α粒子能量有強烈的依賴關系,這些都是人們十分感興趣的問題。計算表明,α粒子和子核之間的庫侖勢壘一般高達20兆電子伏以上。如前所述,α粒子動能比庫侖勢壘高度低得多,按照經典力學,由于庫侖勢壘的阻擋,α粒子不能跑到核外,根本不可能發生α衰變。20世紀20年代發展起來的量子力學能成功地解釋α衰變的産生機制。根據量子力學的隧道效應,α粒子有一定的幾率穿透勢壘跑出原子核。描述勢壘穿透幾率P的伽莫夫公式是:
式中V(r)是α粒子和子核的相互作用勢,E是相對運動動能,µ是α粒子和子核的約化質量,R是α粒子與子核的半徑之和,R是V(r)=E時的r值。可見,α粒子的能量E越大,穿透勢壘的幾率就越大,衰變幾率就越大,從而半衰期就越短。由于能量因子出現在伽莫夫公式的指數幂上,因而它的微小變化将引起衰變常數的巨大變化。這就解釋了實驗上觀察到的α衰變半衰期随α粒子能量變化而劇烈變化的規律。利用勢壘穿透來解釋α衰變是用量子力學研究原子核的最早成就之一。
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A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。