关于α衰变介绍

[拼音]：αshuaibian

[外文]：α decay

原子核自发地放射出α粒子的衰变。1896年A.-H.贝可勒尔发现放射性后，人们花了很大力量研究α衰变。E.卢瑟福和他的学生经过整整10年的努力，终于在1908年直接证明了α粒子就是氦原子核 嬆He。α衰变中放出的能量称为α衰变能。衰变能可以通过衰变前后的原子核的静止质量之差计算而得到。

设衰变前的原子核（称母核）为姸X，这里A为质量数，Z为原子序数，衰变后的剩余核（称子核）为，则α衰变可表示为

，

α衰变能Qα可表示为

Qα＝(mx－my－mα)c2，

其中mx、my和mα分别是母核、子核和α 粒子的静止质量，с是真空中的光速。

根据能量守恒和动量守恒，α衰变能Qα以α粒子的动能Eα和子核的反冲能EY的形式表现出来

Qα＝Eα＋Ey，

可见，对A≈200的原子核，α粒子的动能约占衰变能的98％，子核的反冲能约占衰变能的2％。实验测得α粒子的动能因母核而异，一般在4～9兆电子伏之间。因而子核反冲能约为 100千电子伏量级。这个能量足以引起一些重要的反冲效应。

绝大多数的α放射体放出的α粒子的能量不止一组，而有强度不等的若干组，这是由于α衰变不仅在母核基态至子核基态之间进行，而且可以在母核基态至子核激发态之间，少数情形可以在母核激发态至子核基态之间进行。

在天然核素中，只有相当重的核（A140的核）才可能发生α衰变，而且主要发生于A209的重核。利用核子的平均结合能不难解释这一现象（见原子核）。

不同的α放射性核素具有不同的半衰期，半衰期的长短同α粒子的能量有强烈的依赖关系。例如U放射的α粒子能量是4.20兆电子伏，厜Po放射的α粒子能量是8.78兆电子伏，相差2.1倍，而的半衰期是4.468×109年，厜Po的是3.0×10-7秒，却相差1024倍。这反映了α粒子能量的微小改变引起了半衰期的巨大变化。1911年，H.盖革和J.M.努塔耳总结实验结果，得出衰变常数λ和α粒子能量之间的经验规律。这个规律可以表述为

lgλ＝A＋BlgEα，

衰变常数λ同半衰期T12的关系是:T½=ln2/λ，而B是常数(约86)，A对同一个天然放射系也是常数。

为什么α粒子能从原子核中发射出来，为什么α衰变具有一定半衰期，为什么半衰期同α粒子能量有强烈的依赖关系，这些都是人们十分感兴趣的问题。计算表明，α粒子和子核之间的库仑势垒一般高达20兆电子伏以上。如前所述，α粒子动能比库仑势垒高度低得多，按照经典力学，由于库仑势垒的阻挡，α粒子不能跑到核外，根本不可能发生α衰变。20世纪20年代发展起来的量子力学能成功地解释 α衰变的产生机制。根据量子力学的隧道效应，α粒子有一定的几率穿透势垒跑出原子核。描述势垒穿透几率P的伽莫夫公式是

，

式中V(r)是α粒子和子核的相互作用势，E是相对运动动能，µ是α粒子和子核的约化质量，R是α粒子与子核的半径之和，Rc是V(r)=E时的r值。可见，α粒子的能量E越大，穿透势垒的几率就越大，衰变几率就越大，从而半衰期就越短。由于能量因子出现在伽莫夫公式的指数幂上，因而它的微小变化将引起衰变常数的巨大变化。这就解释了实验上观察到的α衰变半衰期随α粒子能量变化而剧烈变化的规律。利用势垒穿透来解释 α衰变是用量子力学研究原子核的最早成就之一。

但是，α衰变常数的定量计算直到目前还没有得到圆满解决。尤其对于奇A核和奇奇核，实验值可以比理论值小几个数量级。这主要有赖于所谓 α形成因子的计算。研究表明:α粒子不大可能在α衰变前就存在于核内，而是在衰变过程中形成的。因此，在计算衰变常数时，必须乘上一个有关α粒子形成几率的因子，通常称它为α形成因子。显然，α形成因子应该和原子核的结构有关。正因为如此，对α衰变的深入研究可进一步了解原子核内部结构的运动规律。

参考书目

1. 卢希庭主编：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。
2. P.Marmier and E.Sheldon，Physics of Nuclei and Particles， Academic Press， New York and London， 1969.