α 衰变(阿尔发衰变)

2020-06-10 07:12:51 来源:U慢生活655人评论

简介

$$\alpha$$ 衰变,中文发音为阿尔发衰变,是放射性衰变(核衰变)的一种(放射性衰变的常见类型有 $$\alpha$$ 衰变、$$\beta$$ 衰变和 $$\gamma$$ 衰变三种)。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响,也不受元素所处状态的影响,只和时间有关。

$$\alpha$$ 衰变是指放射性原子核放射出 $$\alpha$$ 粒子(即氦原子核 $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$)后变成另一种原子核。衰变后原子核的电荷数(或说原子序、质子数)比衰变前原子核减少 2,质量数比衰变前减少 4。$$\alpha$$ 粒子的特点是电离能力强,射程短,但穿透能力较弱,用一般纸张即可阻挡,能在云雾室(一种早期侦测游离辐射的粒子侦测器)中留下粗而短的轨迹。

α 衰变(阿尔发衰变)

图一 $$\alpha$$ 衰变示意图(本文作者自绘)

下面之反应式 (I) 是 $$\alpha$$ 衰变的一个例子。例如,铀-238 通过 α 粒子发射的衰变以形成钍-234 可以表示为图一:

$$\mathrm{^{238}_{92}U}\rightarrow\mathrm{^{234}_{90}Th}+\mathrm{^{4}_{2}He}~~~~~~$$式(I)

式 (I) 也可写成式 (II):

$$\mathrm{^{238}U}\rightarrow\mathrm{^{234}Th}+\alpha~~~~~~$$式(II)

特性

一颗放射出的 $$\alpha$$ 粒子移动速度约是每秒 15,000 公里,即是只达到 5% 光速(光速是时速 1,079,252,848.8 公里);由于 $$\alpha$$ 粒子相对大的质量,并且有着 +2 的电荷量以及相对慢的移动速度,比起其他放射线,它们非常容易就会和其他原子核或粒子产生反应而失去能量,因此 $$\alpha$$ 粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸收。

由于穿透力不强,$$\alpha$$ 粒子释放出的放射性同位素在人体外部不构成危险。然而,释放 $$\alpha$$ 粒子的物质(镭、铀等等)一旦被吸入或注入体内,那将会十分危险,因为 $$\alpha$$ 粒子的高动能与高电离能力可以直接破坏内脏的细胞。它的穿透能力虽然弱,但对生物所造成的危害并不下于其他辐射。

$$\alpha$$ 衰变是最常见的释放核子型衰变,地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏的矿物,如铀和钍的 $$\alpha$$ 衰变产生的。

成因

$$\alpha$$ 衰变通常是发生在较大的原子核,除了少数例外,只出现于 $$Z>82$$ 的元素。

要了解 $$\alpha$$ 衰变为何会发生,我们可以假想衰变前原子核是由衰变后原子核及 $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 原子核所组成。$$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 原子核在衰变前原子核内受到强核力(作用于强子,如:中子、质子之间的力,是所知四种基本作用力最强的,但作用距离非常短,大约在 $$10^{-15}~m$$ 範围内)束缚,然而它如果离开强核力的範围后,两个原子核之间的库伦电力是排斥力,所以离开后位能会降低。

强核力形成一个壁垒防线,防止衰变前原子核的立即崩溃,但是  $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 原子核可以透过量子力学的穿隧效应,而有一定机率离开核力的範围,得到较低的能量,所以蜕变后的能量主要来自电位能的下降。

为什幺 $$\alpha$$ 衰变要选择放射 $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 而不是质子或其他原子核呢?这是因为在较轻的原子核中,$$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 是唯一具有较大平均束缚能(将原子核拆掉所需的能量)的原子核 (~7.07MeV),相对地,质子 ($$\mathrm{^{1}H}$$) 与中子本身没有束缚能,所以放射出以上这些粒子需要更多能量,不利于衰变的发生。

其他较重的原子核,如 $$\mathrm{^{12}C}$$ (~7.68MeV),在能量上虽然有利,但是因为太重,要穿隧通过强核力的壁垒较不容易。然而当衰变原子核的 $$Z$$ 更大时(超过 $$100$$ 以上),因为库伦斥力增大,能量上有利的条件会克服穿隧的困难,因此原子核会选择以放射出 $$\mathrm{^{12}C}$$ 甚至更重的原子核来降低能量,这样的衰变称为核分裂 (Nuclear Fission)。本质上,核分裂与 $$\alpha$$ 衰变是相似的过程。


参考文献

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