Альфа-распад - распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер ⁴He).

Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивность за редким исключением (например ⁸Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе Менделеева в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов. Кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z² ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A.

Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергии

где M(A,Z) и M(A-4,Z-2) - массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, M_a - масса альфа-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и альфа-частица приобретают суммарную кинетическую энергию

которая называется энергией альфа-распада. Ядра могут испытывать альфа-распад также на возбужденные состояния конечных ядер и из возбужденных состояний начальных ядер. Поэтому соотношение для энергии альфа-распада можно обобщить следующим образом

где и - энергии возбуждения начального и конечного ядер соответственно. Альфа-частицы, возникающие в результате распада возбужденных состояний, получили название длиннопробежных.

Основную часть энергии альфа-распада (около 98%) уносят альфа-частицы. Используя законы сохранения энергии и импульса для кинетической энергии альфа-частицы T_a можно получить соотношение

Периоды полураспада известных альфа-радиоактивных нуклидов варьируются от 0.298 мкс для ²¹²Po до >1015 лет для ¹⁴⁴Nd, ¹⁷⁴Hf. Энергия альфа-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами из основных состояний, составляет 4-9 МэВ, ядрами редкоземельных элементов 2-4.5 МэВ.

Важным свойством альфа-распада является то, что при небольшом изменении энергии альфа-частиц периоды полураспада меняются на многие порядки. Так у ²³²Th Q_a = 4.08 МэВ, T_1/2 = 1.41·1010 лет, а у ²¹⁸Th Q_a = 9.85 МэВ, T_1/2 = 10 мкс. Изменению энергии в 2 раза соответствует изменение в периоде полураспада на 24 порядка.

Для четно-четных изотопов одного элемента зависимость периода полураспада от энергии альфа-распада хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера - Неттола

где A и B - константы слабо зависящие от Z. С учетом заряда дочернего ядра Z связь между периодом полураспада T_1/2 и энергией альфа-распада Q_a может быть представлено в виде

где T_1/2 в сек, Q_a в МэВ.

Основные особенности альфа-распада, в частности сильную зависимость вероятности альфа-распада от энергии удалось в 1928 г. объяснить Г. Гамову и независимо от него Р. Герни и Э. Кондону. Ими было показано, что вероятность альфа-распада в основном определяется вероятностью прохождения альфа-частицы сквозь потенциальный барьер.

Огромнейшее значение альфа-распад имеет в области использования ядерной энергии, в частности в радиоизотопной энергетике. Используемые альфа-радиоактивные изотопы в всевозможных радиоизотопных источниках энергии представляют собой наиболее мощные источники энергии, и в сравнении с бета-радиоактивными изотопами выделяют на порядок большую энергию. Помимо этой области, альфа-распад ряда изотопов имеет огромное значение в производстве и применении разнообразных нейтронных источников, в которых используется альфа-нейтронная ядерная реакция с бериллием:

Наиболее технологически отработанные полоний-бериллиевый, Плутоний-238-бериллиевый источники нейтронов используются в самых разнообразных научных областях исследования, при нейтронно-активационных анализах вещества, при нейтронном каротаже буровых скважин и др.

 

Метод основан на дистанционной регистрации с использованием радиолокационных средств микроплазменных образований в атмосфере, индуцируемых распадом альфа-активных нуклидов или активированных в результате ионизации компонентов воздуха атмосферных водных аэрозолей.

Физические процессы, используемые при реализации метода, заключаются в способности к поляризации и распаду активированных (продуктами ионизации газовых компонентов воздуха) атмосферных водных аэрозолей в полях электромагнитных излучений (регистрация мощности полевой поглощенной дозы) и распаду альфа-активных радионуклидов (регистрация активности альфа-излучателей) с образованием плазменных микрооблаков.

В результате распада аэрозолей образуются локальные области высокой ионизации воздуха, которые при взаимодействии с зондирующим сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением формируют отраженный сигнал на частотах переизлучения плазмы, пропорциональный поверхностному заряду аэрозолей, который, в свою очередь, функционально связан с мощностью дозы ионизирующих излучений. Поверхностно ионоактивные водные аэрозоли в нормальных условиях под действием СВЧ-излучения не распадаются, поэтому на фоне их релеевского рассеяния легко выделяются широкополосные сигналы рассеяния на частотах переизлучения плазмы.

Однако при наличии в зонах обследования естественных источников низкочастотного излучения (в УНЧ/КНЧ/ОНЧ - диапазонах), формируемых на границах с литосферой и ионосферой в результате изменений пространственной структуры атмосферных электрических полей преимущественно пирамидальной формы, водный аэрозоль также поляризуется и проявляет способность к распаду при воздействии на него зондирующих СВЧ-излучений. Данные поляризованные аэрозольные образования в отличие от ЭПР зарядово-активных аэрозолей имеют чередующуюся по высоте эллипсоидальную форму и регистрируются методами СВЧ-локации в виде факельных образований до высот ~ 15 км (в зависимости от мощности и длины волны естественного источника УНЧ/КНЧ/ОНЧ -излучений).

Особенно мощные факельные образования со стороны поверхности земли образуются при радиоактивном загрязнении местности или наличии источников радиоактивности на радиационно-опасных объектах, приводящих к изменению естественного фона электронно-ионных концентраций (вариации электронно-ионных концентраций dN/N > 3%).

Выделение факельных образований от радиоактивно-загрязненной местности и радиационно-опасных объектов (РОО) осуществляется за счет селекции их пространственно-временных вариаций, а также путем идентификации поверхностно-активных аэрозолей в основании факелов.

При наличии в атмосфере альфа-активных радионуклидов (например, радона) в атмосфере формируются плазменные треки линейной формы, регистрируемые на экране плазменного индикатора РЛС в виде точечных осцилляций интенсивности в пределах некоторой области экрана, совпадающей с областью локализации облака альфа-активных нуклидов. Сигналы резонансного рассеяния формируются при альфа-распаде изотопов с образованием в атмосфере трека, ориентированного вдоль направления распространения волны в момент ее прохождения.

Если замкнутую металлическую оболочку с нанесенным на ее внешней поверхности тонким слоем радиоактивного металла, распадающегося по схеме альфа- или бета-распада, поместить внутрь другой замкнутой металлической оболочки (например, одну сферу, эмиттер, расположить в центре другой большей металлической сферы, коллектора) и в образовавшемся между поверхностями оболочек пространстве создать вакуум 10^-5 - 10^-6 мм.рт.ст., то вылетающие с поверхности внутренней оболочки-эмиттера заряженные альфа- или бета- частицы будут беспрепятственно достигать внутреннюю поверхность внешней металлической оболочки-коллектора и на ней будет возникать положительный заряд в случае альфа-распада и отрицательный при бета-распаде. Внутренняя оболочка-эмиттер соответственно будет приобретать отрицательный или положительный заряд. Эти заряды будут возрастать со временем до тех пор, пока разность потенциалов между внутренней и внешней оболочками не будет настолько велика, что энергия альфа- или бета-частиц будет недостаточной для преодоления этой разности потенциалов.

Если электрическим проводом соединить внутреннюю (эмиттер) и внешнюю (коллектор) металлические оболочки, то по проводу потечет постоянный ток, величина которого определяется потоком частиц от эмиттера к коллектору. Все устройство будет работать как постоянно подзаряжаемый конденсатор. При этом размеры и формы эмиттеров и коллекторов могут быть разнообразны, как и формы традиционных электрических конденсаторов при условии, что между эмиттером и коллектором поддерживается вакуум. Например, они могут иметь форму сфер, цилиндров и, в частности, выполнены в виде плоских пластин, как в плоском электрическом конденсаторе. Для того чтобы вырабатываемый устройством постоянный ток высокого напряжения преобразовать в переменный ток промышленного напряжения и частоты между эмиттером и коллектором устанавливают подобную им по форме (в виде сферы, цилиндра и т.п.) металлическую сетку, а между сеткой и эмиттером подают переменное напряжение с частотой 50 Гц, величина амплитуды которого равна максимальной разности потенциалов, которую могут преодолеть радиоактивные электрически заряженные альфа- и бета-частицы. В результате предлагаемое устройство начинает работать как хорошо известный ламповый триод, роль анодного тока в котором играет поток заряженных радиоактивных частиц от эмиттера к коллектору. Изменение разности потенциалов между эмиттером и сеткой вызывает синусоидальное изменение этого тока, который проходит через первичную обмотку высоковольтного понижающего трансформатора, а на его вторичной обмотке вырабатывается переменное промышленное напряжение 220-380 В при частоте 50 Гц, которое может быть использовано потребителями электроэнергии в автономном режиме или через общую электросеть переменного тока.