α衰变（放射α粒子的核衰变过程）

α衰变

放射α粒子的核衰变过程

α衰变，是一种放射性衰变(核衰变);发生α衰变时，一颗α粒子会从原子核中射出;α衰变发生后，原子核的质量数会减少4个单位，其原子序数也会减少了2个单位。α衰变是一种核裂变，当中涉及量子物理学中的隧穿效应，和β衰变不同的是α衰变是由强核力力场产生和控制。α粒子是电荷数为2、质量数为4的氦核He。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 He-4。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。

衰变模型

α-decay

性质

设衰变前的原子核（称母核）为X( , ），这里 为 原子序数，为质量数，衰变后的原子核（称 子核）为Y( -2， -4)，则α衰变可表示为

X(Z,A)→Y(Z-2,A-4)+α

α衰变能Qα可表示为

Qα=( x－ y－ α）c^2,

其中 x、y和α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α和子核的反冲能Y的形式表现出来

Qα= α+ y,

可见，对 ≈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（ > 140的核）才可能发生α衰变，而且主要发生于 > 209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U238放射的α粒子能量是4.20兆电子伏，而Po212放射的α粒子能量是8.78兆电子伏，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，却相差10^23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= + α，衰变常数λ同半衰期12的关系是： 12 = ln2/λ，而是常数（约86），对同一个天然放射系也是常数。

产生机制

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，Rc是α粒子与子核的半径之和，R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。

半衰期

不同 核素α衰变的半衰期分布较广，从1微秒（μs）到1017秒（s），一般的规律是衰变能较大，则半衰期较短；反之，衰变能较小，则半衰期较长。衰变能的微小改变，引起半衰期的巨大变化。α衰变是量子力学隧道效应的结果，半衰期随衰变能变化的规律可以根据 隧道效应予以说明。计算表明，α粒子和 子核的库仑势垒高达20MeV，α粒子的能量虽小于此值，但由于隧道效应，α粒子有一定的几率穿透势垒，跑出原子核。α粒子的能量越大，穿透势垒的几率越大，即衰变几率越大，从而半衰期越短。由于能量因子出现在指数上，因而它的微小变化，引起半衰期的巨大变化。这是量子力学研究原子核的最早成就之一。

α衰变主要限于一些重核素。α衰变能谱的研究提供了核结构的信息。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 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

卢希庭主编：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。

P.Marmier and E.Sheldon,Physics of Nuclei and Particles,Academic Press,New York and London,1969.

参考资料

1.原子核衰变·仪器网