Теория альфа-распада

Ядро, представляющее довольно устойчивую систему, состоит из протонов и нейтронов. Следовательно, кроме кулоновских сил, вызывающих взаимное отталкивание протонов, существуют еще иные силы, преодолевающие это отталкивание. Эти силы, называемыеядерными (связанные с ними взаимодействия называются сильными), должны быть очень короткодействующими, т. е. сильно зависящими от расстояния, так как за пределами ядра, диаметр которого порядка 10-14 м, эти силы не проявляются, что было установлено в опытах по рассеянию альфа-частиц.

Альфа-частицы могут приближаться к ядру на расстояние R≈10-14 м, испытывая только кулоновское взаимодействие с ядром; энергия альфа-частиц, способных проникнуть в ядро, должна превышать (при Z = 50) значение, определяемое по формуле:

Это подтверждается и опытными данными: в тяжелые ядра проникают лишь достаточно быстрые альфа-частицы.

Но, с другой стороны, известно, что энергия альфа-частиц, покидающих, например., ядро урана при его распаде, составляет всего лишь 4 МэВ (энергии такого же порядка имеют и другие альфа- частицы естественного происхождения), между тем для урана W=28 МэВ.

С точки зрения классической физики это непонятно: казалось бы, что энергия вылетающих частиц должна быть не меньше «высоты потенциального барьера Wp(x), окружающего ядро.

Квантовая механика, однако, способна объяснить это явление. В элементы квантовой механики было показано, что частица с энергией W имеет определенную вероятность преодолеть потенциальный барьер, характеризующийся потенциальной энергией Wp (х). Эта вероятность пропорциональна величине:

(16.2)

где А — постоянная. Так как показатель степени очень сильно зависит от разности Wp (х)W, то даже небольшое изменение значения W влечет за собой резкое изменение вероятности вылета частицы. Количественные расчеты дают хорошее совпадение с опытом. Различие в скорости вылетающих частиц объясняется тем, что внутри ядра частицы могут находиться в состояниях с избыточной энергией; число этих состояний невелико, и их энергии дискретны, почему и энергии альфа-частиц дискретны.

Ядро, испустившее альфа-частицу, может остаться возбужденным; тогда после альфа-распада оно испускает гамма-фотон. Дискретность частот испускаемых фотонов также соответствует расчетам.

Так как масса протона в четыре раза меньше массы α-частицы, а заряд вдвое меньше, то показатель в выражении (16.2) резко уменьшается. Поэтому вероятность вылета протона, находящегося в одном из состояний с избыточной энергией, настолько велика, что таких ядер в естественном состоянии уже не существует. По той же причине нет и альфа-частиц с большими энергиями — они не могут задержаться в ядре.