α衰變
放射性衰變
α衰變，又名阿爾法衰變，是一種放射性衰變（核衰變）；發生α衰變時，一顆α粒子會從原子核中射出（附註：α粒子，又名阿爾法粒子，即氦-4核，⁴₂He，即一顆由2顆質子和2顆中子組成的原子核）；α衰變發生后，原子核的質量數會減少4個單位，其原子序數也會減少了2個單位。α衰變是一種核裂變，當中涉及量子物理學中的隧穿效應，和β衰變不同的是α衰變是由強核力力場產生和控制。一顆α粒子帶有5兆電子伏特的動能（約等於一顆α粒子的總能量的0.13%），其移動速度是每秒15,000公里，即是只達到5%光速（光速是時速1,079,252,848.8公里）；由於α粒子相對大的質量，其+2的電荷，以及相對慢的移動速度，它們實在太容易就會和其他原子核和粒子反應及失去其能量，α粒子在幾厘米厚度的空氣內就會被吸收。地球上大多數的氦氣都是來自地下蘊藏的礦物，如鈾和釷的α衰變產生的。
原子核的組成粒子-內部結構模型圖
盧希庭主編：《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.
設衰變前的原子核（稱母核）為X(Z,A），這裡Z為原子序數，A為質量數，衰變后的原子核（稱子核）為Y(Z-2，A-4)，則α衰變可表示為
X(Z,A)→Y(Z-2,A-4)+α
α衰變能Qα可表示為
Qα=(mx－my－mα）c²,
其中mx、my和mα分別是母核、子核和α粒子的靜止質量，с是真空中的光速。
根據能量守恆和動量守恆，α衰變能Qα以α粒子的動能Eα和子核的反衝能EY的形式表現出來
Qα=Eα+Ey,
可見，對A≈200的原子核，α粒子的動能約佔衰變能的98%，子核的反衝能約佔衰變能的2%。實驗測得α粒子的動能因母核而異，一般在4～9兆電子伏之間。因而子核反衝能約為100千電子伏量級。這個能量足以引起一些重要的反衝效應。
絕大多數的α放射體放出的α粒子的能量不止一組，而有強度不等的若干組，這是由於α衰變不僅在母核基態至子核基態之間進行，而且可以在母核基態至子核激發態之間，少數情形可以在母核激發態至子核基態之間進行。
在天然核素中，只有相當重的核（A>140的核）才可能發生α衰變，而且主要發生於A>209的重核。利用核子的平均結合能不難解釋這一現象（見原子核）。
不同的α放射性核素具有不同的半衰期，半衰期的長短同α粒子的能量有強烈的依賴關係。例如U238放射的α粒子能量是4.20兆電子伏，而Po212放射的α粒子能量是8.78兆電子伏，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，卻相差10^23倍。這反映了α粒子能量的微小改變引起了半衰期的巨大變化。1911年，H.蓋革和J.M.努塔耳總結實驗結果，得出衰變常數λ和α粒子能量之間的經驗規律。這個規律可以表述為
lgλ=A+BlgEα，
衰變常數λ同半衰期T12的關係是：T12=ln2/λ，而B是常數（約86），A對同一個天然放射系也是常數。
不同核素α衰變的半衰期分佈較廣，從1微秒（μs）到1017秒（s），一般的規律是衰變能較大，則半衰期較短；反之，衰變能較小，則半衰期較長。衰變能的微小改變，引起半衰期的巨大變化。α衰變是量子力學隧道效應的結果，半衰期隨衰變能變化的規律可以根據隧道效應予以說明。計算表明，α粒子和子核的庫侖勢壘高達20MeV，α粒子的能量雖小於此值，但由於隧道效應，α粒子有一定的幾率穿透勢壘，跑出原子核。α粒子的能量越大，穿透勢壘的幾率越大，即衰變幾率越大，從而半衰期越短。由於能量因子出現在指數上，因而它的微小變化，引起半衰期的巨大變化。這是量子力學研究原子核的最早成就之一。
α衰變主要限於一些重核素。α衰變能譜的研究提供了核結構的信息。α衰變常數的定量計算直到目前還沒有得到圓滿解決。尤其對於奇A核和奇奇核，實驗值可以比理論值小几個數量級。這主要有賴於所謂α形成因子的計算。研究表明：α粒子不大可能在α衰變前就存在於核內，而是在衰變過程中形成的。因此，在計算衰變常數時，必須乘上一個有關α粒子形成幾率的因子，通常稱它為α形成因子。顯然，α形成因子應該和原子核的結構有關。正因為如此，對α衰變的深入研究可進一步了解原子核內部結構的運動規律。
α衰變
為什麼α粒子能從原子核中發射出來，為什麼α衰變具有一定半衰期，為什麼半衰期同α粒子能量有強烈的依賴關係，這些都是人們十分感興趣的問題。計算表明，α粒子和子核之間的庫侖勢壘一般高達20兆電子伏以上。如前所述，α粒子動能比庫侖勢壘高度低得多，按照經典力學，由於庫侖勢壘的阻擋，α粒子不能跑到核外，根本不可能發生α衰變。20世紀20年代發展起來的量子力學能成功地解釋α衰變的產生機制。根據量子力學的隧道效應，α粒子有一定的幾率穿透勢壘跑出原子核。描述勢壘穿透幾率P的伽莫夫公式是
伽莫夫公式
式中V(r）是α粒子和子核的相互作用勢，E是相對運動動能，μ是α粒子和子核的約化質量，Rc是α粒子與子核的半徑之和，R是V(r)=E時的r值。可見，α粒子的能量E越大，穿透勢壘的幾率就越大，衰變幾率就越大，從而半衰期就越短。由於能量因子出現在伽莫夫公式的指數冪上，因而它的微小變化將引起衰變常數的巨大變化。這就解釋了實驗上觀察到的α衰變半衰期隨α粒子能量變化而劇烈變化的規律。利用勢壘穿透來解釋α衰變是用量子力學研究原子核的最早成就之一。
基本信息
- 中文名
- α衰變
- 原子序數
- Z
- 質量數
- A
- 衰變原子核
- Y
- 別稱
- 阿爾法衰變
- 分類
- 放射性衰變