испускание альфа-частиц атомными ядрами в процессе самопроизвольного (спонтанного) радиоактивного распада (см. Радиоактивность). При А.-р. из радиоактивного ("материнского") ядра с атомным номером Z и массовым числом (См. Массовое число) А испускается ядро гелия (α-частица), т. е. два протона и два нейтрона в связанном состоянии; в результате А.-р. образуется конечное ("дочернее") ядро с атомным номером Z = 2 и массовым числом А = 4. Так, например, радий испускает α-частицу и переходит в радон ().

Известно (1968) около 200 α-радиоактивных ядер; большая часть их тяжелее свинца (Z > 82). Некоторое количество α-радиоактивных изотопов имеется в области значений Z < 82 среди ядер с недостаточным количеством нейтронов, т. н. нейтронодефицитных ядер (см. Ядро атомное). Так, в области редких земель имеется несколько α-радиоактивных ядер (например, ). Экспериментальному обнаружению α-активных ядер с А < 200 мешают огромные времена жизни (см. Время жизни), характерные для ядер с небольшой энергией А.-р. (см. ниже).

При А.-р. определённого радиоактивного изотопа вылетающие α-частицы имеют, грубо говоря, одну и ту же энергию. Энергия, выделяющаяся при А.-р., делится между α-частицей и ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Для разных изотопов энергия α-частиц различна. Она тем больше, чем меньше период полураспада T_1/2 данного изотопа (или его время жизни). У всех известных α-радиоактивных изотопов энергия α-частиц лежит в пределах от 2 Мэв до 9 Мэв. Времена жизни α-радиоактивных ядер колеблются в огромном интервале значений, примерно от 3•10^-7 сек для ²¹²Po до 5•10¹⁵ лет для ¹⁴²Ce. Времена жизни и энергии α-частиц приведены в таблице в ст. Изотопы; там же указаны и все α-радиоактивные изотопы.

α-частицы теряют энергию при прохождении через вещество главным образом при их взаимодействиях с электронными оболочками атомов и молекул, при которых происходит ионизация и тех и других, возбуждение и, наконец, диссоциация молекул. Для полной потери энергии α-частицы требуется очень большое число столкновений (10⁴-10⁵). Поэтому в среднем все α-частицы данной энергии проходят примерно одинаковые пути с небольшим разбросом (3-4\% ). Так как столкновение тяжёлой α-частицы с лёгким электроном не может заметно изменить направление её движения, то этот путь - пробег α-частицы - прямолинеен.

Т. о., α-частицы данной энергии имеют вполне определённый пробег до остановки; например, в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре α-частицы имеют пробеги приблизительно от 2,5 до 8,5 см. По длине следов α-частиц в камере Вильсона можно качественно определить изотопный состав радиоактивного образца. На рис. 1 приведена фотография следов α-частиц, испускаемых при А.-р.

При вылете из ядра α-частица испытывает действие двух различных сил. Очень большие по величине и действующие на близком расстоянии Ядерные силы стремятся удержать частицу внутри ядра, в то время как кулоновское (электрическое) взаимодействие возникшей α-частицы с остальной частью ядра обусловливает появление силы отталкивания.

На рис. 2 показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия α-частицы с конечным ядром (ядром, остающимся после вылета α-частицы) от расстояния до центра ядра. Из рис. видно, что α-частица должна при вылете преодолеть Потенциальный барьер.

Полная (т. е. потенциальная плюс кинетическая) энергия α-частицы в разных ядрах может принимать как отрицательные значения, так - с ростом заряда ядра - и положительные. В этом последнем случае А.-р. будет энергетически разрешен. Сплошной линией на рис. 2 изображена суммарная энергия α-частицы в ядре (или, другими словами, энергетический уровень α-частицы в ядре). Положительный избыток полной энергии, обозначенный буквой Е, представляет собой разницу между массой радиоактивного ядра и суммой масс α-частицы и конечного ядра.

Если бы не существовало потенциального барьера, высота которого V, например, для ²³⁸₉₂U равна 15 Мэв, то α-частица с положительной кинетической энергией Е (для ²³⁸₉₂U кинетическая энергия составляла быАльфа-распад4,2 Мэв) могла бы свободно покидать ядро. Практически это привело бы к тому, что ядра с положительными значениями Е вообще не существовали бы в природе. Однако известно, что в природе существуют ядра с Z ≥ 50, для которых Е положительно.

С другой стороны, с точки зрения классической механики, α-частица с энергией Е < V должна постоянно находиться внутри ядра, потому что для преодоления потенциального барьера у неё не хватает энергии. В рамках классических представлений явление α-радиоактивности понять невозможно.

Квантовая механика, учитывая волновую природу α-частиц, показывает, что существует конечная вероятность "просачивания" α-частицы через потенциальный барьер (Туннельный эффект). Барьер становится как бы частично прозрачным для α-частицы. Прозрачность барьера зависит от его высоты V и ширины B следующим образом:

прозрачность (*).

Здесь b - величина, зависящая от радиуса r ядра, m - масса α-частицы, Е - её энергия (см. рис. 2). Прозрачность (проницаемость) барьера тем больше, чем меньше его ширина и чем ближе к вершине потенциального барьера расположен энергетический уровень α-частицы (чем больше энергия α-частицы в ядре).

Вероятность А.-р. пропорциональна проницаемости потенциального барьера. Поскольку с увеличением энергии α-частицы уменьшается ширина барьера (рис. 2), становится понятной полученная экспериментально резкая зависимость вероятности А.-р. от Е - кинетической энергии α-частиц. Например, при увеличении энергии испускаемых α-частиц с 5 до 6 Мэв вероятность А.-р. увеличивается в 10⁷ раз.

Вероятность А.-р. зависит также и от вероятности образования α-частицы в ядре. Прежде чем α-частица покинет ядро, она должна там сформироваться. Постоянно α-частицы в ядре не существуют. Четыре элементарные частицы, из которых она состоит, участвуют в сложном движении нуклонов в ядре и нет никакого способа отличить их от др. частиц этого ядра. Однако существует заметная (Альфа-распад10^-6) вероятность образования α-частицы в ядре на какое-то короткое время в результате случайного сближения 4 нуклонов. Только когда α-частица покинет ядро и окажется достаточно далеко от него, можно рассматривать α-частицу и ядро как две отдельные частицы.

Вероятность А.-р. резко зависит от размера ядра [см. формулу (*)], что позволяет использовать А.-р. для определения размеров тяжёлых ядер.

Как уже упоминалось, энергия α-частиц, вылетающих из ядра в результате А.-р., должна быть точно равна энергетическому эквиваленту разности масс ядер до и после А.-р., т. е. величине Е. Это утверждение справедливо только для случая, когда конечное ядро образуется в основном состоянии. Но если конечное ядро образуется в одном из возбуждённых состояний, то энергия α-частицы будет меньше на величину энергии этого возбуждённого состояния.

Действительно, экспериментально показано, что α-излучение многих радиоактивных элементов состоит из нескольких групп α-частиц, энергии которых близки друг к другу ("тонкая структура" α-спектра). В качестве примера на рис. 3 показан спектр α-частиц от распада ²¹²₈₃Bi (висмут-212).

На рис. 4 изображена энергетическая схема α-распада ²¹²₈₃Bi на основное и возбужденные состояния конечного ядра

Разность энергий между основной группой и линиями тонкой структуры составляет 0,04, 0,33, 0,47 и 0,49 Мэв. Экспериментально различить линии тонкой структуры α-спектров можно только с помощью магнитных Альфа-спектрометров.

Знание тонкой структуры спектров α-частиц позволяет вычислить энергию возбуждённых состояний конечного ядра.

Некоторые радиоактивные изотопы испускают небольшое количество α-частиц с энергиями, гораздо большими, чем энергия основной группы α-частиц. Так, например, в спектре α-частиц от распада присутствуют две группы с энергиями на 0,7 и 1,9 Мэв больше, чем энергия основной группы. Интенсивность этих двух групп т. н. длиннопробежных α-частиц составляет всего Альфа-распад 10^-5 от полной интенсивности α-излучения. След одной из таких частиц виден на рис. 5. Существование длиннопробежных частиц связано с тем, что А.-р. могут испытывать ядра, находящиеся в возбуждённом состоянии (с большей энергией).

Многие основные понятия атомной и ядерной физики обязаны своим происхождением изучению α-радиоактивности. Теория А.-р., предложенная в 1928 Г. Гамовым и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном, явилась первым применением квантовой механики к ядерным процессам. Изучение рассеяния α-частиц привело к понятию об атомном ядре как центре массы и положительного заряда атома. Облучение α-частицами лёгких элементов привело к открытию ядерных реакций и искусственной радиоактивности.

Лит.: Глесстон С., Атом. Атомное ядро. Атомная энергия, пер. с англ., М., 1961; Гольданский В. И., Лейкин Е. М., Превращения атомных ядер, М., 1958.

В.С. Евсеев.

Рис. 2. Потенциальная энергия взаимодействия α-частицы с конечным ядром. V - высота потенциального барьера, В - его ширина, Е - энергия α-частицы, r - расстояние от центра ядра.

Рис. 3. Спектр α-частиц от распада висмута-212. Высота линий соответствует вероятности испускания α-частиц с данной энергией.

Рис. 4. Энергетическая схема α-распада висмута-212. Максимальная энергия

α-частиц соответствует переходу в основное состояние, α₁, α₂, α₃ и α₄ - альфа-частицы, испускаемые при переходе конечного ядра в одно из возбуждённых состояний.

Рис. 1. Фотографии следов α-частиц в камере Вильсона, α-частицы испускаются источником АсС + АсС'. На рис. видны 2 следа от α-частиц, испускаемых АсС'. Эти частицы имеют больший пробег (6,6 см), чем α-частицы АсС (5,4 см).

Рис. 5. Фотография следа длиннопробежной α-частицы (справа) от распада полония-212.

β-распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е^-) - происходит так называемый β^--распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е⁺) - происходит β⁺-распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы - нейтрино (ν) в случае β+-распада или антинейтрино в случае β^--распада. При β^--распаде число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Массовое число ядра А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β⁺-распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

где - символ ядра, состоящего из Z протонов и А-Z нейтронов.

Простейшим примером (β^--распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈ 13 мин):

Более сложный пример (β^--распада - распад тяжёлого изотопа водорода - трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p):

Очевидно, что этот процесс сводится к β^--распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае β-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента - ядро лёгкого изотопа гелия ³₂Не.

Примером β⁺-распада может служить распад изотопа углерода ¹¹С по следующей схеме:

Этот процесс можно представить как распад связанного протона

В этом случае ядро углерода превращается в ядро предшествующего ему в периодической таблице элемента - бора.

Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить и в результате захвата протоном одного из электронов с электронной оболочки атома. Чаще всего происходит захват электрона с ближайшей к ядру К-оболочки, т. н. К-захват. При К-захвате, как и при β⁺-распаде, образуется изобар, стоящий в периодической системе элементов слева от исходного ядра. Уравнение К-захвата имеет вид:

После захвата К-электрона на освободившееся место переходят электроны с более высоких оболочек; при этом испускается фотон. Т. о., К-захват сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения. Примером К-захвата может служить реакция, при которой ядро изотопа бериллия захватывает К-электрон и превращается в ядро лития:

Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Е_β можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mc2, где с - скорость света в вакууме. В случае β-распада

где М - массы нейтральных атомов. В случае β+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, энергия Б.-р. равна:

где me - масса электрона.

Энергия Б.-р. распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию от 0 до E_β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Итак, при β^--распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β⁺-распаде это превышение составляет не менее двух электронных масс.

Исследование Б.-р. ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление Б.-р. долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой (см. Ядро атомное). Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы - нейтрино - спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики - закон сохранения момента количества движения. Поскольку Спины (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны ¹/₂, то для сохранения спина в правой части уравнений Б.-р. может находиться лишь нечётное число частиц со спином ¹/₂. В частности, при β^--распаде свободного нейтрона n → p + e^- + ν только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения.

Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к β⁺-распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β^--распаду - для нейтроноизбыточных изотопов. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от

периоды полураспада заключены в широком интервале от 1,3 · 10^-2 сек (¹²N) до Бета-распад 2 10¹³ лет (природный радиоактивный изотоп ¹⁸⁰W).

В дальнейшем изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к крушению старых представлений. Было установлено, что Б.-р. управляют силы совершенно новой природы. Несмотря на длительный период, прошедший со времени открытия Б.-р., природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована далеко не полностью. Это взаимодействие назвали "слабым", т.к. оно в 10¹² раз слабее ядерного и в 10⁹ раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (См. Элементарные частицы) (кроме фотона). Прошло почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может нарушаться симметрия между "правым" и "левым". Это несохранение пространственной чётности было приписано свойствам слабых взаимодействий.

Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону. Время жизни ядра относительно Б.-р. и форма спектра β-частиц зависят от тех состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р., помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий, значительно пополнило представления о структуре атомных ядер.

Вероятность Б.-р. существенно зависит от того, насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то вероятность максимальна и соответствующий переход начального состояния в конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер. Лёгкие ядра содержат почти одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше числа протонов. Состояния нуклонов разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью. Переход затрудняется также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными. Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра β-частиц.

Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометров. Примеры β-спектров приведены на рис. 1 и рис. 2.

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22-24; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961.

Е. М. Лейкин.

Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв, на оси ординат - число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены пределы ошибок измерений электронов с данной энергиией).

Бета-спектр RaE (пример β -спектра тяжёлого элемента).