Ядерные распады: 2. Альфа-распад

Альфа-распад ядра урана-238. Этот схематичный рисунок не поясняет, как так получается, что ядро, несмотря на сильное притяжение, отпускает альфа-частицу. Изображение с сайта ck12.org

Начнем знакомство с разными вариантами распада нестабильных ядер — и с разными способами удерживать ядро от мгновенного развала — с альфа-распада. Альфа-частица — это просто ядро атома гелия, два протона и два нейтрона. Такая комбинация скреплена ядерными силами особенно крепко. Поэтому если уж тяжелое ядро и готово потерять лишние протоны и нейтроны, то они, как правило, вылетают именно в форме альфа-частицы. Этот процесс и называется альфа-распадом.

Вообще-то, ядро просто так альфа-частицу не отпустит: всё-таки между ними действуют ядерные силы притяжения. Вот если бы частица уже оторвалась от ядра и отошла бы на  заметное расстояние, то тогда бы силы электрического отталкивания между ними развели бы их прочь. Но проникнуть в эту область просто так не получится — на пути к свободе альфа-частице надо как-то преодолеть высокий и широкий барьер потенциальной энергии. Он не пускает частицу и тем самым предотвращает моментальный альфа-распад ядра. Альфа-частица словно мечется в ядре, постоянно натыкаясь на потенциальный барьер.

Мощные ядерные силы не дают альфа-частице просто так вылететь из ядра. Она мечется внутри ядра, делая много попыток вылететь наружу, но каждый раз ядерные силы заворачивают ее обратно. Стрелка «туда-сюда» показывает эти неудачные попытки. И только спустя очень много таких циклов альфа-частица туннелирует, оказывается вдруг за пределами действия ядерных сил и улетает прочь из-за электростатического отталкивания. Изображение с сайта scienceblogs.com, с изменениями

По счастью, в квантовой механике частицы не локализованы, а немножко размазаны в пространстве. Поэтому с какой-то пусть очень маленькой, но всё же ненулевой вероятностью альфа-частица рано или поздно сможет оказаться по ту сторону барьера. Частица туннелирует, проходит потенциальный барьер насквозь, несмотря на то, что ей не хватает энергии переползти этот барьер поверху. И вот теперь, наконец-то оказавшись по ту сторону барьера, частица чувствует только электрическое отталкивание и с удовольствием улетает прочь.

Тот же туннельный эффект, что на прошлом рисунке, но теперь в виде графика. Здесь на обоих рисунках показана потенциальная энергия альфа-частицы внутри и вблизи ядра. Вверху: упрощенное изображение альфа-частицы как маленькой компактной частички материи. Внизу: более точное изображение альфа-частицы в виде квантовой волны, которая просачивается сквозь потенциальный барьер наружу. На фотографии — Георгий Гамов, впервые описавший альфа-распад как квантовый туннельный эффект. Изображение с сайта laradioactivite.com

Время жизни ядра, готового к альфа-распаду, определяется свойствами этого барьера. Чем выше и шире барьер, тем меньше вероятность просочиться наружу, а значит, тем дольше придется ждать для того, чтобы альфа-распад произошел. В одних случаях барьер очень труднопреодолимый, и время жизни ядра получается безумно большим, вплоть до миллиардов лет. В других случаях барьер оказывается хиленьким, и распад происходит очень быстро. Например, самое простое ядро, способное испытывать альфа-распад — бериллий-8, ⁸Be — содержит четыре протона и четыре нейтрона, и потому оно с огромным удовольствием распадается на две альфа-частицы. Его время жизни было измерено полвека назад и составляет 10⁻¹⁶ с = 100 ас. Заметьте, что это хоть и быстрый распад, но по ядерным масштабам он всё-таки занимает порядка миллиона типичных ядерных циклов.

Между прочим, тот факт, что ядро ⁸Be настолько нестабильно, имеет огромное значение для синтеза химических элементов во Вселенной и в конечном итоге — для жизни! В недрах звезд водород постепенно сгорает и превращается в гелий. Ядра гелия, альфа-частицы, постоянно летают, сталкиваются друг с другом и время от времени образуют бериллий-8. Если бы это ядро было стабильным или хотя бы долгоживущим, то на него быстро налипли бы новые альфа-частицы, получился бы углерод, азот и так далее. Иными словами, весь гелий бы очень быстро выгорел. В реальности же ⁸Be распадается столь быстро, что редко когда в него успевает воткнуться еще одна альфа-частица. Именно поэтому гелий в звездах так просто не горит. Лишь на очень поздних этапах, когда давление в звезде повышается, процесс тройного превращения альфа-частиц в углерод через промежуточный бериллий-8 запускается на полную катушку.