α 衰變(阿爾發衰變)

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$$\alpha$$ 衰變(阿爾發衰變)(Alpha decay)
國立臺灣大學物理學系 林司牧

簡介

$$\alpha$$ 衰變,中文發音為阿爾發衰變,是放射性衰變(核衰變)的一種(放射性衰變的常見類型有 $$\alpha$$ 衰變、$$\beta$$ 衰變和 $$\gamma$$ 衰變三種)。核衰變的速度不受溫度、壓力、電磁場等外界條件的影響,也不受元素所處狀態的影響,只和時間有關。

$$\alpha$$ 衰變是指放射性原子核放射出 $$\alpha$$ 粒子(即氦原子核 $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$)後變成另一種原子核。衰變後原子核的電荷數(或說原子序、質子數)比衰變前原子核減少 2,質量數比衰變前減少 4。$$\alpha$$ 粒子的特點是電離能力強,射程短,但穿透能力較弱,用一般紙張即可阻擋,能在雲霧室(一種早期偵測游離輻射的粒子偵測器)中留下粗而短的軌跡。

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圖一 $$\alpha$$ 衰變示意圖(本文作者自繪)

下面之反應式 (I) 是 $$\alpha$$ 衰變的一個例子。例如,鈾-238 通過 α 粒子發射的衰變以形成釷-234 可以表示為圖一:

$$\mathrm{^{238}_{92}U}\rightarrow\mathrm{^{234}_{90}Th}+\mathrm{^{4}_{2}He}~~~~~~$$式(I)

式 (I) 也可寫成式 (II):

$$\mathrm{^{238}U}\rightarrow\mathrm{^{234}Th}+\alpha~~~~~~$$式(II)

特性

一顆放射出的 $$\alpha$$ 粒子移動速度約是每秒 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 $$\alpha$$ 粒子相對大的質量,並且有著 +2 的電荷量以及相對慢的移動速度,比起其他放射線,它們非常容易就會和其他原子核或粒子產生反應而失去能量,因此 $$\alpha$$ 粒子在幾厘米厚度的空氣內就會被吸收。

由於穿透力不強,$$\alpha$$ 粒子釋放出的放射性同位素在人體外部不構成危險。然而,釋放 $$\alpha$$ 粒子的物質(鐳、鈾等等)一旦被吸入或注入體內,那將會十分危險,因為 $$\alpha$$ 粒子的高動能與高電離能力可以直接破壞內臟的細胞。它的穿透能力雖然弱,但對生物所造成的危害並不下於其他輻射。

$$\alpha$$ 衰變是最常見的釋放核子型衰變,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 $$\alpha$$ 衰變產生的。

成因

$$\alpha$$ 衰變通常是發生在較大的原子核,除了少數例外,只出現於 $$Z>82$$ 的元素。

要了解 $$\alpha$$ 衰變為何會發生,我們可以假想衰變前原子核是由衰變後原子核及 $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 原子核所組成。$$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 原子核在衰變前原子核內受到強核力(作用於強子,如:中子、質子之間的力,是所知四種基本作用力最強的,但作用距離非常短,大約在 $$10^{-15}~m$$ 範圍內)束縛,然而它如果離開強核力的範圍後,兩個原子核之間的庫倫電力是排斥力,所以離開後位能會降低。

強核力形成一個壁壘防線,防止衰變前原子核的立即崩潰,但是  $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 原子核可以透過量子力學的穿隧效應,而有一定機率離開核力的範圍,得到較低的能量,所以蛻變後的能量主要來自電位能的下降。

為什麼 $$\alpha$$ 衰變要選擇放射 $$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 而不是質子或其他原子核呢?這是因為在較輕的原子核中,$$\mathrm{^{4}_{2}He}$$ 是唯一具有較大平均束縛能(將原子核拆掉所需的能量)的原子核 (~7.07MeV),相對地,質子 ($$\mathrm{^{1}H}$$) 與中子本身沒有束縛能,所以放射出以上這些粒子需要更多能量,不利於衰變的發生。

其他較重的原子核,如 $$\mathrm{^{12}C}$$ (~7.68MeV),在能量上雖然有利,但是因為太重,要穿隧通過強核力的壁壘較不容易。然而當衰變原子核的 $$Z$$ 更大時(超過 $$100$$ 以上),因為庫倫斥力增大,能量上有利的條件會克服穿隧的困難,因此原子核會選擇以放射出 $$\mathrm{^{12}C}$$ 甚至更重的原子核來降低能量,這樣的衰變稱為核分裂 (Nuclear Fission)。本質上,核分裂與 $$\alpha$$ 衰變是相似的過程。


參考文獻

  1. α 衰變|維基百科。 https://zh.wikipedia.org/wiki/%CE%91%E8%A1%B0%E5%8F%98
  2. 核衰變 (Nuclear Decay)|科學Onlie。 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19138
  3. Chia-Hung Vincent Chang, Particle Phyiscs Introduction-Chinese, http://phy.ntnu.edu.tw/~chchang/Notes14/Particle%20Phyiscs%20Introduction-Chinese.doc 

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