Techniklexikon

Alphazerfall

a-Zerfall, Alpha-Umwandlung, a-Umwandlung, radioaktive Zerfallsart, die spontane Umwandlung von Alphastrahlern unter Emission von Alphateilchen (Alphastrahlung). Entsprechend dem Massenverhältnis von Kern und Alphateilchen ist die Rückstossenergie der Kerne sehr gering, bei schweren Kernen liegt sie in der Grössenordnung 0,1 MeV. Ist der Endzustand des Zerfalls, wie es in der Regel der Fall ist, nicht der Grundzustand des Tochterkerns, sondern ein angeregter oder sogar verschiedene angeregte Zustände, so ist die Energie der Alphateilchen entsprechend geringer. Dies führt zu einer charakteristischen spektralen Verteilung der Alphateilchen und zur zusätzlichen Emission von Gammastrahlen. Die Halbwertszeiten typischer in der Natur vorkommender Alphastrahler betragen 4,468 × 10⁹a für ²³⁸U oder 1,40 × 10¹⁰a für ²³²Th.

Die Natur der beim Alphazerfall entstehenden Alphateilchen als Heliumkerne wurde bald nach der Entdeckung der Radioaktivität durch Becquerel (1896) von Rutherford aufgeklärt, der die emittierten gasförmigen Substanzen auffing und das Gemisch in einer Entladung spektroskopierte (1908). Dabei fand er, dass die optischen Spektren denen des Heliums gleichen, woraus die Identität der schweren Teilchen als doppelt ionisierte Heliumatome folgte.

Die quantenmechanische Beschreibung des Alphazerfalls wurde 1928 von Gamow sowie unabhängig von ihm von Gurney und Condon gegeben. Bei der Gamow-Theorie wird ein einfaches Kernmodell (nur unter Berücksichtigung der Coulomb-Kräfte) vorausgesetzt, nach dem das a-Teilchen bereits im Kern existiert. Es unterliegt im Kern den anziehenden Kernkräften, ausserhalb des Kerns der elektrostatischen Abstossung. Durch den Coulomb-Wall, in diesem Fall als Gamow-Berg bezeichnet, wird es im Kern festgehalten. Die Emission von a-Teilchen ist nur nach dem quantenmechanischen Tunneleffekt möglich. Die Zerfallskonstante l hängt nach der Formel

von der reduzierten Masse  von der Zerfallsenergie E, der Höhe  des Coulomb-Walls und besonders empfindlich vom Radius R des Restkerns ab. M und M_R sind die Massen des a-Teilchens und des Restkerns, Z ist dessen Ordnungszahl. Aus experimentellen Werten der Zerfallskonstanten und der a-Teilchen-Energie lassen sich nach dieser Formel Kernradien von beim Alphazerfall entstehenden Kernen bestimmen. Die Voraussetzung des bereits existierenden a-Teilchens ist für Kerne mit ungerader Nukleonenzahl und für uu-Kerne am wenigsten erfüllt. Bei diesen Kernen treten auch wesentlich kleinere Zerfallskonstanten auf, da die Wahrscheinlichkeit der a-Teilchen-Bildung zusätzlich berücksichtigt werden muss. Eine zweite Korrektur ergibt sich bei diesen Kernen aus dem Einfluss des Drehimpulses des Restkerns, der durch die Zentrifugalschwelle ebenfalls eine Vergrösserung der Halbwertszeit bewirkt. Ein Zusammenhang zwischen den beobachteten Halbwertszeiten und der Reichweite der Alphateilchen ist in der Geiger-Nuttall-Regel zusammengefasst. [HG1]

Alphazerfall 1: Alphazerfall des .

Alphazerfall 2: Schematische Darstellung des Alphazerfalls durch Tunneleffekt.