核衰变与放射性

第二节　核衰变与放射性

放射性的发现

有些元素如铀、镭、钋等能放出一些射线，这些射线看不见，但能穿透光所不能穿透的物体（如黑纸）使照相底片感光，这种性质称为放射性。放射性元素放出的射线有α射线、β射线、γ射线。α射线是带正电的高速粒子流，它们以相当高的速度（每秒钟将近2万公里）从放射源中放射出来。它的贯穿能力小而电离能力强。β射线是原子内放出的高速运动的电子流，它的贯穿能力强，但电离能力小。γ射线是原子内放出的能量很高的电磁波（即光子流），它的贯穿，极强，但电离能力很小。

自然界存在300多种核素，其中280多种是稳定核素。自1934年以来，人工制造出许多放射性核素，例如兰州近代物理研究所1992年在世界上首次合成并鉴别出208 Hg及185 Hf两个新核素，1993年又首次合成并鉴别出新核素237 Th。现在已知的核素约3000种，而核结构理论预言，核素种类可达8000多种。

核衰变

放射性现象的本质是原子核的衰变过程。放射性核是一个量子体系，核衰是一个量子跃迁过程，遵从量子力学的统计规律。在衰变过程中，原子核的数目随时间按指数规律减少，其衰变规律为N＝N_oe－λt，式中N₀为t＝0时放射源中放射性元素的原子核数目，N为t时刻放射性原子核数目，λ为衰减恒量。单位时间内发生的核衰变的次数称为放射性活度，以A表示，单位为s^－1，则A＝A₀e－λt，式中A_o＝λN₀。放射性活度衰减到原来一半（A＝A₀/2）所需的时间τ称为放射性元素的半衰期，即

τ＝＝

各种放射性元素的半衰期差别很大，从10^－9s到10⁹年。半衰期是鉴别不同放射性核素的重要指标。半衰期的一个重要应用是地质学中用以确定地质年代，考古学中用以确定古生物或文物的年代。考古学中常用的放射性核素是，τ＝5730年。

不稳定核素会自发地蜕变成另一种核素，同时放出各种射线，并由一种元素转变成另一种元素。在通常情况下，原子核的放射性衰变有以下三种。

α衰变：α衰变的反应式为

它表示在α衰变中，放射性元素X的原子核放出一个α粒子），蜕变成一种新元素Y，其原子核的质量数比原来元素的质量数减少4，而电荷数减少2，即在周期表中的位置移前两位。

β衰变：β衰变的反应式为

它表示在β衰变中，原子核放出一个β粒子）时，新元素原子核的质量数不变，而电荷数增加1，即在周期表中的位置移后一位。

放射性元素因α衰变或β衰变而引起元素原子序数变动的规则，称为位移定则。

γ衰变：处于激发态的原子核向低激发态或基态跃迁时，往往就发出7光子，这种现象称为7衰变或7跃迁。这种过程只是核的能级发生变化，而核的组成不发生变化，元素在周期表中的位置不变。

人工核反应

1919年，英国科学家卢瑟福用α粒子轰击氮原子，发生核反应，产生了氧原子。这使人们意识到，用微粒轰击原子的核反应可以使一种物质变成另一种物质。核反应不仅能使物质发生改变，而且能使原子核内的微粒释放出来。

用人工方法产生放射性元素的现象称为人工放射性现象。1961年人们首先利用核反应合成了103号元素镑Lr。一系列超钚元素（Z＞94）都可以用人工核反应的方法制造。

据2004年最新报道，俄美计划明年初合成第18号元素。这些超重元素在工农业生产、医疗和国防上都有特殊应用。