放射性元素的衰变

放射性元素的衰变

一、天然放射现象

1896年，法国物理学家贝克勒耳（1852－1908年）在研究各种物质产生荧光现象时，发现铀（U）和含铀的矿物能发出人眼看不见的某种射线。这种射线可以穿透黑纸，使照相底片感光。能够发出这种射线的元素叫做放射性元素。

在贝克勒耳的建议下，法国物理学家皮埃尔·居里（1859－1906年）和他的妻子玛丽·居里（1867－1934年）对铀和铀的各种矿石进行了长期研究。他们发现所有的铀矿石都能发出射线，但其中一种沥青铀矿石发出的射线，比根据它的含铀量所能发出的射线强得多。进一步研究后，发现这种沥青铀矿石中存在着两种放射性更强的新元素。玛丽·居里为了纪念她的祖国波兰，把其中一种元素命名为钋（Po），另一种元素命名为镭（Ra）。

放射性元素这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。

放射性元素发出的射线的本质是什么？它们的组成是否一样呢？卢瑟福利用磁场研究了射线的性质。他把放射源放在有一小孔的铅室底部，由于射线不能穿透厚的铅块，只能从小孔上方射出。在铅室上方放照相底片，在铅室和底片之间加上一个跟射线射出方向垂直的磁场。照相底片显影后，发现底片上有三条黑影。这说明在磁场的作用下，射线分成了三部分：一部分稍向右偏转，表明带正电，叫做α射线；一部分向左作较大的偏转，表明带负电，叫做β射线；还有一部分不发生偏转，表明不带电，叫做γ射线。

进一步研究知道，有的放射性元素放射α射线，有的放射性元素放射β射线，γ射线一般是伴随α射线或β射线的发出而产生的。

经过对α、β、γ射线的性质的研究和探测，后来的实验证实，α射线是高速运动的α粒子流，它的速度约是光速的1/10。

α粒子的电量是基元电荷的2倍，它的质量是氢原子核质量的4倍，所以α粒子就是氦原子核。α射线的贯穿本领很小，连一张薄纸也穿不过，但它的电离作用很强，使照相底片的感光作用也很强。

β射线是高速运动的电子流，它的速度接近光速。β射线的贯穿本领较强，可以穿透几毫米厚的铝板，它的电离作用比较弱。

γ射线是频率很高的γ光子。γ射线的贯穿本领最强，甚至能穿透几厘米厚的铅板，它的电离作用最弱。

射线是看不见、摸不着的，怎样知道它的存在呢？可以根据它跟物质的相互作用来探测它的存在，并判别它的性质。用来探测各种放射粒子的存在，并分辨、测量它们的各种物理性质的仪器，叫做探测器。目前，常用的探测器有云室、电离室、计数器、气泡室和乳胶照相等。

云室是利用射线使气体电离的性质，来探测射线粒子并显示它们的径迹的仪器。云室是英国物理学家威尔逊（1869－1959年）于1911年发明的，人们通常称它为威尔逊云室。

云室的主要结构是在一个金属圆筒的上面连接一个塑料或玻璃制的容器，它的下面装有一个可在小范围内上下移动的活塞，上盖是透明的，可以观察室内发生的现象和进行照相。实验时，先在云室里加一些酒精（或乙醚），使室内充满酒精的饱和蒸汽。然后，使活塞迅速向下移动，由于云室内酒精饱和汽迅速膨胀而降低温度，成为过饱和汽。这时，如果有射线粒子在室内飞过，在它经过的路径上的气体分子被电离，每厘米长度上可产生数百到上万对离子，过饱和汽就会以这些离子为中心凝结成一条雾迹。

利用云室可以清晰地看到α粒子和β粒子的径迹。α粒子的电离本领大，它的质量也比较大，在气体中运动时不易改变方向，所以它的径迹粗而直。β粒子的电离本领较小，它的质量又很小，在运动中跟气体分子的电子碰撞时容易改变方向，所以它的径迹比较细，有弯曲。γ粒子的电离本领更小，只能产生一些细碎的雾迹。在历史上云室第一次把微观粒子的径迹呈现在人们眼前，所以曾被卢瑟福赞为“科学史上最妙不可言的新颖仪器”。

盖革·缪勒计数器简称G－M计数器，它是利用射线进入探测器时，在电子线路中引起脉冲电流来记录进入的粒子数量的仪器。计数器的主要部分是计数管，它是一根玻璃管，里面有一个导电的圆筒作为阴极，管的轴线上有一根细的金属丝作为阳极。管内充有惰性气体（如氩、氖）和少量的乙醇蒸汽和溴蒸汽。在两极间加上1000V以上的电压，这个电压略低于管内气体的击穿电压。

当射线粒子飞进管内，气体电离产生了电子。电子在强电场作用下向阳极加速运动，碰到气体分子又可使气体电离再产生电子，在很短时间内就会产生大量电子。这些电子到达阳极，正离子到达阴极（正离子质量大，运动速度小，不会使气体分子电离），使计数管中发生一次短暂放电，从而产生一个脉冲电流，并通过电子设备记录下来。记录的脉冲电流的次数，就是进入探测器的带电粒子数目。计数器不能分辨射线的种类，只能测出进入探测器射线粒子的数量。

二、放射性元素的衰变

铀、镭、钋都是放射性元素，但并不代表只有这三种元素具有放射性。实验告诉我们，原子序数大于83的天然存在的元素都具有放射性，它们的原子核都不稳定，会自发地放出射线变为另一种元素的原子核。原子序数小于83的天然存在的元素，也有一些具有放射性。

某种元素的原子核，放出一个α粒子或β粒子后，就变成了新的原子核。我们把原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化叫做原子核的衰变（disinte－grate）。

在原子核物理中，又怎样来表示各种元素的原子核以及它们的转变呢？通常把基元电荷取作电荷的单位，用来表示原子核的电荷数；把原子量为12的碳原子质量的1/12取作为一个原子质量单位（用符号u表示，1u＝1．660565×10^－27千克），并用原子质量单位表示各种原子核的质量（由于都非常接近于整数，习惯上常用整数表示）。

假设X为某一元素的符号，在其左上角标以原子核的质量数（A），左下角标以原子核的电荷数（Z），那么就是元素X的原子核的符号。比如就是氧核的符号是铀核的符号是氦核的符号。用来表示电子（即β粒子）的符号。

因为电子的质量比原子核的质量小得多，一个原子核放出一个β粒子，它的质量几乎不变，所以在衰变过程中可以认为电子的质量数为零，电荷数是－1。

原子核自发地放出α粒子的衰变叫做α衰变。例如 U（铀核）发生α衰变转变成（钍核）发生α衰变转变为（氡核）。上述α衰变可用下面的方程来表示：

述β衰变可用下面的方程表示：

从上面的α衰变和β衰变的方程可以看出，在衰变前，原子核的质量数和电荷数与衰变后生成的新核及放出的粒子的质量数与电荷数是守恒的。

放射性元素的原子核在发生α衰变或β衰变生成新原子核时，常常同时会辐射出γ光子，所以γ光子是伴随着α粒子或β粒子产生的。

例如在放射α离子的同时也伴随γ光子的辐射；⁶⁰Co在放射β粒子的同时也伴随γ光子的辐射。当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随γ辐射，这时在放射线中就会有α、β、γ三种射线。

放射性元素经过一次α衰变或一次β衰变后生成新元素，它在元素周期表中的位置的移动有着特殊的规律。

衰变是不稳定的原子核自发转变为另一种原子核的过程，对同一种放射性元素的大量原子核来说，它们的衰变不可能同时发生，而是有先有后。但是对任何放射性元素，它原来的原子核数将随时间的增长变得越来越少。

为了研究放射性不同放射性元素的原子核减少一半所需时间是不相同的，我们用半衰期（half－life）来表示放射性元素衰变的快慢。半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。

每一种放射性元素都有一定的半衰期，各种放射性元素的半衰期差别很大。例如镭226变为氡222的半衰期是1620年，而铀238变为钍234的半衰期长达4．5×10⁹年，跟地球的年龄相当。有的放射性元素的半衰期则很短，例如钍234变为镤234的半衰期是1．2分，而钋212变为铅208的半衰期竟短到3×10^－7秒。

各种放射性元素的半衰期是由这种元素的原子核内部本身的因素决定的，也就是说半衰期是不因原子所处的物理状态或化学状态的不同而发生变化。