放射性

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放射性的标志。Unicode所收录的编码为U+2622(

放射性辐射性[1]是指某元素放射性同位素从不稳定的原子核自发地放出射线(如α射线β射线γ射线等)而衰变形成另一种同位素衰变产物),这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。每种元素都有着许多种放射性同位素,若某元素的所有同位素都具有放射性,则我们称该元素为放射性元素原子序数83)以上的元素都属于放射性元素,但某些原子序数小于83的元素(如)也属于放射性元素[2]。而有趣的是,从原子序84()开始一直到97()之间的放射性元素有以下特性:原子序是偶数者,其最长寿同位素的半衰期都比相邻的奇数者长。这是由于原子序数为偶数的元素的原子核含有适当数量的质子中子,能够形成有利的配置结构(即魔数)。

对单一原子来说,放射性衰变依照量子力学随机过程,无法预测特定一个原子是否会衰变[3]。不过原子衰变的几率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言,可以用量测衰变常数计算衰变速率及半衰期。其半衰期没有已知的时间上下限,范围可以到55个数量级,短至几乎瞬间,长至宇宙年龄的一兆倍。

放射性衰变有许多种不同的类型。衰变或是能量的减少若使得某种原子的原子核的中子数或质子数发生了改变,转变为有另一种原子核的原子,则称此衰变为核嬗变。若为中子数的改变,则衰变后的产物为同种元素的另一种同位素;若为质子数的改变,则衰变后的产物为另一种不同的化学元素。

最早发现的衰变种类是α衰变β衰变γ衰变。α衰变是原子核放出α粒子(原子核),是最常见释放核子的衰变,不过原子核偶尔也会释放质子,或者释放其他特殊的核子(称为簇衰变英语Cluster decay)。β衰变是原子核释放电子(或正子)及反微中子,会将质子转变为中子(或是将中子转变为质子)[4] 。核子也可能捕获轨道上的电子,使质子转变为中子,这为电子捕获,上述的衰变都属于核嬗变

相反的,也有一些核衰变不会产生新的元素或同位素,受激态原子核的能量以伽马射线的方式释出,称为伽马衰变,或是将激发态原子核将能量转移至轨道电子上,轨道电子再脱离原子,称为内部转换英语Internal conversion。若是核子中有大量高度受激的中子,有时会以中子发射的方式释放能量。另外一种核衰变是原来的原子核分裂为二个或多个较小的原子核,称为自发裂变,在大量的不稳定核子自发性地衰变时,一般也会释放伽马射线、中子或是其他粒子。

地球上有14种左右的化学元素属于放射性元素,但其余非放射性元素也有许多种具放射性的同位素。而在所有自然存在的放射性同位素中,有34种是在太阳系形成前就存在的。[来源请求]著名的例子像是铀-235钍-232,此外还有在自然界中,半衰期较长的同位素,例如钾-40钐-147。另外还有15种是半衰期较短的同位素,像镭-226氡-222,是由原始核素英语primordial nuclide衰变后的产物,也有一些是因为宇宙射线英语Cosmogenic nuclide而产生的,像碳-14就是由宇宙射线撞击氮-14所产生。放射性同位素也可透过粒子加速器核反应堆人工合成,所有人工合成的同位素都具有放射性。在所有元素的放射性同位素中,有650种的半衰期超过一小时,而有数千种的半衰期更短。

历史

居里夫妇及他们在巴黎的实验室

放射性是由法国科学家亨利·贝可勒尔在1896年研究磷光材料时发现[5],磷光材料在暴露在日光下后,在黑暗中会发光,他认为X射线碰撞阴极射线管后发出的光和磷光有关。他将照片底片卷在黑色纸张内.上面放置许多不同的磷光材料,一直到用盐时底片才有影像,即使底片被黑色纸张挡住内.底片仍有黑色的感光图像。这种辐射被称为“贝可勒尔射线”。

后来很快就发现上述的感光和磷光无关.因为使用非磷光材料的铀盐甚至铀金属,也会有一样的效果。因此推断有一种不可见的辐射可以穿过黑色纸张,使底片感光而变黑。

一开始大家认为这种辐射类似刚发现的X光。像贝可勒尔、欧内斯特·卢瑟福保罗·维拉尔皮埃尔·居里玛丽·居里等人的研究发现这种辐射比X光复杂。卢瑟福是第一个发现其衰变方式都依循着指数形式衰减。卢瑟福和他的学生弗雷德里克·索迪最早发现许多的衰变会造成核嬗变,会使原子变成另一种原子。索迪-法扬斯放射位移定律英语radioactive displacement law of Fajans and Soddy可以描述α衰变β衰变的产物。

早期的研究者也发现除了铀之外,许多其他的化学元素也有放射性同位素皮埃尔·居里玛丽·居里的系统化研究也让他们分离出两种新元素,分别是,镭一方面具有放射性,而且化学性质类似,增加了分离的难度,居里夫人也因分离了这二种元素而获得诺贝尔化学奖[6]

放射性单位

放射性和侦测到电离辐射之间的关系

国际单位制(SI制)的放射性活度单位为贝可勒尔(Bq),得名自科学家亨利·贝克勒尔,1贝可勒尔定义为一秒有一个原子衰变。

较早期放射性活度的单位为居里(Ci),定义为其一克的226放射性活度。现在一居里定义为每秒3.7×1010个原子衰变,因此1 居里 (Ci) = 3.7×1010 Bq。在放射保护的应用上,美国核能管理委员会允许使用居里及国际单位制单位 [7],但欧盟欧洲测量单位指令英语European units of measurement directives要求在公共卫生方面,自1985年12月31日起不能使用居里单位[8]

衰变

放射性衰变通常都有一定的周期,并且一般不因物理或化学环境而改变,这也就是放射性可用于确定年代的原因。由于一个原子的衰变是自然地发生,即不能预知何时会发生,因此会以几率来表示。假设每颗原子衰变的几率大致相同,例如半衰期为一小时的原子,一小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分之一,两小时后会是四分之一,三小时后会是八分之一。

原子的某些衰变会产生出另一种元素,并会放出α粒子β粒子中微子,在发生衰变后,该原子也会释出伽马射线。衰变后的实物粒子静止质量的总合会少于衰变前实物粒子静止质量的总和,根据质能方程,能量可以表现出质量。当物体的能量增加E,其质量则增加E/C²,当物体的能量减少E,其质量也减少E/C²,如果一个原子核衰变后放出实物粒子,假设该原子核在衰变前相对于某一惯性参照物静止,衰变后的新原子核和所放出的实物粒子相对于该惯性参照物运动,即对于该惯性参照物而言,新原子核和所放出的实物粒子具有动能,当新原子核或所放出的实物粒子与其他粒子发生碰撞,它便会失去能量。因此,衰变前和衰变后质量和能量都是守恒的,粒子的静止质量则不守恒。如果该原子核放出光子,同样的,光子也具有质量,但没有静止质量。通常衰变所产生的产物多也是带放射性,因此会有一连串的衰变过程,直至该原子衰变至一稳定的同位素。

发生核衰变的放射性元素有的是在自然界中出现的天然放射性同位素,如碳14,但其衰变只会经过一次β衰变转为14原子,并不会一连串地发生。也有很多是经过粒子对撞等方法人工制造的元素。

衰变类型

放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态。下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数A原子序数Z的原子核在表中描述为(A, Z),“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如,(A − 1,Z + 1)意为“子核质量数比母核少1(少一个核子),而原子序数比母核多1(多一个质子)”。

衰变类型 参与的粒子 子核
伴随核子发射的衰变类型:
α衰变 原子核中放射出一个阿尔法粒子A = 4,Z = 2)的衰变类型 A − 4,Z − 2)
质子发射 原子核中放射出一个质子p)的衰变类型 A − 1,Z − 1)
中子发射 原子核中放射出一个中子n)的衰变类型 A − 1,Z
双质子发射 原子核中同时放射出两个质子的衰变类型 A − 2,Z − 2)
自发裂变 原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子
簇衰变英语Cluster decay 原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子(A1Z1 AA1ZZ1)+ (A1Z1
各种β衰变类型:
β-衰变 原子核中放射出一个电子e
)和一个反电中微子ν
e
)的衰变类型
AZ + 1)
正电子发射β+衰变 原子核中放射出一个正电子e+
)和一个电中微子ν
e
)的衰变类型
AZ − 1)
电子捕获 原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在) (AZ − 1)
双β衰变 原子核放射出两个电子和两个反中微子的衰变类型 AZ + 2)
双电子俘获英语Double electron capture 原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在) (AZ − 2)
伴随正电子发射电子俘获 原子核吸收一个轨道电子,再放射出一个正电子及两个中微子的衰变类型 AZ − 2)
双正电子发射 原子核中放射出两个正电子和两个中微子的衰变类型 (AZ − 2)
同种原子核间的转换:
同质异构转换 激发态原子核放射出高能光子γ射线)的衰变类型 AZ
内部转换英语Internal conversion 激发态原子核将能量转移至轨道电子上,轨道电子再脱离原子的衰变类型 AZ

天然辐射的来源

  • 宇宙射线:初级宇宙射线是宇宙空间射到地球大气层的高能辐射,主要成分为质子(83~89%)、α粒子(10~15%)、原子序Z≥3的轻核和高能电子(1~2%),这种射线能量可达1020MeV以上。次级宇宙射线是初级射线进入大气层后与空气中的原子核相互碰撞,引发一系列其他粒子,这些粒子自身转变或与周围物质发生作用;在海平面上观察的初级射线由介子(约70%)、核子、电子组成。
  • 天然放射性核素:多数在地球起源时就存在于地壳中,经长久的地质年代,母、子体之间达到平衡,建立放射性核素系列,铀系(238U为母体)、锕系(235U为母体)、钍系(232Th为母体),这些母体有极长的半衰期,系列中含有放射性气体Rn核素,末端都是稳定的Pb核素。
  • 自然界中单独存在的核素:约有20种,如存在于人体中的40K,有极长的半衰期,最长者为209Bi,大于2×1018,而40K是最短的;另一个特点是强度极弱。
α粒子的穿透力最小,一张纸可挡住。β粒子可由铝屏蔽。伽玛射线穿透力强,必须使用实质性的障碍,例如一层非常厚的铅,但仍然未能完全阻挡[9]

人工辐射的用途

放射性核素的起源

地球上放射性的原始核素英语primordial nuclide是在太阳系形成前,超新星核合成时的爆炸残留物。这些核素是半衰期长的核素,在恒星吸积时留在星云中直到现在,自然界在岩石中.半衰期短的放射生成核素英语radiogenic radionuclide是由这些原始核素衰变而成。宇宙射线核素英语Cosmogenic nuclide也会造成自然界中少量的放射性核素。这些地幔地壳岩石中核素的衰变对地球内部的热量平衡英语Earth's internal heat budget有显著的贡献。

相关的警告标志

参见

参考资料

  1. ^ 蔡嘉一,《辐射安全》,第1页。
  2. ^ 魏明通. 核化学. 五南图书出版股份有限公司. 2005: 191–. ISBN 978-957-11-3632-5. 
  3. ^ Decay and Half Life. [2009-12-14]. 
  4. ^ Konya, Jozsef. Nuclear and Radiochemistry. Elsevier. 2012: 74. ISBN 9780123914873. 
  5. ^ Mould, Richard F. A century of x-rays and radioactivity in medicine : with emphasis on photographic records of the early years Reprint. with minor corr. Bristol: Inst. of Physics Publ. 1995: 12. ISBN 9780750302241. 
  6. ^ Marie Curie – Scandal and Recovery (1910–1913) Part 2. American Institute of Physics. [7 November 2011]. 
  7. ^ 10 CFR 20.1005. US Nuclear Regulatory Commission. 2009. 
  8. ^ The Council of the European Communities. Council Directive 80/181/EEC of 20 December 1979 on the approximation of the laws of the Member States relating to Unit of measurement and on the repeal of Directive 71/354/EEC. 1979-12-21 [2012-05-19]. 
  9. ^ 放射性与辐射
  10. ^ IAEA news release Feb 2007

外部链接