第十九章2放射性元素的衰变

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1、第十九章2放射性元素的衰变在古代，不论是东方还是西方，都有一批人追求“点石成金”之术，他们妄想将一些普通的矿石变成黄金。当然，这些炼金术士的希望都破灭了，因为他们不知道一种物质变成另一种物质的根本在于原子核的变化。不过，类似于“点石成金”的事一直就在自然界中进行着，这就是伴随着天然放射现象发生的“衰变”。原子核的衰变原子核放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变（decay）。铀238核放出一个α粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，成为新核。这个新核就是钍234核。这种衰变

2、过程叫做α衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示23892U→23490Th＋42He图19.2-1α衰变在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量事实表明，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。“电荷数之和”指代数和，因为发生β衰变时，电子的电荷数是-1。思考与讨论在α衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？相对于原来的核在周期表中的位置，新核在周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？23892U在α衰变时产生的23490

3、Th也具有放射性，它能放出一个β粒子而变为23491Pa（镤）。由于电子的质量比核子的质量小得多，因此，我们可以认为电子的质量数为零、电荷数为-1，可以把电子表示为0-1e4/4。这样，原子核放出一个电子后，因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒，新核的质量数不会改变但其电荷数应当加1。其衰变方程为发生β衰变时，除了产生电子0-1e外，还产生反电子中微子e。由于e的质量数和电荷数都是0，所以在中学教科书中一般都不写出。23490Th→23491Pa＋0-1e放出β粒子的衰变叫做β衰变。图19.2-2β衰变思考与讨论在β衰变中，质量数、核电荷数有什么

4、变化规律？原子核里没有电子，β衰变中的电子来自哪里？进一步的研究发现，β衰变的实质在于核内的中子（10n）转化成了一个质子和一个电子。其转化方程是10n→11H＋0-1e这种转化产生的电子发射到核外，就是β粒子；与此同时，新核少了一个中子，却增加了一个质子。所以，新核质量数不变，而电荷数增加1。事实表明，2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，因此在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，于是，放射性元素就发生了α衰变。原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，同样是能级越

5、低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。4/4半衰期放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如，氡222经过α衰变成为钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，每过3.8天就有一半的氡发生了衰变。也就是说，经过第一个3.8天，剩有一半的氡；经过

6、第二个3.8天，剩有的氡；再经过3.8天，剩有的氡（图19.2-3）……因此，我们可以用“半衰期”来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期（halflife）。不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，氡222衰变为钋218的半衰期是3.8天，镭226衰变为氡222的半衰期是1620年，铀238衰变为钍234的半衰期竟长达4.5×109年。衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观事件是不可预测的”，即对于一个特定的氡原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不

7、知道它将何时发生衰变。一个特定的氡核可能在下1s就衰变，也可能在10min之内衰变，也可能在200万年之后再衰变。然而，量子理论可以对大量原子核的行为做出统计预测。例如，对于大量氡核，可以准确地预言在1s后、10min后，或200万年后，各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元

8、素的化合等，都不会影响原子核的结构。科学漫步1996年开始的“夏商周断代工程”，是我国“九五”计划的重要科研项目，经过200多位专家历时5年的合作研究