放射性

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放射性的標誌。Unicode所收錄的編碼為U+2622(

放射性是指元素從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)而衰变形成穩定的元素而停止放射(衰变产物),這種現象稱為放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量原子序數83)或以上的元素都具有放射性,但某些原子序數小于83的元素(如)也具有放射性[1]。而有趣的是,從原子序93開始一直到元素有以下特性:原子序是偶數的,半衰期都特別長。由於偶數元素的原子核含有適當數量的質子中子,因此形成有利的配置結構。〈即魔數

對單一原子來說,放射性衰变依照量子力學隨機過程,無法預測特定一個原子是否會衰变[2]。不過原子衰变的機率不會隨著原子存在的時間長短而改變。對大量的原子而言,可以用量測衰變常數計算衰變速率及半衰期。其半衰期沒有已知的時間上下限,範圍可以到55個數量級。

有許多種不同的放射性衰变。衰变或是能量的減少都會使有某種原子核的原子(父放射核素)轉變為有另一種原子核的原子,或是其中子或質子的數量不同,稱為子體核素。在一些衰变中,父放射核素和子體核素是不同的化學元素,因此衰变後產生了新的元素,這稱為核嬗变

最早發現的衰变是α衰變β衰變γ衰變。α衰變是原子核放出α粒子(原子核),是最常見釋放核子的衰變,不過原子核偶爾也會釋放質子,或者釋放其他特殊的核子(稱為簇衰变英语Cluster decay)。β衰變是原子核釋放電子(或正子)及微中子,會將質子轉變為中子(或是將中子轉變為質子)[3] 。核子也可能捕獲軌道上的電子,使質子轉變為中子,這為電子捕獲,上述的衰变都屬於核嬗变

相反的,也有一些核衰变不會產生新的元素,受激態原子核的能量以伽馬射線的方式釋出,稱為伽馬衰变,或是將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,稱為內部轉換英语Internal conversion。若是核子中有大量高度受激的中子,有時會以中子發射的方式釋放能量。另外一種核衰变是將原來的原子核變為二個或多個較小的原子核,稱為自發性的核分裂,出現在大量的不穩定核子自發性的衰变時,一般也會釋放伽馬射線、中子或是其他粒子。

地球上有28種化學元素具有放射性,其中有34種放射性同位素是在太陽系形成前就存在的。著名的例子像是,但也包括在自然界中,半衰期長的同位素,例如钾-40。例如15種是半衰期短的同位素,像,是由原始核素英语primordial nuclide衰變後的產物,也有因為宇宙射線英语Cosmogenic nuclide而產生的,像碳-14就是由宇宙射線撞擊氮-14而產生。放射性同位素也可能是因為粒子加速器核反應爐人工合成,其中有650種的半衰期超過一小時,有數千種的半衰期更短。

歷史[编辑]

1907年前居禮夫婦及他們在巴黎的實驗室

放射性是由法國科學家亨利·贝可勒尔在1896年研究磷光材料時發現[4],磷光材料在暴露在日光下後,在黑暗中會發光,他認為X射线碰撞陰極射線管後發出的光和磷光有關。他將照片底片捲在黑色紙張內.上面放置許多不同的磷光材料,一直到用鹽時底片才有影像,即使底片被黑色紙張擋住內.底片仍有黑色的感光圖像。這種輻射被稱為「贝可勒尔射線」。

後來很快就發現上述的感光和磷光無關.因為使用非磷光材料的鈾鹽甚至鈾金屬,也會有一樣的效果。因此推斷有一種不可見的輻射可以穿過黑色紙張,使底片感光而變黑。

一開始大家認為這種輻射類似剛發現的X光。像贝可勒尔、欧内斯特·卢瑟福保羅·維拉爾英语Paul Villard皮埃尔·居里瑪麗·居禮等人的研究發現這種輻射比X光複雜。卢瑟福是第一個發現其衰變方式都依循著指數形式衰減。卢瑟福和他的學生弗雷德里克·索迪最早發現許多的衰變會造成核嬗变,會使原子變成另一種原子。索迪-法揚斯放射位移定律英语radioactive displacement law of Fajans and Soddy可以描述α衰變β衰變的產物。

早期的研究者也發現除了鈾之外,許多其他的化學元素也有放射性同位素皮埃尔·居里瑪麗·居禮的系統化研究也讓他們分離出兩種新元素,分別是,镭一方面具有放射性,而且化學性質類似,增加了分離的難度,居禮夫人也因分離了這二種元素而獲得諾貝爾化學獎[5]。。

衰变[编辑]

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。由於一個原子的衰變是自然地發生,即不能預知何時會發生,因此會以機率來表示。假設每顆原子衰變的機率大致相同,例如半衰期為一小時的原子,一小時後其未衰變的原子會剩下原來的二分之一,兩小時後會是四分之一,三小時後會是八分之一。

原子的某些衰變會產生出另一種元素,並會放出α粒子β粒子中微子,在發生衰變後,該原子也會釋出伽馬射線。衰變後的實物粒子靜止質量的總合會少於衰變前實物粒子靜止質量的總和,根據質能方程,能量可以表現出質量。當物體的能量增加E,其質量則增加E/C²,當物體的能量減少E,其質量也減少E/C²,如果一個原子核衰變後放出實物粒子,假設該原子核在衰變前相對於某一惯性參照物靜止,衰變後的新原子核和所放出的實物粒子相對於該慣性參照物運動,即對於該慣性參照物而言,新原子核和所放出的實物粒子具有動能,當新原子核或所放出的實物粒子與其他粒子發生碰撞,它便會失去能量。因此,衰變前和衰變後質量和能量都是守恆的,粒子的靜止質量則不守恆。如果該原子核放出光子,同樣的,光子也具有質量,但沒有靜止質量。通常衰變所產生的產物多也是帶放射性,因此會有一連串的衰變過程,直至該原子衰變至一穩定的同位素。

發生核衰變的放射性元素有的是在自然界中出現的天然放射性同位素,如碳14,但其衰變只會經過一次β衰變轉為14原子,並不會一連串地發生。也有很多是經過粒子對撞等方法人工製造的元素。

衰变类型[编辑]

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)
质子发射英语Proton emission 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)
电子捕獲 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:
同質異構轉換 激发态原子核放射出高能光子γ射线)的衰变类型 AZ
內部轉換英语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[编辑]

  • 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。

对人体的危害[编辑]

放射性核素可通过呼吸道吸入、消化道摄入、皮肤粘膜侵入等进入人体,在体内蓄积。

αβγ射线照射人体后,可引起肌体细胞分子、电离辐射,使一些组织的大分子结构被破坏,如蛋白质核糖核酸脱氧核糖核酸分子链断裂,造成组织破坏。

人体短期内接受大剂量照射,如核爆炸、核反应堆事故等,将引起急性损伤。

  • 吸收剂量达5戈瑞时,1~2小时内出现恶心、呕吐、腹泻等症状,一周后出现咽炎、体温上升、迅速消瘦等症状,第二周就会死亡,死亡率100%。
  • 吸收剂量为4戈瑞时,数小时后出现呕吐,两周内毛发脱落,体温上升,三周内出现紫斑、咽喉感染,一个月后50%受照射者死亡,存活者半年后才能恢复健康。
  • 吸收剂量为2戈瑞时,经过约一周的潜伏期,出现毛发脱落、厌食等症状。
  • 吸收剂量为1戈瑞时,有20-25%的受照射者,发生呕吐等轻度症状。
  • 0.5戈瑞的剂量可使人体血象发生轻度变化。

人工輻射的用途[编辑]

α粒子的穿透力最小,一张纸可挡住。β粒子可由铝屏蔽。伽瑪射線穿透力強,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[6]

放射性核素的起源[编辑]

地球上放射性的原始核素英语primordial nuclide是在太陽系形成前,超新星核合成時的爆炸殘留物。這些核素是半衰期長的核素,在恆星吸積時留在星雲中直到現在,自然界在岩石中.半衰期短的放射生成核素英语radiogenic radionuclide是由這些原始核素衰變而成。宇宙射線核素英语Cosmogenic nuclide也會造成自然界中少量的放射性核素。這些地幔地壳岩石中核素的衰變對地球內部的熱量平衡英语Earth's internal heat budget有顯著的貢獻。

相關的警告標誌[编辑]

参见[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 魏明通. 核化學. 五南圖書出版股份有限公司. 2005: 191–. ISBN 978-957-11-3632-5. 
  2. ^ Decay and Half Life. [2009-12-14]. 
  3. ^ Konya, Jozsef. Nuclear and Radiochemistry. Elsevier. 2012: 74. ISBN 9780123914873. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ Marie Curie – Scandal and Recovery (1910–1913) Part 2. American Institute of Physics. [7 November 2011]. 
  6. ^ 放射性與輻射
  7. ^ IAEA news release Feb 2007

外部連結[编辑]