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穩定的原子核自發地放出射線,(如α射線β射線γ射線等)而衰變形成穩定的元素而停止放射(衰變產物),這種現象稱為放射性。衰變時放出的能量稱為衰變能量原子序數83)或以上的元素都具有放射性,但某些原子序數小於83的元素(如)也具有放射性[1]。而有趣的是,從原子序84開始一直到元素有以下特性:原子序是偶數的,半衰期都比相鄰的長。這是由於原子序數為偶數的元素的原子核含有適當數量的質子中子,能夠形成有利的配置結構。〈即魔數

對單一原子來說,放射性衰變依照量子力學隨機過程,無法預測特定一個原子是否會衰變[2]。不過原子衰變的概率不會隨着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變。衰變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。在一些衰變中,父放射核素和子體核素是不同的化學元素,因此衰變後產生了新的元素,這稱為核嬗變

最早發現的衰變是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(稱為簇衰變英語Cluster decay)。β衰變是原子核釋放電子(或正子)及反微中子,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,上述的衰變都屬於核嬗變

相反的,也有一些核衰變不會產生新的元素,受激態原子核的能量以伽馬射線的方式釋出,稱為伽馬衰變,或是將激發態原子核將能量轉移至軌道電子上,軌道電子再脫離原子,稱為內部轉換英語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。另外一種核衰變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變時,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。[來源請求]著名的例子像是,但也包括在自然界中,半衰期長的同位素,例如鉀-40。例如15種是半衰期短的同位素,像,是由原始核素英語primordial nuclide衰變後的產物,也有因為宇宙射線英語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堆人工合成,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[編輯]

1907年居里夫婦及他們在巴黎的實驗室

放射性是由法國科學家亨利·貝可勒爾在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射線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「貝可勒爾射線」。

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。像貝可勒爾、歐內斯特·盧瑟福保羅·維拉爾英語Paul Villard皮埃爾·居里瑪麗·居里等人的研究發現這種輻射比X光複雜。盧瑟福是第一個發現其衰變方式都依循着指數形式衰減。盧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變,會使原子變成另一種原子。索迪-法揚斯放射位移定律英語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爾·居里瑪麗·居里的系統化研究也讓他們分離出兩種新元素,分別是,鐳一方面具有放射性,而且化學性質類似,增加了分離的難度,居里夫人也因分離了這二種元素而獲得諾貝爾化學獎[5]

放射性單位[編輯]

放射性和偵測到電離輻射之間的關係

國際單位制(SI制)的放射性活度單位為貝可勒爾(Bq),得名自科學家亨利·貝克勒,1貝可勒爾定義為一秒有一個原子衰變。

較早期放射性活度的單位為居里(Ci),定義為其一克的226放射性活度。現在一居里定義為每杪3.7×1010個原子衰變,因此1 居里 (Ci) = 3.7×1010 Bq。在放射保護的應用上,美國核能管理委員會允許使用居里及國際單位制單位 [6],但歐盟歐洲測量單位指令英語European units of measurement directives要求在公共衛生方面,自1985年12月31日起不能使用居里單位[7]

衰變[編輯]

放射性衰變通常都有一定的周期,並且一般不因物理或化學環境而改變,這也就是放射性可用於確定年代的原因。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,因此會以概率來表示。假設每顆原子衰變的概率大致相同,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慣性參照物靜止,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。

衰變類型[編輯]

放射性原子核能以許多不同的形式進行衰變以使自身達到更穩定的狀態。下表中總結了主要的幾種衰變類型。一個質量數A原子序數Z的原子核在表中描述為(A, Z),「子核」一欄以這種描述方式指出母核衰變後產生的子核與母核的不同。例如,(A − 1,Z + 1)意為「子核質量數比母核少1(少一個核子),而原子序數比母核多1(多一個質子)」。

衰變類型 參與的粒子 子核
伴隨核子發射的衰變類型:
α衰變 原子核中放射出一個阿爾法粒子A = 4,Z = 2)的衰變類型 A − 4,Z − 2)
質子發射 原子核中放射出一個質子p)的衰變類型 A − 1,Z − 1)
中子發射 原子核中放射出一個中子n)的衰變類型 A − 1,Z
雙質子發射 原子核中同時放射出兩個質子的衰變類型 A − 2,Z − 2)
自發裂變 原子核自發地分裂成兩個或多個較小的原子核及其他粒子
簇衰變英語Cluster decay 原子核放射出一簇特定類型的較小的原子核或其他粒子(A1Z1 AA1ZZ1)+ (A1Z1
各種β衰變類型:
β-衰變 原子核中放射出一個電子e
)和一個反電中微子ν
e
)的衰變類型
AZ + 1)
正電子發射β+衰變 原子核中放射出一個正電子e+
)和一個電中微子ν
e
)的衰變類型
AZ − 1)
電子捕獲 原子核吸收一個軌道電子並放射出一個中微子的衰變類型(衰變後的原子核以不穩定激發態的形式存在) (AZ − 1)
雙β衰變 原子核放射出兩個電子和兩個反中微子的衰變類型 AZ + 2)
雙電子俘獲英語Double electron capture 原子核吸收兩個軌道電子並放射出兩個中微子的衰變類型(衰變後的原子核以不穩定激發態的形式存在) (AZ − 2)
伴隨正電子發射電子俘獲 原子核吸收一個軌道電子,再放射出一個正電子及兩個中微子的衰變類型 AZ − 2)
雙正電子發射 原子核中放射出兩個正電子和兩個中微子的衰變類型 (AZ − 2)
同種原子核間的轉換:
同質異構轉換 激發態原子核放射出高能光子γ射線)的衰變類型 AZ
內部轉換英語Internal conversion 激發態原子核將能量轉移至軌道電子上,軌道電子再脫離原子的衰變類型 AZ

天然輻射的來源[編輯]

  • 宇宙射線:初級宇宙射線是宇宙空間射到地球大氣層的高能輻射,主要成分為質子(83~89%)、α粒子(10~15%)、原子序Z≥3的輕核和高能電子(1~2%),這種射線能量可達1020MeV以上。次級宇宙射線是初級射線進入大氣層後與空氣中的原子核相互碰撞,引發一系列其他粒子,這些粒子自身轉變或與周圍物質發生作用;在海平面上觀察的初級射線由介子(約70%)、核子、電子組成。
  • 天然放射性核素:多數在地球起源時就存在於地殼中,經長久的地質年代,母、子體之間達到平衡,建立放射性核素系列,鈾系(238U為母體)、錒系(235U為母體)、釷系(232Th為母體),這些母體有極長的半衰期,系列中含有放射性氣體Rn核素,末端都是穩定的Pb核素。
  • 自然界中單獨存在的核素:約有20種,如存在於人體中的40K,有極長的半衰期,最長者為209Bi,大於2×1018,而40K是最短的;另一個特點是強度極弱。

人工輻射的用途[編輯]

α粒子的穿透力最小,一張紙可擋住。β粒子可由鋁屏蔽。伽瑪射線穿透力強,必須使用實質性的障礙,例如一層非常厚的鉛,但仍然未能完全阻擋[8]

放射性核素的起源[編輯]

地球上放射性的原始核素英語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語radiogenic radionuclide是由這些原始核素衰變而成。宇宙射線核素英語Cosmogenic nuclide也會造成自然界中少量的放射性核素。這些地幔地殼岩石中核素的衰變對地球內部的熱量平衡英語Earth's internal heat budget有顯著的貢獻。

相關的警告標誌[編輯]

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  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. ^ 10 CFR 20.1005. US Nuclear Regulatory Commission. 2009. 
  7. ^ 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]. 
  8. ^ 放射性與輻射
  9. ^ IAEA news release Feb 2007

外部連結[編輯]