放射性衰变

作者: Leandro Alegsa 创建日期: 2022年6月18日

放射性衰变发生在一些化学元素上。大多数化学元素是稳定的。化学元素是由原子组成的。在稳定的元素中，原子保持不变。即使在化学反应中，原子本身也不曾改变。

19世纪，亨利-贝克勒尔发现，一些化学元素的原子会发生变化。1898年，玛丽和皮埃尔-居里将这种现象称为放射性衰变。贝克勒尔和居里夫妇因这一发现获得了1903年的诺贝尔物理学奖。

例子

大多数碳原子的原子核内有六个质子和六个中子。这种碳被称为碳-12s（六个质子+六个中子=12）。它的原子量是12。如果一个碳原子有两个以上的中子，它就是碳-14。碳-14的化学行为与其他碳一样，因为六个质子和六个电子是支配其化学性质的因素。事实上，碳-14存在于所有生物中；所有植物和动物都含有碳-14。然而，碳-14是放射性的。它通过β衰变成为氮-14。在自然界中发现的少量碳-14，是无害的。在考古学中，这种碳被用来确定木材和其他以前的生物的年龄。这种方法被称为放射性碳测定。

不同种类的衰变

欧内斯特-卢瑟福发现，这些粒子以不同的方式穿透物质。他发现了两种不同的类型，他称之为α衰变和β衰变。Paul Villard在1900年发现了第三种。卢瑟福在1903年将其称为伽马衰变。

从放射性的碳-14到稳定的氮-14的变化是一种放射性衰变。它发生在原子发出一个α粒子的时候。α粒子是一个电子或正电子离开原子核时的能量脉冲。

其他类型的衰变是后来发现的。衰变的类型彼此不同，因为不同类型的衰变产生不同种类的粒子。开始的放射性核被称为母核，它所变化的核被称为子核。放射性物质产生的高能粒子被称为辐射。

这些不同种类的衰变可以在一个 "衰变链 "中依次发生。一种原子核衰变为另一种原子核，而另一种原子核又衰变为另一种原子核，以此类推，直到成为一种稳定的同位素，链子就结束了。

衰变的速度

这种变化发生的速度，对每个元素来说都是不同的。放射性衰变是由机会决定的。一种物质的一半原子发生变化的平均时间被称为半衰期。速率是由一个指数函数给出的。作为一个例子，碘（¹³¹ I）的半衰期约为8天。钚的半衰期在4小时（²⁴³ Pu）和8000万年（²⁴⁴ Pu）之间。

核转换和能源

放射性衰变将一个原子从其核内能量较高的原子变成能量较低的原子。原子核的能量变化被赋予了所产生的粒子。放射性衰变释放的能量可以由伽马射线电磁辐射（一种光）、β粒子或α粒子带走。在所有这些情况下，原子核的能量变化被带走了。而在所有这些情况下，原子的质子和电子的正负电荷总数在变化之前和之后都是零。

α衰变

在α衰变过程中，原子核释放出一个α粒子。α衰变使原子核失去两个质子和两个中子。α衰变导致原子变成另一种元素，因为原子失去了两个质子（和两个电子）。例如，如果镅经过α衰变，它就会变成镎，因为镎的定义是比镅少两个质子。α衰变通常发生在最重的元素，如铀、钍、钚和镭。

阿尔法粒子甚至不能穿过几厘米的空气。当阿尔法辐射源在人体外时，阿尔法辐射不会伤害人类，因为人体皮肤不会让阿尔法粒子穿过。如果阿尔法辐射源在人体内部，例如，当人们吸入含有通过发射阿尔法粒子（辐射）而衰变的材料的灰尘或气体时，阿尔法辐射会非常有害。

β衰变

β衰变有两种，β-加和β-减。

在β-减数衰变中，原子核放出一个带负电的电子，一个中子变为一个质子。

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}rightarrow p^{+}+e^{-}+{bar {nu }}_{e}}。 $n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ .

其中

n 0 {displaystyle n^{0}} $n^{0}$ 是中子

p + {displaystyle p^{+}} $\ p^{+}$ 是质子

e - {displaystyle e^{-}} $e^{-}$ 是电子

ν¯ e {displaystyle {bar {nu }}_{e}} ${\bar {\nu }}_{e}$ 是反中微子

Beta-minus衰变发生在核反应堆中。

在β-plus衰变中，原子核释放出一个正电子，它就像一个电子，但它带正电，而质子则变成一个中子。

p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle （p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{nu }_{e}}。 $\ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}$ .

其中

p + {displaystyle p^{+}} $\ p^{+}$ 是质子

n 0 {displaystyle n^{0}} $n^{0}$ 是中子

e + {displaystyle e^{+}} $e^{+}$ 是正电子

ν e {displaystyle {nu }_{e}} ${\nu }_{e}$ 是中微子

Beta-plus衰变发生在太阳内部和某些类型的粒子加速器中。

伽马衰变

伽马衰变发生在一个原子核产生一个称为伽马射线的高能能量包。伽马射线不带有电荷，但它们有角动量。伽马射线通常是在其他类型的衰变之后才从原子核中发射出来的。伽马射线可以用来看穿材料，杀死食物中的细菌，发现某些类型的疾病，并治疗某些类型的癌症。伽马射线是所有电磁波中能量最高的，来自太空的伽马射线爆发是已知能量最强的释放。