放射性衰变
不稳定核素的原子核能自发地放出某种射线而变成另一种核素的原子核,这种现象称为放射性衰变或核衰变。具有不稳定原子核的核素,称为放射性核素。
11.2.1 放射性衰变的类型
放射性衰变主要有α衰变、β衰变、γ跃迁三种类型。此外,重原子核还要产生自发裂变。
11.2.1.1 α衰变
α衰变是核内放出α粒子,即氦核()的过程。母核(用 X表示)经衰变后,转化成质量数减少4,原子序数减少2的子核(用Y表示)。即
勘查技术工程学
同一种放射性核素发生α衰变时放出的α粒子能量是一定的。但是,有的核素衰变时只放出单一能量的α粒子,有的核素衰变时则放出几种不同能量的α粒子,后者可伴随放出γ光子。例如,226 Ra经α衰变放出4.785MeV和4.602MeV两种能量的α粒子,并分别形成处于基态和激发态的氡核。处于激发态的氡核很快跃迁到基态,并放出能量为0.183 MeV的γ光子(图11-2)。
11.2.1.2 β衰变
图11-2 镭的α衰变纲图
β衰变是核内放出β粒子或俘获一个轨道电子的过程。β粒子是电子和正电子的统称。β衰变有β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。
β-衰变是核内放出电子(0)和反中微子)的过程。母核经衰变后转化成原子序数(增加1的子核。即
勘查技术工程学
β+衰变是核内放出正电子()及中微子(ν)的过程。母核经β+衰变后转化成原子序数减少1的子核,即
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上述式中的中微子和反中微子是一对质量几乎为零,速度接近光速的中性粒子。它们的差别仅在于自旋方向不同以及与物质作用的性质不同。
原子核中质子过剩时,核还可能捕获一个轨道电子并放出中微子,这就是轨道电子俘获。通常原子核俘获离核最近的k层电子的几率最大,所以这一过程又称为k俘获。
轨道电子俘获本身并不发射β射线。母核经轨道电子俘获后产生原子序数减少1的子核,即
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原子核俘获了一个轨道电子后,在核外的电子壳层上就出现一个空位。这时能量较高的电子就会跃迁到这个空位上来,多余的能量以特征X射线(一种低能电磁辐射)的形式放出。在某些情况下,较外层(如l层)的电子向k层跃迁时,多余的能量直接给同一层的某个电子,使之摆脱原子的束缚,成为自由电子。这个自由电子又称为俄歇电子。
图11-3 40K的衰变纲图
天然放射性核素的β衰变主要是β-衰变和轨道电子俘获。例如40K的核有88%经β-衰变成为40Ca,有12%的核经轨道电子俘获转化成40Ar,并放出能量为1.46 MeV的γ光子。图11-3为40K的衰变图。
11.2.1.3 γ跃迁
放射性核素经过α衰变或β衰变后,形成的子核往往处于激发态,处于这种状态的子核是不稳定的,当它向较低级的激发态或基态跃迁时,其多余的能量将以三种形式释放。
1)放出特征γ射线。γ射线是从原子核内发出的一种波长极短(10-13~10-8 m)的电磁辐射,其能量取决于跃迁前后核的两能级间的能量差。另一方面,γ射线又是速度等于光速的γ光子流。γ光子的静止质量为零,因此γ跃迁前后母核与子核的质量数和电荷数相等,改变的只是能量状态。γ跃迁实质上是能量不同的同种原子核发生的跃迁现象。一般情况下,原子核处于激发态的时间极短(约10-13 s),它们很快就跃迁到较低能态或基态,并放出γ光子,因而不能形成独立的核素(图11-2,图11-3)。有的原子核处于激发态的时间较长,其寿命可用仪器测出,这种寿命可测量的激发态称为同质异能态。处于同质异能态的核素可以作为一种独立的核素看待。我们将质量数A和原子序数Z相同而寿命不同的一类核素称为同质异能素。同质异能素之间的跃迁则称为同质异能跃迁。例如镤的同位素234Pa和234Pam就是一对同质异能素,其中234Pam的核处于同质异能态。0.15%的234Pam经同质异能跃迁放出γ光子而转变成234Pa(图11-4)。
2)发射内转换电子。原子核从激发态向较低能态或基态跃迁时,还可以不通过发射γ光子而直接把核的激发能量转交给核外k、l层或其他壳层的电子,并使之发射出来,这种现象称为内转换。内转换过程放出的电子称为内转换电子。其能量近似等于衰变能(跃迁前后原子核的能量差)与电子结合能之差。例如198Au经β-衰变后变成198Hg,汞处于激发态,其能量为411.8keV,其中一部分将发射内转换电子。同质异能迁跃也可以放出内转换电子,例如60Com到60Co的同质异能跃迁(用IT表示)放出的电子就是内转换电子(图11-5)。
图11-4 234Pa衰变纲图
图11-5 60Co衰变纲图
内转换电子发射以后,原子中发射该电子的壳层就出现一个空位。当较外层电子向这个空位跃迁时,如同β衰变中的轨道电子俘获一样,其多余的能量将以发射特征X射线或俄歇电子的形式释放。
3)发射电子对。当激发核的能量大于二倍电子静止能量(mec2),激发核会将其能量转换为电子-正电子对,这一过程称为内电子对效应。
11.2.1.4 自发裂变
自发裂变是指重原子核自发地分裂成两个或几个子核(又称碎片),并放出能量的现象。原子核自发裂变的速度很慢。238U约需1016a、203Th约需1.5×1017a、232Th约需1022a才有一半的核产生自发裂变。
11.2.2 放射性衰变的基本规律
11.2.2.1 放射性衰变的基本规律
核衰变是原子核的自发转变过程,这个过程仅取决于它的内部特性,而与外部条件(温度、压力、电磁场)及核素本身所处的化学状态基本上没有关系。实验表明,对原子核数目足够多的放射性核素而言,在t至t+dt时间,原子核的衰变数量dN与时间间隔dt及t时刻该核素的原子核数目N成正比,即
或
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式中比例系数λ称为衰变常数,单位为s-1,其数值随放射性核素的种类而异。负号表示原子核的数目N随时间的延长而减少。
令t=0时的原子核数目为N0,对(11.2-5)式积分,则有
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上式表明,在核衰变中,放射性核素的原子核数目随时间呈指数规律减少,这就是放射性衰变的基本规律。按照统计观点,某种核素的衰变常数就是该核素中每个原子核单位时间内衰变的几率。λ值愈大,该核素衰变得愈快。
11.2.2.2 半衰期
通常还用一种称为半衰期的量来表示核衰变的快慢。半衰期T1/2是指一定种类处于特定能态的放射性核素,其现有原子核数目衰减一半所需要的时间。将N=N0/2,t=T1/2代入(11.2-6)式,可导出半衰期与衰变常数的关系式
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从理论上讲,对于一定量的放射性核素,需要无限长的时间才能衰变完。实际上,当残留的原子核数仅为起始原子核数的千分之一时,就可以认为该核素全部衰变完了。将N=N0/1000代入(11.2-6)式,可导出衰变所需要的时间
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上式说明,一种核素经过10倍半衰期的时间,就可以认为它已经衰变完了。例如,钍射气(220 Rn)的半衰期为55.6 s,大约经过10min就可认为它衰变完了。铀-238的半衰期为4.47×109a,需要经过45亿年才能认为它衰变完了。可见,所谓“无限长时间”只是一个相对的概念。
11.2.2.3 平均寿命
实际工作中还用平均寿命τ来表示放射性核素的衰变速度。平均寿命是指某核素的原子核衰变前的平均生存时间。
设在t到t+dt时间间隔内有-dN个核发生衰变,它们已经生存了t时间,故由(11.2-5)式和(11.2-6)式,它们生存时间的总和为
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由于核的衰变需要无限长时间才能结束,故 N 0 个原子核的总寿命为。按照平均寿命的定义,有
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可见,平均寿命是衰变常数的倒数。平均寿命与半衰期的关系为
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11.2.3 放射性衰变的统计分布
11.2.3.1 放射性衰变的统计涨落
放射性衰变的基本规律可以通过精确的实验证明,但前提条件必须是原子核数目无限多。一般情况下,即使所有条件都稳定不变,重复测量中每次测得的结果也不会完全相同,甚至会出现很大差别。可见,同一放射性样品在相同时间间隔内,其衰变计数并不完全相同,而是围绕着一个平均值上、下起伏,这种现象称为放射性衰变的统计涨落。
放射性衰变之所以出现统计涨落,是因为对任何放射性样品来说,其中每个核的衰变,都是由其自身特性决定且孤立进行的,与其他核是否衰变无关。此外,哪一个核先衰变,哪一个核后衰变,纯属偶然事件。因此,无论仪器制得如何精密,实验做得如何准确,测量过程中核衰变的涨落都是不可避免的。
11.2.3.2 放射性衰变的统计分布
放射性衰变统计涨落的规律可以用泊松分布来描述。设若干相等时间间隔内核衰变计数的平均值为,则某时间间隔内的计数N(N=0,1,2,…)出现的概率P(N)为
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根据泊松分布的性质,核衰变计数的方差等于其平均值,即
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或均方误差
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式中 m 为相等时间间隔的数目,即测量次数。σ反映了放射性衰变涨落的大小,-N 则反映了放射性衰变的集中趋势。
当计数较大(≥20)时,放射性衰变的统计分布规律则要用正态分布表示,即
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由于N出现在期望值附近的概率较大,故均方误差
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可以证明,若进行重复测量,数据出现在范围内的概率为68.27%。
统计涨落使观测数据出现的差异,称为统计误差,它是核测量的主要误差来源。若用相对均方误差ε来表示测量的精度。则有
图11-6 天然放射性系列
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可见,计数N越大,相对误差ε越小。也就是说,提高测量精度的途径是要有足够的计数。当计数率(单位时间的计数值)一定时,可采用延长测量时间的办法来增大计数,从而提高测量精度。
α衰变和β衰变的方程式是什么?
1、α衰变:原子核放出α粒子的衰变叫做α衰变。AZX→A−4Z−2Y+42He α衰变通式(放出一个α粒子的情况)2、β衰变:原子核放出β粒子的衰变叫做β衰变。AZX→AZ+1Y+0−1e β衰变通式(放出一个β粒子的情况)β衰变中产生的电子是由原子核中的一个中子转化成一个质子和...
放射性核衰变有哪几种形式
放射性核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种,分别放出α射线、β射线和γ射线。α衰变 放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核的电荷数比母核减少2,质量数比母核减少4。α粒子的特点是电离能力强,射程短,穿透能力较弱。β衰变 β衰变又分β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。(1...
衰变是怎样形成的?
a衰变和b衰变的本质是两种放射性衰变过程,它们都是原子核内部自发地发生反应,释放出能量和放射性粒子。a衰变,也称为阿尔法衰变,是指原子核分裂出两个氦原子核(He)和两个中子,同时释放出巨大的能量。这个过程是因为原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦原子核,同时释放出两个中子,导致原...
为什么衰变后带正电?
衰变后带正电的现象通常出现在放射性衰变中,特别是在β衰变中。β衰变是一种放射性衰变过程,其中一个中子转变为一个质子,同时发射出一个电子(β粒子)和一个反中微子。在这个过程中,原子核的电荷数增加了1,因为质子带有正电荷,而电子带有负电荷并且被发射出去。因此,衰变后的原子核带有更多的...
α衰变和β衰变方程式是什么?
1、α衰变:原子核放出α粒子的衰变叫做α衰变。AZX→A−4Z−2Y+42He α衰变通式(放出一个α粒子的情况)2、β衰变:原子核放出β粒子的衰变叫做β衰变。AZX→AZ+1Y+0−1e β衰变通式(放出一个β粒子的情况)β衰变中产生的电子是由原子核中的一个中子转化成一个质子和...
放射性的衰变规律
放射性原子核的衰变是一个统计过程,所以放射性原子的数目在衰变时是按指数规律随时间的增加而减少的,称为指数衰减规律 。其中No是衰变时间t=0时的放射性核的数目,N是t时刻的放射性核的数目,λ是衰变常数,表示放射性物质随时间衰减快慢的程度。对确定核态的放射性核素,λ是常数,它也表示单位时间...
放射性的意思
按原子核是否稳定,可把核素分为稳定性核素和放射性核素两类。一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象,称作放射性衰变。能发生放射性衰变的核素,称为放射性核素(或称放射性同位素)。在已发现的100多种元素中,约有2600多种核素。其中稳定性核素仅有280多种,属于81种...
什么是放射性?
放射性核素 某些元素的原子通过核衰变自发地放出α或β射线(有时还放出γ射线)的性质,称为放射性。按原子核是否稳定,可把核素分为稳定性核素和放射性核素两类。一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象,称作放射性衰变。能发生放射性衰变的核素,称为放射性核素(或称...
放射性核素的衰变积累规律
(二)放射性衰变的特征常数 用来描写核素随时间而衰减的特征常数有三个,它们是衰变常数、半衰期和平均寿命。1.衰变常数λ 原子核的衰变是随机的,每一个原子核在哪一时刻发生哪一种核衰变是不能预知的。把单位时间内一个核发生衰变的几率定义为衰变常数,用符号λ表示,即 放射性勘探方法 其量纲为时...
放射性核素衰变满足什么衰变规律
指放射性核素的原子数或活度随时间而改变的规律(见放射性、核素)。1903年E.卢瑟福和F.索迪提出的放射性衰变理论首先揭示了放射性物质的不稳定性,并且在研究钍 X(224Ra)的放射性衰变率时提出了定量的负指数关系式。它的现代表示方式是:(1)积分得:(2)式(2)两边同乘以λ,则得到活度的相应关...
边钱新妇: 这类问题要领有两个:质量数(左下标)守恒(左右相等)和电荷数(左上标)守恒. γ粒子是光子,电荷数、质量数都是零,不能用上述方法确定,中学题目除非告诉你额外条件否则不会让你判断.还有中微子也是这样的粒子,但中学里不要...
浦城县17549515068: 放射性衰变的介绍 - ?
边钱新妇: 放射性衰变,不稳定原子核自发地放射出射线而转变为另一种原子核的过程.
浦城县17549515068: 放射性元素衰变 - ?
边钱新妇:[答案] 原子核放出α粒子或β粒子,由于核电荷数变了,变成另一种原子核.我们把这种变化称之为原子核的衰变.铀238放出一个α粒子后,核的质量数减少4,电荷数减少2,称为新核.这个新核就是镀234核.叫做α衰变.
浦城县17549515068: 放射性衰变是怎样的? ?
边钱新妇: 半衰期是放射性同位素衰变的一个主要特征常数,它不随外界条件、元素状态或质量变化而变,放射性同位素的半衰期的长短差别很大,短的仅千万分之一秒,长的可达数百亿年,半衰期愈短的同位素,放射性愈强
浦城县17549515068: 放射性衰变 - 放射性物质是什么物质?为什么有放射性物质?它是什么物质?它为什么 ?
边钱新妇: 一个不稳定的原子核自发衰变为另一个原子核,同时放出射线,这种现象称为放射性衰变.放射性核衰变类型有多种,天然放射性元素核衰变的主要类型为α衰变,β—衰变...
浦城县17549515068: 放射性衰变是指(). - 上学吧找答案?
边钱新妇: 大多数放射性同位素是按一种母体只转变成另一种子体的方式发生衰变
浦城县17549515068: 什么叫B衰变B衰变是什么 ?
边钱新妇: 1、β衰变是一种放射性衰变.在此过程中,一个原子核释放一个β粒子(电子或者正电子),分为β+衰变(释放正电子)和β-衰变(释放电子).2、 β-衰变中,弱相互作用把一个中子转变成一个质子,一个电子和一个反电子中微子.其实质是一个下夸克通过释放一个W-玻色子转变成一个上夸克.
浦城县17549515068: 求化学还是物理大神帮我解释一下放射性衰变是什么?不要太专业,形象一点,易懂一点. - ?
边钱新妇: 放射性衰变就是物质的原子核向外发射粒子,同时自身原子核变成其他原子的原子核.因为自身的原子核不稳定.衰变过程会越来越慢.