為了紀念居裏(Curie)夫婦對放射性研究做出的傑出貢獻,便以他的名字居裏作為放射性強度的單位。若某一放射源每秒鍾能產生3.7×1010次原子核衰變,它的放射性強度就規定為1個居裏(Ci)。這個單位太大,有時使用起來太不方便;小一些的單位還有毫居裏(mCi)(1毫居裏=3.7×107次/秒)、微居裏(μCi)(1微居裏=3.7×104次/秒)。國際單位製中,放射性強度的單位使用貝克勒爾(Becguerel),通常簡稱為貝克(Bg),一個放射源每秒鍾產生一次原子核衰變,就是一個貝克(Bg)。顯見,1居裏(Ci)=3.7×1010貝克(Bg)。放射性強度單位對於測量一個放射源的放射性強弱有著重要的意義。
衰變鏈
某一種具有放射性的核素A,衰變以後,變成了一個新的、但仍具有放射性的核素B;核素B繼續衰變,又產生了一個具有放射性的核素C……這樣持續下去,直到衰變為一個穩定的核素而終止,形成了一個衰變係列,即A→B→C→…→穩定核素,比如鉛(Pb)。相鄰的兩個核素稱為母核和子核,如A為母核,B就是子核。連續衰變中產生的核素構成一個“大家族”,這樣形成的放射性係列又稱為放射係。
目前自然界中存在有4個放射係或稱衰變鏈。其中3個屬於天然放射性係列,1個屬於人工產生的放射性係列。這4個放射係有許多共同的特征,參看圖5-7、5-8、5-9、5-10。
(1)每個放射係都起源於一個半衰期很長的重核素,稱為始祖。
它們分別是鈾-238(23892U)、釷-232(23290Th)、鈈-241(24194Pu)。
(2)各放射係的母核經過α衰變或β衰變以後形成了子核。
(3)各放射係經過一係列的衰變後,形成一個非常穩定的核素,它們分別是鉛-206(20682Pb)、鉛-207(20782Pb)、鉛-208(20882Pb)、鉍-209(20983Bi)。
(4)各放射係核素的質量數A分別滿足下列關係式:
A=4n+2,4n+3,4n+4,4n+1
n取正整數。
為了便於比較這4個放射係的基本情況,有關內容列表如下:
人工放射係的各個核素都是通過人工方法製造出來的。這個放射係的始祖元素是鈈,它的半衰期隻有14年。而其中的鎿元素(23793Np)半衰期最長,為2.14×106年,於是就以這個元素的名字命名這個放射係,稱為鎿係。人類生活的地球,至今已存在了46億年。因此,鎿係中除了穩定的核素鉍外,其餘的各放射性核素在地球上早已不存在了。由於近代工業的發展,科學技術的進步,通過人工的方法才發現了這一重要的放射係。最早是1935年由居裏夫婦等人發現的,全部收集的數據直到1947年才公布於世。
典型的衰變方式
放射性核素進行衰變時主要有3種類型的衰變方式:
(1)α衰變
一個放射性核素放出一個α粒子而變成另一個核素的過程,稱為α衰變,這是1899年發現的一種核現象。在α衰變過程中,衰變以前的母核與衰變以後的子核和α粒子的質量數、電荷數是保持不變的。這種過程的衰變方程式表示為:
AZXA-4Z-2Y+42He(α)
大寫字母X表示母核,A是母核的質量數,Z是母核的電荷數;大寫字母Y表示子核。母核放射出一個α粒子以後,它的質量數減少4,電荷數減少2。因此,生成的子核質量數便為(A-4),電荷數便為(Z-2)。α稱為出射粒子。例如:
22688Ra22286Rn+42He(α)
23292U22890Th+42He(α)
每經過一次α衰變,母核的質量數減少4,電荷數減少2。於是,產生的子核在元素周期表中的位置比母核向左移動了兩個格:母核與子核的這種關係稱為位移定則。掌握這條規律,對於正確書寫衰變方程式,利用元素周期表由母核確定子核,或反過來,由子核推斷母核都是非常重要的。
(2)β-衰變
放射性核素放出一個β-粒子變成另一個核素的過程,稱為β-衰變,這也是1899年觀察到一種核現象。在β-衰變過程中,母核的質量數不變,而電荷數減少1。因此,生成的子核在元素周期表中的位置比母核向右移動1格。β-衰變過程的方程式一般表示為:
AZXAZ+1Y+0-1e(β-)
例如
2712Mg2713Al+o-1e(β-)
21483Bi21484Po+o-1e(β-)
(3)γ衰變
放射性核素經過α衰變或β衰變時,產生的子核往往處於能量很高的狀態,這些狀態稱為激發態。處於激發態的子核是不穩定的,當它由激發態向較低的能量狀態躍遷時也要發射光子。由於原子核內能級的間隔要比原子內能級的間隔大很多,因此,發射出光子的能量非常高,可達到幾萬電子伏,甚至十幾兆電子伏(1兆電子伏等於100萬電子伏),通常稱這種高能量的光子為γ光子或叫做γ射線。原子核發射γ射線時,母核的質量數、電荷數都沒有發生改變。於是,子核與母核在元素周期表中的位置是一樣的,隻是它們的能量不同而已。