放射性元素的衰变

　　类似于＂点石成金＂的事一直就在自然界中进行着，这就是伴随着天然放射现象发生的原子核＂衰变＂过程。
　　一、原子核的衰变
　　原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变 （decay）。
　　铀238放出一个α粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，成为新核。这个新核就是钍234（图）。
　　这种衰变过程叫作α衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示
　　²³⁸₉₂U ²³⁴₉₀Th ⁴₂He
　　在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量事实表明，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
　　放出α粒子的衰变叫做α衰变.
　　α衰变方程：
　　α粒子的本质： α粒子的本质就是氦核，它由两个质子和中子组成.
　　α衰变的实质 ：在放射性元素的原子核中，两个质子和两个中子结合得比较牢固，会作为一个整体从放射性元素原子核中抛射出来，即为放射性元素发生的α衰变(2¹₁H十2¹₀n ⁴₂He )，α衰变后生成的新元素的原子核，其核电荷数比衰变前少2，在元素周期表中的位置向前移动两位.
　　思考与讨论
　　在衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？
　　²³⁸₉₂U在α衰变时产生的²³⁴₉₀Th也具有放射性，它能放出一个β粒子而变为²³⁴₉₁Pa（镤）（图）。
　　由于电子的质量比核子的质量小得多，因此，我们可以认为电子的质量数为0、电荷数为-1，可以把电子表示为⁰ ₁e。这样，原子核放出一个电子后，因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒，新核的质量数不会改变但其电荷数应当加1。其衰变方程为
　　²³⁴₉₀Th ²³⁴₉₁Pa ⁰ ₁e
　　放出β粒子的衰变叫作β衰变。
　　β衰变方程：
　　β粒子的本质： β粒子就是电子.
　　β衰变的实质： 原子核内的一个中子转化为一个质子，放出一个电子，即n¹₀ ₁¹H+⁰ ₁e.
　　β衰变后生成的新元素，其核电荷数比衰变前增加1，在元素周期表中的位置向后移一位.
　　＂电荷数之和＂指代数和，因为发生β衰变时，电子的电荷数是-1。
　　发生β衰变时，除了产生电子⁰ ₁e外，还产生反电子中微子ve。由于的质量数和电荷数都是0，所以在中学教科书中一般都不写出。
　　思考与讨论
　　在衰变中，质量数、核电荷数有什么变化规律？原子核里没有电子，衰变中的电子来自哪里？
　　进一步的研究发现，β衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子（图），
　　其转化方程是
　　n¹₀ H¹₁+⁰ ₁e
　　这种转化产生的电子发射到核外，就是β 粒子；与此同时，新核少了一个中子，却增加了一个质子。所以，新核质量数不变，而电荷数增加1。
　　事实表明，两个中子和两个质子能十分紧密地结合在一起，因此，在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，于是，放射性元素就发生了α衰变。
　　原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此，也存在着能级，同样是能级越低越稳定 。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。
　　γ辐射
　　γ射线的本质 ：γ射线的本质是高能光子流，不带电，产生γ射线的元素在元素周期表中的位置不变.
　　γ射线的来源 ：伴随着α射线、β射线产生.放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，蕴藏在核内的能量往往会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以光子的形式辐射出来.
　　一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β和γ三种射线。
　　原子核衰变方程的书写
　　（1）书写原子核衰变方程的依据
　　原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，即衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和，衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和.
　　（2）书写原子核衰变方程应注意的问题
　　①中间用单箭头，不用等号.
　　②是质量数守恒，不是质量守恒.
　　③方程及生成物要以实验为基础，不能杜撰.
　　二、半衰期
　　放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如氨222经过α衰变成为钋218。如图，
　　横坐标表示时间，纵坐标表示任意时刻氨的质量m与t 0时的质量m的比值。如果隔一段时间测量一次剩余氨的数量就会发现，每过3.8d就有一半的氡发生了衰变。也就是说，经过第一个3.8d，剩有一半的氡；经过第二个3.8d，剩有1/4的氡；再经过3.8d，剩有的1/8的氡……因此，我们可以用＂半衰期＂来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期 （half life）。
　　不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，氨222衰变为钋218的半衰期是3.8d，镭226衰变为氡222的半衰期是1620年，轴238衰变为针234的半衰期竟长达4.5 10⁹年。
　　对于一个特定的氨原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。一个特定的氨核可能在下1s就衰变，也可能在10min之内衰变，也可能在200万年之后再衰变。然而，量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。例如，对于大量氨核，可以准确地预言在1s后、10min后，或200万年后，各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。
　　衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于＂单个微观事件不可以预测＂。
　　放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。 例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
　　半衰期公式：
　　式中N₀、m₀表示衰变前放射性元素的原子数和质量，N、m表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期.
　　半衰期是放射性元素稳定性的标志，不同元素的半衰期不同，半衰期越长，元素越稳定，寿命越长；反之，元素越不稳定，寿命越短.
　　（3）半意期是一个统计规律
　　半衰期是大量原子核变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核是没有意义的、对于一个特定的原于核，无法确定其何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生变的概率，即某时刻良变的可能性、因此，半期只适用于大量的原子核.
　　例题：关于半衰期，以下说法正确的是（D）
　　A.同种放射性元素在化合物中的半衰期比在单质中长
　　B.升高温度可以使半衰期缩短
　　C.氡的半衰期为3.8天，若有4个氨原子核，经过7.6天就只剩下1个
　　D.氨的半衰期为3.8天，若有4克氨原子核，经过7.6天就只剩下1克
　　例题：为测定水库的存水量，将一瓶放射性溶液倒入水库中，已知这杯溶液每分钟衰变8 10⁷次，这种同位素半衰期为2天，10天以后从水库取出1m³的水，并测得每分钟衰变10次，求水库的存水量为多少？