放射性元素

不论是东方还是西方，都有一大批人在追求“点石成金”之术，他们妄想把一些普通的矿石变成黄金。当然，这些炼金术之士的希望都破灭了，因为他们不知道一种物质变成另一种物质的根本在于原子核的变化。不过，类似于“点石成金”的事情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“衰变”。

原子核放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中^[1]  的位置就变了，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。这个新核就是钍-234核。这种衰变叫做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。

大量观察表明，原子核衰变时电荷数和质量数守恒。在α粒子中，新核的质量数于原来的新核的质量数有什么关系?相对于原来的核在周期表中的位置，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)。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为零、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增加1。其衰变方程为:²³⁴₉₀Th→²³⁴₉₁Pa+⁰_-1e。放出β粒子的衰变叫做β衰变。β衰变的实质在于核内的中子数(¹₀n)转化为了一个质子和一个电子。其转化方程为¹₀n→11H+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。2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，因此在一定的条件下他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，往往蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时就会伴随着γ辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。

放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如，氡-222经过α衰变为钋-218，如果隔一段时间测量一次氡的数量级就会发现，每过3.8天就有一半的氡发生衰变。也就是说，经过第一个3.8天，剩下一半的氡，经过第二个3.8天，剩有1/4的氡;再经过3.8天，剩有1/8的氡(图19.2-3)......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，叫做这种元素的半衰期。不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，氡-222衰变为钋-218的时间为3.8天，镭-226衰变为氡-222的时间为1620年，铀-238衰变为钍-234的半衰期竟长达45亿年。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“单个的微观世界是不可预测的”，即对于一个特定的氡原子，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。一个特定的氡核可能在下1s就衰变，也可能在10min内发生衰变，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做出统计预测。例如，对于大量氡核，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。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核外部条件都没有关系。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、温度与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。