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放射性元素|衰变|放射性物质

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放射性元素概念

放射性元素指的是能自发地从不稳定的原子核内部放出射线的元素。所放出的射线如α射线、β射线、γ射线等,同时释放出能量。

放射性元素衰变后,最终形成稳定的元素。

放射性元素的衰变

与放射性元素概念一致的是,能自发从原子核内部放射出射线性质称为放射性,这一放射过程我们叫做放射性衰变,简称衰变。

任何一种具有放射性的元素,都有其衰变的半衰期。

放射性元素

衰变的过程中,原子核会放出α粒子或β粒子,由于核电荷数变了,它在周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。三种典型的衰变介绍如下:

α衰变

原子核自发地放射出α粒子(氦核)的衰变过程称为α衰变;U238的α衰变方程如下:

α衰变方程式

请同学们注意,α衰变释放出来的α粒子是氦核,而并非氦原子。

β衰变

原子核自发地放射出β粒子(高速电子)的衰变过程称为β衰变;一种典型是β衰变方程如下:

β衰变方程式

γ衰变

γ辐射通常伴随其他形式的辐射产生(α射线,β射线)。当一个原子核发生α衰变或者β衰变时,生成的新原子核有时会处于激发态。这时,新原子核会向低能级发生跃迁,同时释放γ射线。

严格来说,上述的α衰变方程与β衰变方程,在尾部都应该加一个γ。

γ射线,x-射线,可见光和紫外线,都是不同形式的电磁辐射,俗称电磁波。唯一的区别是他们的频率不同,对应光子的能量不同。整个电磁波谱中γ光子的能量最高。此部分内容请参考《波尔能级模型》与《光电效应》。

三种放射线特点分析

α射线、β射线、γ射线的电离能力和穿透物质的能力不同。具体如图所示。

不同放射线的性质探索

α射线的电离能力最强、穿透能力最弱,一张纸就可以全部把它挡住。

γ射线的电离能力最弱、穿透力最强,需要适当厚度的混凝土或铅板才能有效地阻挡。

β射线的电离能力和穿透能力介于α射线和γ射线之间,它能穿透普通的纸张,但无法穿透铝板。

γ射线穿透力强,其防护的方法主要有以下三种:(a)尽可能减少受照射的时间;(b)增大与辐射源间的距离,因为受照剂量与离开源的距离的平方成反比;(c)采取屏蔽措施.在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽物吗,可以降低外照射剂量。屏蔽的主要材料有铅、钢筋混凝土、水等。

放射性物质

含有放射性元素(如钋、氡、钫、镭、锕、钍、镤和铀等)的矿物叫做放射性矿物,俗称放射性物质。放射性物质在生产中具有广阔的应用。

天然放射性元素的应用范围从早期的医学和钟表工业扩大到核动力工业和航天工业等多种领域。主要用途有:

(1)核燃料,除铀235外,铀238在反应堆中经中子辐照生成的钚239、钍232在反应堆中转化成的铀233,都可用作核燃料。

(2)中子源,钋210-铍中子源、 镭226-铍中子源和钚239-铍中子源都有重要用途。

(3)辐照治疗癌症,镭或氡封于管中制成镭管或氡管可用于治疗癌症。

此外,钍可制成特殊焊条、超真空系统的吸气剂、结构金属中的添加剂;氧化钍可用作某些有机化学反应的催化剂和高温陶瓷材料,与钨混合可制成灯丝。

 

半衰期

前文已经提到了,任何一种放射性元素,都有其独特的、固定的衰变半衰期,简称半衰期

半衰期的定义:放射性元素大量的原子核中有半数发生衰变所需要的时间。

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。

半衰期的两种典型误解

对半衰期的理解:大家要搞清半衰期的上述分析,避免如下错误认识,也就正确地理解了半衰期的真正含义。

第一种对半衰期错误认识是:N0(大量)个放射性元素的核,经过一个半衰期T,衰变了一半,再经过一个半衰期T,全部衰变完。(应该剩余1/4)

第二种对半衰期错误认识是:若有4个放射性元素的核,经过一个半衰期T,将衰变2个。事实上,N0(大量)个某种放射性元素的核,经过一个半衰期后后剩下的这种核的个数为N0/2;而对于少量的核(比如10个),是无法确定其衰变半数所需要的时间的。

这就是为什么在半衰期定义的分析中,王尚把大量用红色强调出来。这实质上就是“半衰期反映了核衰变过程的大量统计的快慢进展程度”的含义。

衰变与原子能级变化

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。此部分内容请参考《波尔能级模型》。

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。

致癌的放射性元素

致癌的放射性元素,其放出的各种放射性物质会打断细胞中的DNA,当DNA重组时就有可能发生细胞变异,产生癌细胞。

目前普遍认为的致癌射线有:X射线、放射性核素、氡及日光中的紫外线等。需要注意的是,适当的紫外线照射人体是没有问题的,大量长期照射,会有致癌的可能性。

放射性元素检测

放射性物质标志

针对存放放射性物质的场所都会有警示牌,黄色的,三角形里有一个三叶风扇的图案(如上图所示),表示有电离辐射。判断一个物体是否具有放射性,一般是直接用仪器探测的。不同的放射性种类有不同的探测器。这已经超出了高中物理的教学内容,在此不再详细介绍。

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