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技術(shù)文章

放射性

2007/7/24 18:29:00

原子核自發(fā)地放射出各種射線的現(xiàn)象,如 α、β、γ放射性等。
  1896年,法國科學(xué)家A.-H.貝可勒爾在研究鈾鹽的熒光現(xiàn)象時,發(fā)現(xiàn)含鈾物質(zhì)能發(fā)射出穿透力很強的不可見的射線,使照相底片感光。后來,經(jīng)過人們的多年研究,終于證明它是三種成分組成的:一種是高速運動的氦原子核粒子束,稱為α 射線。它的電離作用大,貫穿本領(lǐng)小,穿不透一張薄紙。另一種是高速運動的電子束,稱為β射線。它的電離作用較小,貫穿本領(lǐng)較大,但仍穿不透一張薄金屬片。第三種是波長很短的電磁波,稱為γ射線。它的電離作用最小,貫穿本領(lǐng)最大,可以穿過例如1厘米厚的鉛板。
  放射性射線的性質(zhì)、發(fā)射機(jī)制以及各種科技上的應(yīng)用,一直是原子核物理學(xué)研究的一個重要的方面。
  放射性的類型  
放射性有天然放射性和人工放射性之分。天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性。它們大多屬于由重元素組成的三個放射系(即釷系、鈾系和錒系)。人工放射性是指用核反應(yīng)的辦法所獲得的放射性。人工放射性最早是在1934年由法國科學(xué)家約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)的(見人工放射性核素)。
  現(xiàn)在知道,許多天然和人工生產(chǎn)的核素都能自發(fā)地放射出射線。放出的射線類型除 α、β、γ以外,還有正電子、質(zhì)子、中子、中微子等其他粒子。能自發(fā)地放射出射線的核素,稱為放射性核素(以前常稱為放射性同位素),也叫不穩(wěn)定核素。實驗表明,溫度、壓力、磁場都不能顯著地影響射線的發(fā)射。這是由于溫度等只能引起核外電子狀態(tài)的變化,而放射現(xiàn)象是由原子核內(nèi)部變化引起的,同核外電子狀態(tài)的改變關(guān)系很小。除自發(fā)裂變外,放射現(xiàn)象一般與衰變過程有關(guān),主要同α衰變、β衰變過程有關(guān)。
  α 放射性出現(xiàn)在α衰變過程中。此時,衰變后的剩余核(通常叫子核)與衰變前的原子核(通常叫母核)相比,原子序數(shù)減少2,質(zhì)量數(shù)減少4。α衰變是母核通過強相互作用和隧道效應(yīng),發(fā)射α 粒子而發(fā)生的。
  β放射性出現(xiàn)在β衰變過程中。β衰變有三種類型:① β+衰變,放出正電子和中微子的β衰變;② β-衰變,放出電子和反中微子的β衰變;③ 軌道電子俘獲,俘獲一個軌道電子并放出一個中微子的過程。β衰變是通過弱相互作用而發(fā)生的。
  γ放射性通常和α衰變或β衰變有聯(lián)系。α 和β衰變的子核往往處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子核要放出γ射線而向較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷,這叫γ躍遷。因此,γ射線的自發(fā)放射一般是伴隨α 或β射線產(chǎn)生的。
  β衰變所形成的子核,當(dāng)其激發(fā)能足夠高時,有可能放射中子、質(zhì)子或α 粒子,甚至可以產(chǎn)生裂變。這些衰變類型分別叫做β緩發(fā)中子發(fā)射(β-n)、β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射(β-p)、β緩發(fā)α 發(fā)射(β-α)和β緩發(fā)裂變(β-f)。
  自發(fā)裂變是放射現(xiàn)象的另一種類型(見核裂變)。
某些重核可以自發(fā)地分裂成兩個質(zhì)量相差不多的原子核,并放出幾個中子。
  質(zhì)子放射性也是放射性的一種。例如處于激發(fā)態(tài)的能自發(fā)地放射出質(zhì)子,其衰變方式如下:

這是迄今人們惟一知道的不屬于緩發(fā)質(zhì)子的質(zhì)子放射性的例子。
  衰變規(guī)律  放射性原子核的衰變是一個統(tǒng)計過程,所以放射性原子的數(shù)目在衰變時是按指數(shù)規(guī)律隨時間的增加而減少的,稱為指數(shù)衰減規(guī)律

其中No是衰變時間t=0時的放射性核的數(shù)目,Nt時刻的放射性核的數(shù)目,λ是衰變常數(shù),表示放射性物質(zhì)隨時間衰減快慢的程度。對確定核態(tài)的放射性核素,λ 是常數(shù),它也表示單位時間該種原子核的衰變幾率。
  放射性活度  處于某一特定能態(tài)的放射性核在單位時間的衰變數(shù)-dN/dt,記作A。由指數(shù)衰減規(guī)律可以看到,A=-dN/dtλN
  放射性活度的國際單位是貝可勒爾(Bq),它定義為每秒一次衰變,與以往放射性活度的常用單位居里(Ci)的關(guān)系是
        1Ci=3.7×1010Bq。
放射性源的放射性活度同其質(zhì)量之比,稱為比活度。
  測量放射性活度的方法取決于射線的類型、活度的等級等,通常分為絕對測量和相對測量兩大類。絕對測量是用測量裝置直接按照定義進(jìn)行的測量。在實際應(yīng)用中放射源大多是β或α 放射性,活度多數(shù)是微居里級的,這類放射性活度的絕對測量方法主要有小立體角法、4π計數(shù)法和符合法等三種。相對測量是用一個已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源與待測樣品在相同條件下進(jìn)行測量,根據(jù)它們計數(shù)率的比值和標(biāo)準(zhǔn)源的活度即可算出待測源的活度。
  半衰期  處于某一特定能態(tài)的放射性原子核的數(shù)目或活度衰減到原來大小的一半所需的時間,通常用符號T表示。
  平均壽命指處于某一特定能態(tài)的放射性原子核平均生存的時間。
  利用指數(shù)衰減規(guī)律,容易得到半衰期T同衰變常數(shù)λ或平均壽命τ的關(guān)系如下

  各種放射性核素的半衰期在極大的范圍變化,一般說來,核素偏離β穩(wěn)定線越遠(yuǎn)(見遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線的核素),它的半衰期越短。對于不同范圍的半衰期采取不同方法測量。
  對半衰期在10-9秒到秒范圍的核素,采用直接測量N(t)的方法,利用指數(shù)衰減規(guī)律求出T。對半衰期在數(shù)分鐘到1~2年的核素,采用衰減跟蹤法,測量探測器計數(shù)率隨時間的變化,求出T。對半衰期在10年以上的核素,采用放射性比度法。此外還有測定子核法等,這些方法都基于放射性的指數(shù)衰減規(guī)律。對于極短的半衰期(小于10-9秒)的測量,需要采用一些特殊的技術(shù)(見核能級壽命測量)。

  放射性的研究是十分重要的;诜派湫缘难芯克⒌乃プ兙V圖是原子核
結(jié)構(gòu)理論研究的重要依據(jù)之一。通過各種核態(tài)的衰變特性的測量可研究各種核性質(zhì)和核反應(yīng)機(jī)制。大量遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線的核素就是根據(jù)它們的衰變特性進(jìn)行鑒定和研究的。
  放射性在許多學(xué)科的研究中,在工農(nóng)醫(yī)和軍事等部門都有重要應(yīng)用。例如,在工業(yè)中的β射線測厚度和γ射線探傷,農(nóng)業(yè)中的輻照育種和射線刺激生物生長,以及醫(yī)學(xué)中的射線診斷和放射治療等方面都是富有成效的(見放射性同位素在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用、核醫(yī)學(xué))。放射性測量的同位素示蹤方法和活化分析方法在核技術(shù)的應(yīng)用中也占有重要位置。

  參考書目
 盧希庭主編:《原子核物理》,原子能出版社,北京,1981。
 P.Marmier and E.Sheldon,Physics of Nuclei and particles, Academic Press, New York and London, 1969.
 E. Segrè, Nuclei and particles,2nd ed., W. A.Benjamin,Reading, Mass., 1977.
 Yuan,Luke Chai-Liu and Wu Chien-Shiung,Nuclear Physics,Part A. Academic Press, New York, 1961.
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