核物理科普系列二

1896年法国科学家贝克勒尔发现天然放射性射线,成为人类第一次观察到核变化的情况,通常人们把这一重大发现看成是原子核物理的开端,到20世纪50年代就逐步形成了研究物质结构的三个分支学科,即原子物理、原子核物理和粒子物理。三者各有独立的研究领域和对象,但又紧密关联。

核素(nuclide):在其核内具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子;

已经发现的天然存在的和人工生产的核素约有2000个,其中天然存在的核素约有332个,其余皆为人工制造的;

天然存在的核素可分为两大类:一类是稳定的核素,自然存在的稳定核素约为270个;另一类是不稳定的核素(放射性原子核);

在无外界影响下,原子核自发地发生转变的现象称为原子核的衰变,核衰变有多种形式如α衰变β衰变γ衰变还有自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程;

α射线:高速运动的He核组成,电离作用强,穿透本领低。β射线:高速运动的电子流,电离作用弱,穿透本领较强。γ射线:波长很短的电磁波,穿透能力最强,电离作用最弱。

一放射性衰变的基本规律

衰变是一个统计的过程,不能预测某个原子核在某个时刻将发生衰变;大量的全同的放射性原子核会先后发生衰变,总的效果是随着时间的流逝,放射源中的原子核数目按一定的规律减少。

1、单一放射性的指数衰减规律

指数衰减规律不仅适用于单一放射性衰变,如α衰变β衰变γ衰变(或跃迁)而且对于同时存在分支衰变的衰变过程,其也是适用的;

对各种不同的核素它们衰变的快慢又各不相同,这反映在它们的衰变常数λ(T1/2,τ)各不相同,所以衰变常数又反映了它们的个性;

对于单个原子核的衰变只能说它具有一定的衰变概率,而不能确切地确定它何时发生衰变;

放射性衰变是由原子核内部运动规律所决定的,用加压、加热、加电磁场、机械运行等物理或化学手段不能改变指数衰减规律,也不能改变其衰变常数。

2、衰变常数、半衰期和平均寿命

-dN(t)/N(t)表示一个原子核的衰变概率,λ是单位时间内一个原子核发生衰变的概率,其单位为时间的倒数;

衰变常数表征放射性核素衰变的快慢,λ越大衰变越快,反之衰变越慢;

如果一种核素同时有几种衰变模式,则这核素的总衰变常数是各个分支衰变常数之和即λ=∑λi;

于是可以定义分支比Ri为Ri=λi/λ;

放射性核素的半衰期:放射性核素衰变一半所需要的时间;ln2/λ≈0.693/λ;

平均寿命:是指所有原子核寿命的平均值;其比半衰期长一点,是半衰期的1.44倍;放射性核素经过时间τ以后剩下的核素数目约为原来的37%。

3、放射性的活度和单位

一个放射源的强弱不仅取决于放射性原子核的数量的多少,还与这种核素的衰变常数有关;

放射源的强弱用单位时间内发生衰变的原子核数来衡量;

一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度,通常用A表示;

A(t)=A0e-λt;这里A0=λN0是放射源的初始放射性活度;

单位:1Ci=3.7E10/s=3.7E10Bq;

放射性活度仅仅是指单位时间内原子核衰变的数目,而不是指在衰变过程中放射出的粒子数目;有些原子核在发生一次衰变时可能放出多个粒子。

比放射性活度或比活度:单位位质量放射源的放射性活度即a=A/m

衡量一个放射源或放射性榈的放射性的强弱的物理量,除放射性活度外,还常用“衰变率”这一概念;

放射性活度和衰变率具有相同的物理意义和相同的单位,是同一物理量的两种表述。前者多用于给出放射源或放射性样品的放射性活度,而后者常作为描述衰变过程的物理量。

二、放射系

目前还能存在于地球上的放射性核素都中只能维系在三个处于长期平衡的放射系中。这些放射系的第一个核素的半衰期都很长,和地球的年龄(46亿年)相近或比它更长,如钍系的Th(232,90),半衰期为1.41E10,铀系的U(238,92)半衰期为4.47E9,锕-铀系的U(235,92)其半衰期为7.04E8。

这三个放射系的核素主要是通过αβγ衰变而衰变,经过一系列这些衰变后直到稳定核素为止。

通过αβγ衰变而形成的放射系,其中各个核素之间质量数只能差4的整数倍。

1、钍系(4n系)

从Th(232,90)开始经过连续10次衰变最后到达稳定核素Pb(208,82)

2、铀系(4n+2系)

从U(238,92)开始经14次衰变而到达稳定核素Pb(206,82)

3、锕-铀系(4n+3系)

从U(235,92)开始经过11次衰变到达稳定核素Pb(207,82)

在天然存在的放射系中缺少4n+1系,后来人工方法才发现了这一放射系,以其中半衰期最长的Np(237,93)(半衰期为2.14E6a)命名,称为镎系(4n+1系)。

三放射规律的一些应用

1、确定放射源的活度

2、确定放射性活度和制备时间

反应堆内生产某个核素:照射时间为t0时,靶物质中生成的放射性核素N(t)=P(1-e-λt0)/λ

上式表明生成的放射性核素呈指数增长,要达到饱和值必须经过相当长的时间;

要得到放射性活度为J0的99%的放射源需要半衰期的六七倍时间;

如果再延长时间也只不是增加其中的1%而已。