放射性衰变

放射性元素（确切地说应为放射性核素）能够自发地从原子核内部放出粒子或射线，同时释放出能量，这种现象叫做放射性，这一过程叫做放射性衰变。某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到，只能用专门的仪器才能探测到的射线。

放射性衰变一般是三种，第一种是α衰变，它是某种元素的一个原子核通过放射出一个α粒子，而变成另外一种元素的原子核的衰变．第二种放射性衰变是β衰变，它的特点是原子核的原子序数改变而质量数不变．它主要分为三种类型：β+衰变、β+衰变和轨道电子俘获．第三种放射性衰变γ衰变往往是伴随着α衰变或β衰变而产生的．原子核经过α衰变或β衰变后一般处在激发态，这时就会发生γ衰变，使原子核跃迁到基态，同时放出一个高能光子。

这些放射出的粒子总的来说都会对人体有一定损害。

原子核自发地放射出各种射线(包括α、β、γ射性)的现象称为放射性。

放射性同位素原子核自发地放射出某种射线的过程或通过轨道电子俘获而转变成为另一种原子核的过程，称为放射性衰变。放射性衰变是原子核内部物质运动固有的一种特性，是自发进行的，不受外界任何自然因素的影响。

某些放射性同位素的原子核(母核)经过一次衰变便转变为稳定的核素(子核)，这种衰变称为单衰变。另外一些放射性同位素原子核衰变形成的核素仍具有放射性，需要经过多级衰变过程之后才转为稳定同位素，这样的衰变称为多级衰变或连续衰变。

无论哪一种放射性核素，在衰变过程中其原子核数都服从一个放射性衰变原理而随时间不断地衰减，即单位时间内衰变的原子核数目与任意时刻t存在的该原子核数目成正比，或者说放射性核素在t时刻的衰减速率与该核素在t时刻的原子核数目呈正比例关系，可以用下列放射性衰减速率方程表示:

地下水科学专论

式中:Nt为核素在t时刻的原子核数λ为该核素的衰减常数，等号右端的负号表示衰减速率随时间而减小。

式(3.17)的解为

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如果t=0时，Nt=N0，则有

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式中:N0为核素在t=0的初始时刻的原子核数。式(3.19)为描述放射性衰变基本定律的数学公式，表示任何一种放射性同位素的衰变过程都是呈负指数函数减少，可以用图3.14表示。

衰减常数λ的物理含义为在单位时间内原子核的衰变几率，即λ=－(dNt/Nt)/dt。对于某一特定的放射性核素，λ是一个常数，反映原子核的衰变速度，λ值越大，原子核衰变越快，λ的单位是时间的倒数，即1/t。

另一个表征放射性原子核衰变速度的物理量是半衰期。半衰期(T1/2)是指放射性原子核的数目衰减到原有数目的一半时所需要的时间。

当t=T1/2时，Nt=N0/2，由式(3.19)得到T1/2与λ之间的关系:

图3.14 放射性母核衰减和稳定子核增长曲线示意图(据Faure，1986)

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对于某一特定的放射性核素，T1/2是一个常数。T1/2与λ成反比，T1/2越大，λ越小，表明放射性核素的寿命越长。一般认为，当一种放射性核素的衰变时间达到10T1/2时，就可以认为其原子核数目接近零。表3.3列出了部分放射性同位素的半衰期和衰减常数值。

表3.3 部分放射性同位素的半衰期和衰减常数

(据Cook等，2000)

运用式(3.19)的困难之处在于不易确定N0。在单衰变中，放射性母核直接衰变为稳定子核，有可能测得在此过程中某时刻t时的母核和子核数。设t=0时母核的数目为N0，此时子核数为0，到达t时刻时，母核数为Nt=N0e－λt，而子核数Dt应等于母核衰减的数目:

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式(3.22)或式(3.23)为描述单衰变过程稳定子核数目随时间呈指数函数增长的公式，如图3.14所示。

实际上，地质体在形成时就已含有一定数目的子核，设其为D0，则子核总数为D=D0+Dt，将式(3.23)代入，得

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图3.15表示放射性母核衰变成稳定子核过程中，子核数与母核数的比值Dt/Nt随时间的变化关系(所用数据与图3.14相同)。显然，比值Dt/Nt随时间而增加。

图3.15 单衰变过程比值Dt/Nt增长曲线示意图(据Faure，1986)

放射性核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种，分别放出α射线、β射线和γ射线。

α衰变

放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核的电荷数比母核减少2，质量数比母核减少4。α粒子的特点是电离能力强，射程短，穿透能力较弱。

β衰变

β衰变又分β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。

(1) β-衰变

放射出β-粒子（高速电子）的衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素常发生β-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。

(2) β+衰变

放射出β+粒子（正电子）的衰变。一般地，中子相对缺乏的放射性核素常发生β+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。

(3) 轨道电子俘获

原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1，质量数不变的另一种原子核。由于K层最靠近核，所以K俘获最易发生。在K俘获发生时，必有外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识X射线。这一能量也可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作“俄歇电子”。

γ衰变和内变换

(1) γ衰变

处于激发态的核，通过放射出γ射线而跃迁到基态或较低能态的现象。γ射线的穿透力很强。γ射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。

(2) 内变换

有时处于激发态的核可以不辐射γ射线回到基态或较低能态，而是将能量直接传给一个核外电子（主要是K层电子），使该电子电离出去。这种现象称为内变换，所放出的电子称作内变换电子。

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