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【连载】再访广岛【14】

(2022-11-20 08:27:25) 下一个

再访广岛

 

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

 

第二章  第三节

 

 

2.3 放射性

 

    化学反应性是由电子壳层决定的,而放射性则是原子核特有的性质。自然界里存在的原子核大多数都是稳定的,但也有一些是不稳定的,这些不稳定的原子核会在某个时间点发生衰变。原子核的稳定性取决于原子核内中子与质子的比例,同时还取决于原子核的总体规模,即它的质子和中子数的总和。

    我们已经谈过了氢的三种同位素(见2.1节)。氕和氘都是稳定的;而氚是不稳定的,因为它有过多的中子,所以它通过放射电子(e−)进行衰变:

 

 

    负电子的放射是通过把一个中子变为质子来保持平衡的,这个质子产生正电荷,从而解决了中子过剩的问题;所形成的原子核现在属于一个不同的元素(氦He),并且因此而稳定了。(脚注3)

    在衰变中从原子核中弹射出来的电子具有相当大的能量,这种能量在途中由于与原子和分子冲撞而被消耗掉。在这些冲撞过程中,转移的能量引起那些原子和分子的多余电子被弹射出来,就会把被冲撞的原子和分子变为离子,而且还能破坏分子的化学键。沿放射路径形成的离子很容易被检测到。这种现象被称为“电离辐射”,产生这种放射的核素被称为放射性核素。

 

2.3.1 放射性半衰期和放射性活度

 

    单个原子核衰变的准确时间是不可预测的,但它在一定时期发生衰变的可能性是能够预测的。这是讨论的同位素的一个固有的特性。衰变按照这样的模式进展——一个个体的衰变以一定的速率转换是与它本身的丰度成正比例的——可以用一个指数函数表达:

    在这个方程式里,No是时间为0时(t=0)的原子数量,Nt是经过一段时间(t)后剩余的原子数量。在讨论中,寿命(T)是把一个给定原子数量(No)的核素减少到残留量(No/e)所需要的时间。而实际上,我们可以用核素的半衰期(t1/2)的概念,即No减少到一半所需要的时间。(脚注4)就氚来讲,它的半衰期是12.3年。

    方程式2.2表明,一个核素剩余的数量Nt是时间的指数函数。Nt的第一导数是核素的活性(At):

 

    放射活性以1/秒为单位计量,在本书中(脚注5)称作贝可勒尔(Bq):1Bq= 1/秒(

    在公式2.3中所涉及的这种关系,在关于氢的三个核素的示意图2.2中加以了说明,都是在t=0时相同数量(No)的表现。因为寿命是作为指数前项的分母出现的,所以该核素的寿命最短——或者说半衰期最短。我们举例说,半衰期是一天——显示出每单位量核素的最高活性,或者说特有的活性。然而20天后——即20个连续的半衰期——它的活性就降到了初始值的百万分之一左右。尽管如此,该核素经过最长的半衰期(100天)后,仍然在可以观察的水平上存在,甚至在200天之后也是如此。

 

图2.2 具有不同半衰期的三种假设核素的活性时间曲线。

A图和B图:Activity(relative):活性(相对的);Days after detonation:起爆后的天数;nuclide A (half-life 1 day):核素A(半衰期1天);nuclide B (half-life 10 days):核素B(半衰期10天);nuclide C (half-life 100 days):核素C(半衰期100天)。

 

在时间0点,核素A-C的量是相同的,但半衰期最短的核素A的活性最高。然而,三个星期后,A几乎消失了;200天后,只有核素C依然在可以观察到的水平上存在。A图和B图描绘了相同的假设衰变,但B图中的半对数格式更好地显示了程度非常不同的活性。

 

    在自然界或人工的核反应中,半衰期的长度比我们所举的例子有非常大的多样性——具体地说,从几分之一秒到上百万年。因此它们各自具有极其不同的活性。有些核素是在核弹爆炸中产生的,它们的半衰期非常短,在这样非常短的时间里,非常高的活性只是“昙花一现”,有时持续时间都没有爆炸本身长;另外一些核素到了很久以后还能检测到,因为它们相当低的特有活性对急剧爆发的辐射剂量无关紧要。

 

2.3.2 放射性衰变的类型

 

    从观察到的氚的衰变形式——一个中子转变为质子,一个电子从原子核里弹射出来——是非常普遍的,这对于铀和钚的裂变产物尤其重要(见后面的章节)。它被称为β-衰变,更确切地说是负β-衰变,因为被弹射出的电子带的是负电荷。

     有些进行β-衰变的核素同时也可能发射出一个中子,这种情况比较罕见,发生在破裂的原子核之中,是核裂变的结果。缓发中子是核弹所释放的中子辐射的组成部分。

    许多情况是,一个正在衰变的原子核在衰变的过程中不能消耗所有的可用能量 , 剩余的能量就在这个过程中,通常是在不久以后放射出来 ,被称为γ-粒子,是一种光子——与光同属一种性质的粒子,但具有更高的能量(而且波长相对的短)。γ-粒子或叫γ-射线还可以由原子核产生,原子核需要消耗掉来自其他过程的多余的能量,包括α-衰变、核裂变,或中子的非弹性碰撞(见下文)。

    当 氚的原子核和大多数核裂变产生的原子核含有太多的质子,为保持稳定性而进行负β-衰变时,相反的过程也会发生。中子过多的不稳定同位素有可能通过“反向的”β-  衰变即电子俘获去实现稳定。  在这种情况中,该核素从原子壳层获得一个电子,它的一个质子因此转变为一个中子。这个原子核可能会通过γ-辐射再次释放多余的能量。碘的同位素碘125(125I)就是一个例子,它会衰变成碲(Te)的一种同位素:(脚注6)                                                                                      

    在α-衰变中发射的粒子比β-衰变中的粒子既大又重——它含有两个质子和两个中子,因此与稳定的氦的同位素4He的原子核完全相同。非常重(脚注7)的元素的α-衰变特别重要,例如镭、钍、铀以及质子数超过铀的原子序数的人工生成元素。这些“超铀元素”中,尤其是钚,是由铀的同位素铀238在核反应堆里通过中子俘获和随即发生的两次β-衰变而产生的。(见下文)α-衰变也可能伴有γ-辐射的释放。

 

2.3.3 衰变链

 

    放射性衰变的产物本身可能也是不稳定的,于是依次进行衰变,连续的衰变就会形成一个链条,这个链条会持续许多代。自然界里一个重要的衰变链条始于,终于铅(

),铅是稳定的。核子的总量减少了32,相当于8个α-粒子。8次α-衰变使质子减少16,而实质上差距只是10,这就是说肯定有6个中子通过β-衰变转变为质子。因此α-衰变和β-衰变总共衰变了14次。

    铀238的半衰期是44.7亿年,比所有中位的核素的半衰期都长许多。这里有一个有趣的结果:活性,即每个单位时间衰变的数量,在不受干扰的情况下,天然铀矿石样品中所有链状分子的数量,实际上将是相等的。要弄清楚为什么,就假定从一个纯铀238样品开始。当铀以非常低的、几乎是不变的活性进行衰变时,它的妹妹核素(234Th,钍234,钍的一个同位素)就会逐渐增加;钍的半衰期只有24天,因此将迅速衰变;它只能使增加它的衰变速率达到它的形成速率,这个速率当然是与铀238的活性相同的。同样的原理也适用于所有其他的中等程度的衰变,包括铀的同位素铀234;铀234形成于钍下游的两次β-衰变。因此,在天然的铀中,尽管铀234不够丰富,铀238与铀234的活性应该是相同的。(脚注8)当我们分析研究广岛炸弹的尘埃时,将用得着这个关系。(见3.1节)

 

【脚注】

 

3,这个反应释放一个反中微子(写作),一种不带电荷、质量非常小的亚原子粒子。它会带走衰变过程中释放的大部分能量,但它在生物辐射效应方面是无关紧要的。

 

4,在这两个时间参数之间存在一种简单的关系:=ln2T=0.693T 。此外,T的倒数被定义为速率常数K。因此我们可以写作 。

 

5,在波频率中,同样的基本单位(1/秒)被称为赫兹(Hertz, Hz)。

 

6,由碘125发出的γ-射线使用非常方便。它很软弱,用少量的铅就能屏蔽;但它又很强硬,不会被不均匀的样品所围困。而且这种同位素的寿命(59天)能够在灵敏度和样品的稳定性之间保持很好的平衡。碘125很容易与感兴趣的蛋白质或药物分子偶联,因此它作为示踪剂被广泛应用于生化实验中。

 

7,“重”这个词在本文中指的是单个原子核的质量,而不是一个固体材料的密度。当然二者是相关的——具有重原子核的元素也就具有高密度。

 

8,同一种元素的同位素在溶解度等方面会略有差异,这就导致它们的丰度不同。因此,对于这样的样品,同一种元素中属于同一衰变链的两种同位素可能在活性方面依然略有差异。铀238和铀234也属于这种情况。

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