【连载】再访广岛【14】

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。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。