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放射性元素|衰變|放射性物質

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放射性元素概念

放射性元素指的是能自發地從不穩定的原子核內部放出射線的元素。所放出的射線如α射線、β射線、γ射線等,同時釋放出能量。

放射性元素衰變后,最終形成穩定的元素。

放射性元素的衰變

與放射性元素概念一致的是,能自發從原子核內部放射出射線性質稱為放射性,這一放射過程我們叫做放射性衰變,簡稱衰變。

任何一種具有放射性的元素,都有其衰變的半衰期。

放射性元素

衰變的過程中,原子核會放出α粒子或β粒子,由于核電荷數變了,它在周期表中的位置就變了,變成另一種原子核。三種典型的衰變介紹如下:

α衰變

原子核自發地放射出α粒子(氦核)的衰變過程稱為α衰變;U238的α衰變方程如下:

α衰變方程式

請同學們注意,α衰變釋放出來的α粒子是氦核,而并非氦原子。

β衰變

原子核自發地放射出β粒子(高速電子)的衰變過程稱為β衰變;一種典型是β衰變方程如下:

β衰變方程式

γ衰變

γ輻射通常伴隨其他形式的輻射產生(α射線,β射線)。當一個原子核發生α衰變或者β衰變時,生成的新原子核有時會處于激發態。這時,新原子核會向低能級發生躍遷,同時釋放γ射線。

嚴格來說,上述的α衰變方程與β衰變方程,在尾部都應該加一個γ。

γ射線,x-射線,可見光和紫外線,都是不同形式的電磁輻射,俗稱電磁波。唯一的區別是他們的頻率不同,對應光子的能量不同。整個電磁波譜中γ光子的能量最高。此部分內容請參考《波爾能級模型》與《光電效應》。

三種放射線特點分析

α射線、β射線、γ射線的電離能力和穿透物質的能力不同。具體如圖所示。

不同放射線的性質探索

(1)α射線的電離能力最強、穿透能力最弱,一張紙就可以全部把它擋住。

(2)γ射線的電離能力最弱、穿透力最強,需要適當厚度的混凝土或鉛板才能有效地阻擋。

(3)β射線的電離能力和穿透能力介于α射線和γ射線之間,它能穿透普通的紙張,但無法穿透鋁板。

(4)γ射線穿透力強,其防護的方法主要有以下三種:(a)盡可能減少受照射的時間;(b)增大與輻射源間的距離,因為受照劑量與離開源的距離的平方成反比;(c)采取屏蔽措施.在人與輻射源之間加一層足夠厚的屏蔽物嗎,可以降低外照射劑量。屏蔽的主要材料有鉛、鋼筋混凝土、水等。

放射性物質

含有放射性元素(如釙、氡、鈁、鐳、錒、釷、鏷和鈾等)的礦物叫做放射性礦物,俗稱放射性物質。放射性物質在生產中具有廣闊的應用。

天然放射性元素的應用范圍從早期的醫學和鐘表工業擴大到核動力工業和航天工業等多種領域。主要用途有:

(1)核燃料,除鈾235外,鈾238在反應堆中經中子輻照生成的钚239、釷232在反應堆中轉化成的鈾233,都可用作核燃料。

(2)中子源,釙210-鈹中子源、 鐳226-鈹中子源和钚239-鈹中子源都有重要用途。

(3)輻照治療癌癥,鐳或氡封于管中制成鐳管或氡管可用于治療癌癥。

此外,釷可制成特殊焊條、超真空系統的吸氣劑、結構金屬中的添加劑;氧化釷可用作某些有機化學反應的催化劑和高溫陶瓷材料,與鎢混合可制成燈絲。 

半衰期

前文已經提到了,任何一種放射性元素,都有其獨特的、固定的衰變半衰期,簡稱半衰期

半衰期圖像

半衰期的定義:放射性元素大量的原子核中有半數發生衰變所需要的時間。

不同的放射性元素,半衰期不同,甚至差別非常大。例如,氡-222衰變為釙-218的時間為3.8天,鐳-226衰變為氡-222的時間為1620年,鈾-238衰變為釷-234的半衰期竟長達45億年。

衰變是微觀世界里原子核的行為,而微觀世界規律的特征之一在于“單個的微觀世界是不可預測的”,即對于一個特定的氡原子,我們只知道它發生衰變的概率,而不知道它將何時發生衰變。

半衰期的兩種典型誤解

對半衰期的理解:大家要搞清半衰期的上述分析,避免如下錯誤認識,也就正確地理解了半衰期的真正含義。

第一種對半衰期錯誤認識是:N0(大量)個放射性元素的核,經過一個半衰期T,衰變了一半,再經過一個半衰期T,全部衰變完。(應該剩余1/4)

第二種對半衰期錯誤認識是:若有4個放射性元素的核,經過一個半衰期T,將衰變2個。事實上,N0(大量)個某種放射性元素的核,經過一個半衰期后后剩下的這種核的個數為N0/2;而對于少量的核(比如10個),是無法確定其衰變半數所需要的時間的。

這就是為什么在半衰期定義的分析中,王尚把大量用紅色強調出來。這實質上就是“半衰期反映了核衰變過程的大量統計的快慢進展程度”的含義。

衰變與原子能級變化

原子核的能量也跟原子的能量一樣,其變化是不連續的,也只能取一系列不連續的數值,因此也存在著能級,同樣是能級越低越穩定。此部分內容請參考《波爾能級模型》。

放射性的原子核在發生α衰變、β衰變時,往往蘊藏在核內的能量會釋放出來,使產生的新核處于高能級,這時它要向低能級躍遷,能量以γ光子的形式輻射出來。

因此,γ射線經常是伴隨α射線和β射線產生的。當放射性物質連續發生衰變時,原子核中有的發生α衰變,有的發生β衰變,同時就會伴隨著γ輻射。這時,放射性物質發出的射線中就會同時具有α、β和γ三種射線。

致癌的放射性元素

致癌的放射性元素,其放出的各種放射性物質會打斷細胞中的DNA,當DNA重組時就有可能發生細胞變異,產生癌細胞。

目前普遍認為的致癌射線有:X射線、放射性核素、氡及日光中的紫外線等。需要注意的是,適當的紫外線照射人體是沒有問題的,大量長期照射,會有致癌的可能性。

放射性元素檢測

放射性物質標志

針對存放放射性物質的場所都會有警示牌,黃色的,三角形里有一個三葉風扇的圖案(如上圖所示),表示有電離輻射。判斷一個物體是否具有放射性,一般是直接用儀器探測的。不同的放射性種類有不同的探測器。這已經超出了高中物理的教學內容,在此不再詳細介紹。

放射性學習問題與王尚老師答疑

王尚老師物理答疑

學生問題1:王老師您好。一道題中說有100個鈾原子,當其中50個發生衰變的時間就是半衰期,這句話正確嗎?為什么?

王尚老師:這句話是錯誤的,我們所說的半衰期,指的是大量粒子的概率問題,只有針對大量的原子才成立。這個所謂的大量,其數量級是多少呢?我給你個參考:1023也就是化學里面提到的阿伏伽德羅常數的數量級。用化學的語言來說,0.1mol的鈾,其中0.05mol的鈾發生衰變的時間,就是該鈾元素的半衰期。請同學們利用物理自診斷專題43和專題44典型題和我的視頻講解,來更加深入理解這個問題和原子核的其他重要考點。

學生問題2:請問王尚老師,單質狀態存在的C13與化合狀態存在的C13,半衰期是一樣的嗎?

王尚老師:是一樣的。半衰期只由核本身的因素所決定,而與原子所處的物理狀態或化學狀態無關。游離態(單質)或者是化合態,某元素的半衰期都是一樣的,不僅如此,高溫、高壓等外界的條件,也不會對半衰期產生影響。請同學們利用物理自診斷專題43和專題44典型題和我的視頻講解,來更加深入理解這個問題和原子核的其他重要考點。

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