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技術文章

放射性

2007/7/24 18:29:00

原子核自發地放射出各種射線的現象，如 α、β、γ放射性等。
　　1896年,法國科學家A.-H.貝可勒爾在研究鈾鹽的熒光現象時，發現含鈾物質能發射出穿透力很強的不可見的射線，使照相底片感光。后來，經過人們的多年研究，終于證明它是三種成分組成的：一種是高速運動的氦原子核粒子束，稱為α 射線。它的電離作用大，貫穿本領小，穿不透一張薄紙。另一種是高速運動的電子束，稱為β射線。它的電離作用較小，貫穿本領較大，但仍穿不透一張薄金屬片。第三種是波長很短的電磁波，稱為γ射線。它的電離作用最小，貫穿本領最大，可以穿過例如1厘米厚的鉛板。
　　放射性射線的性質、發射機制以及各種科技上的應用，一直是原子核物理學研究的一個重要的方面。
　　放射性的類型 　 放射性有天然放射性和人工放射性之分。天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性。它們大多屬于由重元素組成的三個放射系（即釷系、鈾系和錒系）。人工放射性是指用核反應的辦法所獲得的放射性。人工放射性最早是在1934年由法國科學家約里奧-居里夫婦發現的（見人工放射性核素）。
　　現在知道，許多天然和人工生產的核素都能自發地放射出射線。放出的射線類型除 α、β、γ以外，還有正電子、質子、中子、中微子等其他粒子。能自發地放射出射線的核素，稱為放射性核素（以前常稱為放射性同位素），也叫不穩定核素。實驗表明，溫度、壓力、磁場都不能顯著地影響射線的發射。這是由于溫度等只能引起核外電子狀態的變化，而放射現象是由原子核內部變化引起的，同核外電子狀態的改變關系很小。除自發裂變外，放射現象一般與衰變過程有關，主要同α衰變、β衰變過程有關。
　　α 放射性出現在α衰變過程中。此時，衰變后的剩余核（通常叫子核）與衰變前的原子核(通常叫母核)相比，原子序數減少2，質量數減少4。α衰變是母核通過強相互作用和隧道效應，發射α 粒子而發生的。
　　β放射性出現在β衰變過程中。β衰變有三種類型：① β+衰變,放出正電子和中微子的β衰變；② β-衰變，放出電子和反中微子的β衰變；③ 軌道電子俘獲，俘獲一個軌道電子并放出一個中微子的過程。β衰變是通過弱相互作用而發生的。
　　γ放射性通常和α衰變或β衰變有聯系。α 和β衰變的子核往往處于激發態。處于激發態的原子核要放出γ射線而向較低激發態或基態躍遷，這叫γ躍遷。因此，γ射線的自發放射一般是伴隨α 或β射線產生的。
　　β衰變所形成的子核,當其激發能足夠高時,有可能放射中子、質子或α 粒子，甚至可以產生裂變。這些衰變類型分別叫做β緩發中子發射(β-n)、β緩發質子發射(β-p)、β緩發α 發射(β-α)和β緩發裂變(β-f)。
　　自發裂變是放射現象的另一種類型（見核裂變）。某些重核可以自發地分裂成兩個質量相差不多的原子核，并放出幾個中子。
　　質子放射性也是放射性的一種。例如處于激發態的能自發地放射出質子，其衰變方式如下：

這是迄今人們惟一知道的不屬于緩發質子的質子放射性的例子。
　　衰變規律 　放射性原子核的衰變是一個統計過程，所以放射性原子的數目在衰變時是按指數規律隨時間的增加而減少的，稱為指數衰減規律

。

其中No是衰變時間t＝0時的放射性核的數目，N是t時刻的放射性核的數目，λ是衰變常數,表示放射性物質隨時間衰減快慢的程度。對確定核態的放射性核素，λ 是常數，它也表示單位時間該種原子核的衰變幾率。
　　放射性活度 　處于某一特定能態的放射性核在單位時間的衰變數－dN/dt，記作A。由指數衰減規律可以看到，A＝-dN/dt＝λN。
　　放射性活度的國際單位是貝可勒爾(Bq)，它定義為每秒一次衰變，與以往放射性活度的常用單位居里(Ci)的關系是
　　　　　　　　1Ci＝3.7×1010Bq。
放射性源的放射性活度同其質量之比，稱為比活度。
　　測量放射性活度的方法取決于射線的類型、活度的等級等，通常分為絕對測量和相對測量兩大類。絕對測量是用測量裝置直接按照定義進行的測量。在實際應用中放射源大多是β或α 放射性，活度多數是微居里級的，這類放射性活度的絕對測量方法主要有小立體角法、4π計數法和符合法等三種。相對測量是用一個已知活度的標準源與待測樣品在相同條件下進行測量，根據它們計數率的比值和標準源的活度即可算出待測源的活度。
　　半衰期 　處于某一特定能態的放射性原子核的數目或活度衰減到原來大小的一半所需的時間，通常用符號T┩表示。
　　平均壽命指處于某一特定能態的放射性原子核平均生存的時間。
　　利用指數衰減規律,容易得到半衰期T┩同衰變常數λ或平均壽命τ的關系如下

　　各種放射性核素的半衰期在極大的范圍變化，一般說來，核素偏離β穩定線越遠(見遠離β穩定線的核素)，它的半衰期越短。對于不同范圍的半衰期采取不同方法測量。
　　對半衰期在10-9秒到秒范圍的核素,采用直接測量N(t)的方法，利用指數衰減規律求出T┩。對半衰期在數分鐘到1～2年的核素，采用衰減跟蹤法，測量探測器計數率隨時間的變化,求出T┩。對半衰期在10年以上的核素，采用放射性比度法。此外還有測定子核法等，這些方法都基于放射性的指數衰減規律。對于極短的半衰期（小于10-9秒）的測量,需要采用一些特殊的技術（見核能級壽命測量）。
　　放射性的研究是十分重要的�；诜派湫缘难芯克⒌乃プ兙V圖是原子核結構理論研究的重要依據之一。通過各種核態的衰變特性的測量可研究各種核性質和核反應機制。大量遠離β穩定線的核素就是根據它們的衰變特性進行鑒定和研究的。
　　放射性在許多學科的研究中，在工農醫和軍事等部門都有重要應用。例如，在工業中的β射線測厚度和γ射線探傷，農業中的輻照育種和射線刺激生物生長，以及醫學中的射線診斷和放射治療等方面都是富有成效的（見放射性同位素在農業上的應用、核醫學）。放射性測量的同位素示蹤方法和活化分析方法在核技術的應用中也占有重要位置。
　　參考書目
　盧希庭主編：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。
　P.Marmier and E.Sheldon,Physics of Nuclei and particles, Academic Press, New York and London, 1969.
　E. Segrè, Nuclei and particles,2nd ed., W. A.Benjamin,Reading, Mass., 1977.
　Yuan,Luke Chai-Liu and Wu Chien-Shiung,Nuclear Physics,Part A. Academic Press, New York, 1961.
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