放射性衰变

放射性衰变一、放射性衰变类型根据原子核中放出的射线的种类，可将放射性衰变分为以下几种类型：1.α衰变α衰变时，放射性母体同位素(X)放出α粒子(实际为氦原子核)而转变为另一个新的子体核素(Y):式中E为衰变时放出的能量.这种衰变方式适用于原子序数等于或大于58的核素，也适用于几个具有低原子序数的核素(如5He,5Li,和6Be).原子序数大于82的核素则以α衰变为主.α粒子由两个质子和两个中子组成.因此，凡经过α衰变后形成的子体，其原子序数比母体减少2，质量数减少4，在元素周期表中子体元素应位于母体元素的左邻第二格.(3·46)2.β衰变放射性母体同位素放出β粒子的过程称β衰变.根据放出的粒子是负电子还是正电子，β衰变可分为β－衰变和β+衰变.在β衰变中，子体核素与母体核素的质量数相同，仅原子序数相差1：对于β－衰变，子体的原子序数比母体的增加1；对于β+衰变，子体的原子序数比母体的减少1.因此，经β－衰变后形成的子体元素在周期表中位于母体元素的右邻一格；经β+衰变后形成的子体元素在周期表中位于母体元素的左邻一格.β衰变的通式可表示为：(3·47)式中，ν为中微子.E.Fermi(1934)认为，β－衰变是一个中子转变为一个质子和一个负电子，然后负电子以β－粒子形式从原子核中放射出来；β+衰变是一个质子转变为一个中子和一个正电子.自然界中具有旷衰变的天然放射性同位素是很少的.3.γ衰变γ衰变是指从原子核内部放出的一种电磁辐射，它一般是伴随着α或β衰变产生的.原子核通过γ衰变从能量较高的激发状态跃迁到较低能量状态(基态).γ衰变的半衰期一般很短(10－4～10－16s之间)，少数半衰期较长的γ衰变叫同质异能跃迁.与α或β衰变不同的是，γ衰变形成的子体与衰变前的母体的质量数和原子序数都相同，只是能量不同，是属于同一元素的同位素，因而亦称同质异能素.4.电子俘获衰变原子核从核外电子壳层中俘获电子而发生的放射性衰变叫电子俘获衰变.母体通过从核外俘获电子而使核内的一个质子转变为中子和中微子.电子俘获后形成的子体具有和母体相同的质量数，但原子序数减少1，在周期表中位于母体元素的左邻一格，其衰变通式为：ZAX＋e－→Z-1AY+E(3·48)由于K层最靠近原子核，它的电子被俘获的几率最大，因而又称K层俘获衰变.凡能发生β+衰变的放射性同位素都可发生电子俘获衰变，但能发生电子俘获衰变的放射性同位素却不一定能发生β+衰变.5.核裂变原子核分裂成两个或几个中等质量的碎片，并同时放出中子和能量的过程叫核裂变，它包括自发裂变和诱发裂变两种类型.自发裂变是指质量数较大的原子核，由于其内部的不稳定性，在无任何外力作用下发生的核裂变.自然界只有铀和钍的同位素才具有自发裂变.诱发裂变是指重原子核在外来粒子轰击下发生的裂变，中子、质子、α与γ射线都可通过轰击铀、钍的同位素而产生诱发裂变，其中以中子诱发的裂变最重要.二、放射性衰变规律放射性同位素不管其衰变方式如何，它们的数量随时间的减小都服从于指数定律：N=N0e-λt(3·49)式中：N0为t＝0时母体同位素的原子数；N为时间t时存在的母体同位素的原子数；e为自然底数，e=2.71828;λ为衰变常数，它表示一个放射性原子核在单位时间内衰变的概率.现在假定，放射性母体同位素衰变形成的放射成因子体核素是稳定的，而且在t=0时子体的核素为零.如果子体在系统中既没有加入也没有丢失，而且母体同位素的变化完全由放射性衰变所引起，即母、子体一直保持封闭的体系，那么母体同位素在任一时刻经过衰变产生的子体核原子数(D*)为：D*=N0-N(3·50)将式(3·49)代入式(3·50)得：D*=N0(1-e-λt)(3·51)式(3·51)给出了t=0时放射性母体同位素的初始原子数N0与经过时间t后衰变形成的稳定子体原子数D*之间的关系.这表明，随着放射性母体同位素的衰变，稳定的子体核素的原子数呈指数增长.例如，若假定t=0时，N0=120,D0=0,则每经过一个半衰期，母体的原子数便减少一半，即按60，30，15…2-n×N0的规律衰减；而放射成因子体的原子数相应地从零增长到60，90，105…(1-2-n)×N0.当t→∞时，N→0，D*→N0..实际上，经过10个半衰期的衰变，即可认为母体同位素已衰变完.这表明，放射性同位素的衰变速率不是常数，而是随时间呈指数减少.为方便起见，在实际研究中通常是利用放射成因子体的原子数D*与现存母体原子数N之间的关系.通过整理式(3·49)和(3·50)并消去N0得：D*=N(eλt-1)(3·52)在一般情况下，正在进行衰变的体系中子体核原子数总数D为：D=D0+D*(3·53)式中D0为t=0时存在的子体核原子数.将式(3·52)代入式(3·53)得：(3·54)式(3·54)便是同位素地质年龄测定的基本公式.三、放射性衰变系列在已知的天然放射性同位素中，原子序数大于82的放射性同位素可组成三个天然放射性衰变系列.根据其母体同位素，可分别称为238U衰变系列(铀系)、235U(锕铀系)和232Th(钍系).人工放射性同位素发展后，又发现237Np衰变系列(镎系).它们的基本特征是，在同一个衰变系列中，母体与子体同位素的原子量之差为4的倍数(表3.2).三个天然放射性衰变系列的衰变过程列于图3.6，图3.7和图3.8.(一)238U衰变系列238U衰变系列是以238U为母体同位素，以稳定的放射成因同位素206Pb作为结尾的衰变系列.这一衰变系列可概括为：92238U→82206Pb+824He+6β－+E(3·55)式中E=47.4MeV／原子.式(3·55)表示，在一个封闭的体系中，每一个238U原子要经过8次α衰变和6次β－衰变后才最终形成稳定的206Pb.本系列成员的质量数都是4的倍数加2，所以又叫4n+2系.有几个中间子体同位素经过分支衰变(α或β衰变)(图3．6)，但所有分支的最终衰变产物都是稳定的206Pb.本系列母体238U的半衰期为4.4683×109a，寿命最长的中间子体234U的半衰期为2.48×105a.因此，238U衰变系列建立长期平衡所需的时间约2.48×106a.(二)235U衰变系列235U衰变系列的放射性母体同位素为235U，稳定的最终衰变产物是207Pb.本衰变系列可概括为：92235U→82207Pb+724He+4β－+E(3·56)E=45.2MeV／原子.式(3·56)表明，每一个235U原子要经过7次α衰变和4次β－衰变才最终形成稳定的子体同位素207Pb.本系列也存在几个分支衰变(图3．7).母体235U的半衰期为7.038×108a，寿命最长的子体231Pa的半衰期为3.43×104a，因此235U衰变系列建立长期平衡所需的时间约3.43×105a.本系列成员的质量数都是4的倍数加3，所以又叫4n+3系.(三)232Th衰变系列232Th衰变系列的放射性母体同位素为232Th，稳定的最终衰变产物为208Pb.232Th经6次α衰变和4次β－衰变后才形成稳定的208Pb.本衰变系列可概括为：90232Th→82208Pb+624He+4β－+E(3·57)E＝39.8MeV／原子.母体232Th的半衰期为1.401×1010a，寿命最长的子体228Ra的半衰期为6.7a，因此232Th衰变系列建立长期平衡所需的时间约67a.本系列成员的质量数都是4的倍数，故又称4n系.自然界还存在过237Np衰变系列(镎系).由于该系列中所有成员都是短寿命的，半衰期最长的237Np也只有2.25×106a，因此，它是一个“死亡”的衰变系列，目前只能由人工方法获得.小结对于重元素(主要是锶，钕，铅)来说，它们的同位素组成的变化主要由其放射性母体同位素的衰变引起的.天然放射性衰变以α，β衰变为主，它们严格按指数规律衰变.这种衰变规律乃是同位素地质年龄测定的理论基础.对于具链式衰变特征的238U，235U和232Th来说，它们可分别形成三个衰变系列.由于它们的半衰期和地球年龄相近，并能在较短的时间内建立起长期平衡，因而它们在地质年代学领域内具有十分重要的意义.