類似于“點石成金”的事一直就在自然界中進行着，這就是伴随着天然放射現象發生的原子核“衰變”過程。

一、原子核的衰變

原子核自發地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數變了，它在元素周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變（decay）。

鈾238放出一個α粒子後，質量數減少4，電荷數減少2，成為新核。這個新核就是钍234（圖）。

這種衰變過程叫作α衰變。這個過程可以用下面的衰變方程表示

²³⁸₉₂U→²³⁴₉₀Th＋⁴₂He

在這個衰變過程中，衰變前的質量數等于衰變後的質量數之和；衰變前的電荷數等于衰變後的電荷數之和。大量事實表明，原子核衰變時電荷數和質量數都守恒。

放出α粒子的衰變叫做α衰變.

α衰變方程：

α粒子的本質：α粒子的本質就是氦核，它由兩個質子和中子組成.

α衰變的實質：在放射性元素的原子核中，兩個質子和兩個中子結合得比較牢固，會作為一個整體從放射性元素原子核中抛射出來，即為放射性元素發生的α衰變(2¹₁H十2¹₀n→⁴₂He)，α衰變後生成的新元素的原子核，其核電荷數比衰變前少2，在元素周期表中的位置向前移動兩位.

☞思考與讨論

在衰變中，新核的質量數與原來的核的質量數有什麼關系？相對于原來的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置應當向前移還是向後移？要移動幾位？你能概括出α衰變的質量數、核電荷數變化的一般規律嗎？

²³⁸₉₂U在α衰變時産生的²³⁴₉₀Th也具有放射性，它能放出一個β粒子而變為²³⁴₉₁Pa（镤）（圖）。

由于電子的質量比核子的質量小得多，因此，我們可以認為電子的質量數為0、電荷數為-1，可以把電子表示為⁰₋₁e。這樣，原子核放出一個電子後，因為其衰變前後電荷數和質量數都守恒，新核的質量數不會改變但其電荷數應當加1。其衰變方程為

²³⁴₉₀Th→²³⁴₉₁Pa＋⁰₋₁e

放出β粒子的衰變叫作β衰變。

β衰變方程：

β粒子的本質：β粒子就是電子.

β衰變的實質：原子核内的一個中子轉化為一個質子，放出一個電子，即n¹₀→₁¹H ⁰₋₁e.

β衰變後生成的新元素，其核電荷數比衰變前增加1，在元素周期表中的位置向後移一位.

☞“電荷數之和”指代數和，因為發生β衰變時，電子的電荷數是-1。

☞發生β衰變時，除了産生電子⁰₋₁e外，還産生反電子中微子ve。由于的質量數和電荷數都是0，所以在中學教科書中一般都不寫出。

☞思考與讨論

在衰變中，質量數、核電荷數有什麼變化規律？原子核裡沒有電子，衰變中的電子來自哪裡？

進一步的研究發現，β衰變的實質在于核内的中子轉化成了一個質子和一個電子（圖），

其轉化方程是

n¹₀→H¹₁ ⁰₋₁e

這種轉化産生的電子發射到核外，就是β 粒子；與此同時，新核少了一個中子，卻增加了一個質子。所以，新核質量數不變，而電荷數增加1。

事實表明，兩個中子和兩個質子能十分緊密地結合在一起，因此，在一定條件下它們會作為一個整體從較大的原子核中被抛射出來，于是，放射性元素就發生了α衰變。

原子核的能量也跟原子的能量一樣，其變化是不連續的，也隻能取一系列不連續的數值，因此，也存在着能級，同樣是能級越低越穩定。放射性的原子核在發生α衰變、β衰變時産生的新核處于高能級，這時它要向低能級躍遷，并放出γ光子。因此，γ射線經常是伴随α射線和β射線産生的。當放射性物質連續衰變時，原子核中有的發生α衰變，有的發生β衰變，同時伴随着γ射線輻射。這時，放射性物質發出的射線中就會同時具有α、β、γ三種射線。

γ輻射

γ射線的本質：γ射線的本質是高能光子流，不帶電，産生γ射線的元素在元素周期表中的位置不變.

γ射線的來源：伴随着α射線、β射線産生.放射性的原子核在發生α衰變、β衰變時，蘊藏在核内的能量往往會釋放出來，使産生的新核處于高能級，這時它要向低能級躍遷，能量以光子的形式輻射出來.

一種元素隻能發生一種衰變，但在一塊放射性物質中可以同時放出α、β和γ三種射線。

原子核衰變方程的書寫

（1）書寫原子核衰變方程的依據

原子核衰變時電荷數和質量數都守恒，即衰變前的質量數等于衰變後的質量數之和，衰變前的電荷數等于衰變後的電荷數之和.

（2）書寫原子核衰變方程應注意的問題

①中間用單箭頭，不用等号.

②是質量數守恒，不是質量守恒.

③方程及生成物要以實驗為基礎，不能杜撰.

二、半衰期

放射性同位素衰變的快慢有一定的規律。例如氨222經過α衰變成為钋218。如圖，

橫坐标表示時間，縱坐标表示任意時刻氨的質量m與t＝0時的質量m的比值。如果隔一段時間測量一次剩餘氨的數量就會發現，每過3.8d就有一半的氡發生了衰變。也就是說，經過第一個3.8d，剩有一半的氡；經過第二個3.8d，剩有1/4的氡；再經過3.8d，剩有的1/8的氡……因此，我們可以用“半衰期”來表示放射性元素衰變的快慢。放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間，叫作這種元素的半衰期（half life）。

不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，氨222衰變為钋218的半衰期是3.8d，鐳226衰變為氡222的半衰期是1620年，軸238衰變為針234的半衰期竟長達4.5×10⁹年。

對于一個特定的氨原子，我們隻知道它發生衰變的概率，而不知道它将何時發生衰變。一個特定的氨核可能在下1s就衰變，也可能在10min之内衰變，也可能在200萬年之後再衰變。然而，量子理論可以對大量原子核的行為作出統計預測。例如，對于大量氨核，可以準确地預言在1s後、10min後，或200萬年後，各會剩下百分之幾沒有衰變。放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統計規律。

☞衰變是微觀世界裡原子核的行為，而微觀世界規律的特征之一在于“單個微觀事件不可以預測”。

放射性元素衰變的快慢是由核内部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀态和外部條件沒有關系。例如，一種放射性元素，不管它是以單質的形式存在，還是與其他元素形成化合物，或者對它施加壓力、提高溫度，都不能改變它的半衰期。這是因為壓力、溫度或與其他元素的化合等，都不會影響原子核的結構。

半衰期公式：

式中N₀、m₀表示衰變前放射性元素的原子數和質量，N、m表示衰變後尚未發生衰變的放射性元素的原子數和質量，t表示衰變時間，T表示半衰期.

半衰期是放射性元素穩定性的标志，不同元素的半衰期不同，半衰期越長，元素越穩定，壽命越長；反之，元素越不穩定，壽命越短.

（3）半意期是一個統計規律

半衰期是大量原子核變的統計規律，隻對大量原子核有意義，對少數原子核是沒有意義的、對于一個特定的原于核，無法确定其何時發生衰變，但可以确定各個時刻發生變的概率，即某時刻良變的可能性、因此，半期隻适用于大量的原子核.

例題：關于半衰期，以下說法正确的是（D）

A.同種放射性元素在化合物中的半衰期比在單質中長

B.升高溫度可以使半衰期縮短

C.氡的半衰期為3.8天，若有4個氨原子核，經過7.6天就隻剩下1個

D.氨的半衰期為3.8天，若有4克氨原子核，經過7.6天就隻剩下1克

例題：為測定水庫的存水量，将一瓶放射性溶液倒入水庫中，已知這杯溶液每分鐘衰變8×10⁷次，這種同位素半衰期為2天，10天以後從水庫取出1m³的水，并測得每分鐘衰變10次，求水庫的存水量為多少？

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