放射性元素的衰变

发布时间:15-08-10 17:43分类:技术文章 标签:放射性元素 放射性
放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线(如α射线、β射线、γ射线等)而衰变形成稳定的元素而停止放射(衰变产物),这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数在83(铋)或以上的元素都具有放射性,但某些原子序数小于83的元素(如锝)也具有放射性。而有趣的是,从原子序93开始一直到锫元素有以下特性:原子序是偶数的,半衰期都特别长。由于偶数元素的原子核含有适当数量的质子和中子,因此形成有利的配置结构。
对单一原子来说,放射性衰变依照量子力学是随机过程,无法预测特定一个原子是否会衰变。不过原子衰变的概率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言,可以用量测衰变常数计算衰变速率及半衰期。其半衰期没有已知的时间上下限,范围可以到55个数量级。
有许多种不同的放射性衰变。衰变或是能量的减少都会使有某种原子核的原子(父/母放射核素)转变为有另一种原子核的原子,或是其中子或质子的数量不同,称为子体核素。在一些衰变中,父/母放射核素和子体核素是不同的化学元素,因此衰变后产生了新的元素,这称为核嬗变。
*早发现的衰变是α衰变、β衰变、γ衰变。α衰变是原子核放出α粒子(氦原子核),是*常见释放核子的衰变,不过原子核偶尔也会释放质子,或者释放其他特殊的核子(称为簇衰变)。β衰变是原子核释放电子(或正子)及微中子,会将质子转变为中子(或是将中子转变为质子)。核子也可能捕获轨道上的电子,使质子转变为中子,这为电子捕获,上述的衰变都属于核嬗变。
相反的,也有一些核衰变不会产生新的元素,受激态原子核的能量以伽马射线的方式释出,称为伽马衰变,或是将激发态原子核将能量转移至轨道电子上,轨道电子再脱离原子,称为内部转换。若是核子中有大量高度受激的中子,有时会以中子发射的方式释放能量。另外一种核衰变是将原来的原子核变为二个或多个较小的原子核,称为自发性的核分裂,出现在大量的不稳定核子自发性的衰变时,一般也会释放伽马射线、中子或是其他粒子。
地球上有28种化学元素具有放射性,其中有34种放射性同位素是在太阳系形成前*存在的。著名的放射性同位素例子是铀和钍;也包括在自然界中,半衰期长的同位素,例如钾-40;有15种是半衰期短的同位素,像镭及氡,是由原始核素衰变后的产物;也有因为宇宙射线而产生的,像碳-14*是由宇宙射线撞击氮-14而产生。放射性同位素也可由粒子加速器或核反应堆而人工合成,其中有650种的半衰期超过一小时,有数千种的半衰期更短。
衰变类型
放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态。下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数为A、原子序数为Z的原子核在表中描述为(A,Z),“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如,(A−1,Z+1)意为“子核质量数比母核少1(少一个核子),而原子序数比母核多1(多一个质子)”。
衰变类型 参与的粒子 子核 伴随核子发射的衰变类型: α衰变
原子核中放射出一个阿尔法粒子(A = 4,Z = 2)的衰变类型 (A−4,Z−2)
质子发射 原子核中放射出一个质子(p)的衰变类型 (A−1,Z−1) 中子发射
原子核中放射出一个中子(n)的衰变类型 (A−1,Z) 双质子发射
原子核中同时放射出两个质子的衰变类型 (A−2,Z−2) 自发裂变
原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子 — 簇衰变
原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子(A1,Z1)
(A−A1,Z−Z1)+(A1,Z1) 各种β衰变类型: β-衰变
原子核中放射出一个电子(e− (A,Z + 1) )和一个反电中微子(ν
e)的衰变类型 正电子发射(β+衰变) 原子核中放射出一个正电子(e+
(A,Z−1) )和一个电中微子(ν e)的衰变类型 电子捕获
原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在)
(A,Z−1) 双β衰变 原子核放射出两个电子和两个反中微子的衰变类型 (A,Z +
2) 双电子俘获
原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在)
(A,Z−2) 伴随正电子发射的电子俘获
原子核吸收一个轨道电子,再放射出一个正电子及两个中微子的衰变类型
(A,Z−2)

澳门新蒲京娱乐诚,为什么至今无法验证真正的马约拉纳费米子?

然而在马约拉纳预言80年后的今天,人们仍没有在实验上确信无中微子双β衰变是否存在。其原因是无中微子双β衰变在自然界中是极其稀有的事件。首先是这个过程只能发生在很少几个原子核中。其次是无中微子双β衰变是个极其缓慢的核过程,等待它自发地出现一次需要相当长的时间。这导致观测到的概率非常非常之小,因此实验极其困难。尽管如此,实验观测无中微子双β衰变一直是核物理研究最重要的领域之一,国际竞争非常激烈。

由此可见,目前所有寻求和发现的不是真正的马约拉纳费米子。马约拉纳在80年前预言的马约拉纳粒子还没有被实验证实,因为真正“捕获”到中微子的任何一点信号都是非常困难的事情。马约拉纳粒子的最终发现将帮助我们进一步认识宇宙的历史和未来、物质的起源和演化、以及自然界中元素的形成。另外,马约拉纳所建议的还是一种费米子,不是玻色子和费米子之外的第三类微观粒子。它是一种特殊的基本粒子,其反粒子就是它本身。不过“马约拉纳”已经被凝聚态物理借用来表示一类粒子(不是基本粒子,而是大量粒子和环境相互作用下产生的演生粒子或准粒子),这类粒子的特点是反粒子就是它本身。(编辑:婉珺)

中微子又来自何方?

这里所说的中微子来自原子核的一种自发变化过程:β衰变(beta
decay)。β衰变使自然界中不稳定原子核趋向于稳定,使原子核处于一个更加适当的质子-中子比例。例如,如果衰变前的初始原子核(母核)中的质子太多,β衰变会把一个质子变成一个中子,同时发射出一个正电子和一个中微子。这个过程是正β衰变。同样,如果初始母核里的中子太多,β衰变将把一个中子变成一个质子,同时发射出一个电子(正电子的反粒子)和一个反中微子。这个过程叫做负β衰变。

母核和子核是不同的原子核。和母核相比起来,子核一般更加稳定。正是由于这样的过程,自然界选择了那些地球上能够存在的元素以及各种元素之间的比例。美籍华裔物理学家吴健雄在1957年实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒就是利用了钴-60原子核的负β衰变,而β衰变放出的电子或正电子则是贝克勒尔和居里夫妇在19世纪末、20世纪初发现的放射性的一种。β衰变是个弱相互作用过程,每次β衰变的发生必然伴随一个中微子或反中微子的产生和释放。推而广之,双β衰变,例如接连两次负β衰变,必有两个电子和两个反中微子放出。

马约拉那费米子的提出

80年前的1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore
Majorana)在研究β衰变理论时发现,如果假设中微子为其自身的反粒子,则β衰变理论得到的所有结果不变。因此他建议属于费米子家族的中微子和反中微子是同一种粒子。这就是现在被称为的马约拉纳费米子(Majorana
fermion)。

马约拉纳费米子不同于寻常的费米子,例如人们熟知的电子。电子的反粒子是正电子,而电子和正电子是不同的粒子。目前的基本粒子中尚没有从实验上证实的马约拉纳费米子。而根据β衰变理论,中微子有可能是马约拉纳费米子。目前唯一知道的能够直接验证马约拉纳费米子的实验是核物理中的无中微子双β衰变(neutrinoless
double-beta decay)。