放射性核素衰变类型

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1、核 转 变,Nuclear transformation,在已知的自然界的原子核中，只有少数原子核是稳定的，而大多数原子核不稳定。 原子核的稳定性与核内质子数和中子数之比有着密切的关系。 对于较轻的核，中子与质子之比是1:1，结果最稳定。,随着原子序数的增加，该比值也增加，最高原子序数的核内质子数和中子数之比逐渐增加到近似为1.3:10。 如果中子与质子之比略高于或低于稳定的比值，核一般是放射性的。 根据核内质子数和中子数的奇偶性，偶偶核最稳定，稳定核素最多，其次是偶奇核和奇偶核，而奇奇核最不稳定，稳定核素最少。,放射性核素衰变类型,核素有两大类，即放射性核素和稳定性 核素。 目前已知的元素有

2、107种，而核素有2000多种，近90是放射性核素。 不稳定核自发的放出射线称为放射性。,人们对放射性核素的认识，是从研究天然放射性现象开始的。 早在1896年，贝可勒尔在研究各种物质的磷光时发现铀盐能够发出人眼所看不见的穿透能力相当强的射线。 1898年，居里夫妇又发现了钋(b)-210和镭-226。,放射性核素衰变类型,放射性核素又分为天然放射性和人工放射性核素(简称人造核素)。 已发现的放射性核素中绝大部分是人工放射性核素。 人造核素主要由反应堆和加速器制备。,放射性核素衰变类型,原子序数很高的那些重元素，它们的核很不稳定，自发地放出射线，变为另一种元素的原子核，这现象称为放射性核素衰变

3、，简称核衰变。 放射性衰变是放射性核素本身的特性，外界作用无法改变其衰变性质及衰变速度。 核衰变过程遵守电荷、质量、能量、动量、电荷和核子数守恒定律。,The main contents,放射性核素衰变类型 衰变 衰变 衰变和内转换 原子核的衰变规律 衰变常数 半衰期（half life） 平均寿命（mean life） 放射性活度（activity） 核素的生产与制备 放射性核素的临床应用,衰变,放射性元素中有些放射 射线，有些放射 射线，有些在放射 射线或 射线时，伴随着有 射线放出。,粒子是氦核 ，它是由2个质子和2个中子构成的，带正电荷为2e，质量为氦核的质量。 衰变过程可写成：,式中

4、，X叫母核，Y叫子核,Q为衰变能，是由母核衰变为子核时放出的能量，其值用两侧的原子质量差值计算，不同核素Q值不同，单位用MeV。,产生条件：,即在衰变过程中，发生了质量亏损,的衰变图, 衰 变,实验发现，在发生衰变的核素中，只有很少几种核素放出单能的粒子，大多数核素放出好几组不同能量的粒子，也有伴随产生射线的。 但不管怎样， 粒子的能谱是不连续的，它们构成一组分立的线状能谱。 原子能量是量子化，原子核内部能量也是量子化的，这就是说原子核也具有间隔的能级。,衰变有-， +衰变和电子俘获三种类型。 -射线是电子，是由母核放出电子的一种衰变。,衰变,为反中微子，它是在衰变中与-粒子同时放射出的一种粒

5、子，不带电，静止质量为零。,衰变,产生条件：,衰变,衰变过程中所放出的衰变能被子核、 、 这三个粒子分配。 因为这三个粒子的发射方向所成的角是任意的，所以每个粒子带走的能量是不固定的。 粒子的能量可以从最小的零值（=0）到最大的Q值，形成一个连续能谱。,衰变：有些人工产生的放射元素是放射正射线的，这些原子核放射后，转变为原子序数减去1的另一个原子核。 粒子就是正电子，只有人工的放射性核素才会发生此衰变， 粒子的静止质量和电子的相等。,衰变,其特点有:粒子数按能量连续分布；每一种放射性物质的能谱有固定的上限能量和峰值；不同的放射性物质有不同形状的能量分布，且其上限能量和峰值也不相同。,产生条件：

6、,衰变,正电子只能在极短时间内存在，当它被物质阻止而失去动能时，将和物质中的电子相结合而转化成电磁辐射，这一过程称为正负电子对的湮没。 正负电子对湮没时转化为二个或三个光子，但以转化为二个光子的几率最大，二个光子的能量均相当于电子静止质量所对应的能量0.511MeV（光子）。 探测这个能量的光子的存在与否，通常可以判断是否有衰变发生。,电子俘获 （electron capture）,原子核俘获核外电子，使核内的一个质子变为一个中子，电荷数变为Z-l，这种衰变称为电子俘获。多为K电子俘获。,产生条件：,所以，能产生+衰变的条件同样满足电子俘获的条件，反之则不一定能实现。,电子俘获 （electr

7、on capture）,在电子俘获过程中，可能出现核外层电子填补内层电子空位，而产生特征辐射或俄歇电子。 所以观察到特征X射线或俄歇电子，就知道有K电子俘获发生。 俄歇电子是当高能级的电子跃迁至低能级，其多余的能量直接转移给同一能级的另一电子，而不辐射X线，接受这份能量的电子脱离原子，成为自由电子，这种电子叫俄歇电子。,电子俘获 （electron capture）,K空位由一个L电子来填充，因L电子跃迁放出的能量又把另一个L电子电离了；这样，一个K空位转变成两个L空位和一个具有动能的电子。 如果EK和 EL分别表示K电子和L电子的结合能，Ee为被放出的俄歇电子的动能，那么,衰变和内转换（in

8、ternal conversion）,和衰变后的子核大部分处于激发态，并以射线的形式释放能量，跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁叫衰变。 射线是光子，不带电，无静止质量。它的放出不改变原子核的电荷，对质量的影响亦极微小。在核医学中使用的60Co(钴)、99mTc(锝)等放射源均有和射线发射。 原子核能级的间隔一般在10-3MeV以上，所以射线能量的低限是10-3MeV，即1keV，能量可以高到MeV的数量级。,衰变和内转换,处于激发态的原子核还有另一种释放能量的方式，即原子核由激发态回到基态时，并不发射射线而是把全部能量交给核外电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这一过程叫内转换，发射的电子

9、叫内转换电子。 无论是电子俘获还是内转换过程，由于原子的内壳层缺少电子而出现空位，外层电子将会填充这个空位。,衰变和内转换,因此这两个过程都将伴随着特征X线和俄歇电子的发射。 原子核在能级跃迁时，放出光子或内转化电子的过程是相互竞争的，各自的几率与核的种类和能级有关。 俄歇电子内转换,放射性衰变的类型,衰变,+,衰变的位移定则:子核在元素周期表中的位置左移2格。,衰变,+,（电子）,衰变的位移定则:子核在元素周期表中的位置右移1格。,衰变,+,高能短波电磁辐射（即电子波）,原子核的衰变规律,原子核发生衰变时，母体核不断地变成子体核，因而随着时间t的增长，母核数目不断减少。 对于任何一种具有放射

10、性的核素，虽然每一个核素都能衰变，但衰变的时间却有先有后，我们不能预言哪个核先衰变，在什么时候衰变，这完全是随机的，但对大量的原子核来说，其衰变还是遵循统计规律的。 实验测量和理论推导都可以证明，放射性核素衰变服从指数衰减规律。,如果在短时间dt内，有dN个核改变，从统计的观点,改变率dN/dt 必定与当时存在的总原子核数N成正比，即 -dN=Ndt,负号表示放射性核数N随时间t的增加而减少。 称为衰变常数，反映放射性核素随时间衰变的快慢。 对上式进行积分，便可得到,上式说明放射性核素衰变服从指数规律。,(一)衰变常数 由上式可知衰变常数为,值反映一个放射性核素在单位时间内衰变的规律，或者说是

11、单位时间内衰变的核数与当时存在的核数之比，因而它是描写放射物放射衰变快慢的一个物理量，单位用秒-1(s-1)。,一种核素能够进行几种类型的衰变，或子核可能处于几种不同的状态,对应与每种衰变类型和子核状态，有各自的衰变常数1、2n，所以式中的应是各衰变常熟之和，即 =1 +2 +n,(二)半衰期T,对于某种特定能态的放射核，核的数量因发生自发核衰变而减少到原来核数一半所需的时间称为半衰期，用T1/2表示。 它是表征放射性核自发衰变的另一参数。 单位用年(a)、天(d)、小时(h)、分(min)、秒(s)表示。 不同的放射性核素半衰期的差别可能很大，例如天然铀中的238U核素，其半衰期为4.471

12、09a；而核素132I的半衰期为2.28h。,(二)半衰期T,当t=T，N=N02代人后，得T和的关系为,经过一个T后，其放射性核素衰减到原来的12，两个T后衰减到原来的14，依此类推，经过n个T后，将衰减到原来的（1/2）n ，这样就得到,（三）平均寿命 ,在一种放射物中，有些原子核早变，有些晚变，有的放射性核素寿命为零，有的是无穷大。 因此，引入了平均寿命这个物理量，它也是一个反映放射性核素衰变快慢的，不过它具体反映的是某种放射性核平均存在的时间，单位是秒(s)。,N0个母核的总寿命为,N0个母核的平均寿命为,(四)放射性活度 常用单位时间内衰变的原子核数来表示放射性强度，或叫放射性活度，

13、用A表示,A0=N0为t=0时刻的放射性活度。 若某时刻母核数为N，则该时刻的放射性活度为A=N。 放射性活度的SI单位是贝可勒尔，简称贝可，符号Bq。 1Bq=1衰变秒-1 放射性活度专用单位用居里(Ci)表示。 1Ci3.71010Bq 1Bq2.70310-11Ci,半衰期在考古学测年法中的应用,主要内容,放射性半衰期公式 14C测年法基本原理 14C测年法典型案例,14C测年法,Willard Libby 1946 radiocarbon dating 1960 Nobel Prize in Chemistry,14C测年法是迄今为止国内外在第四纪地质活动新构造及考古学研究中应用最广泛

14、、最可靠的放射性同位素测年方法，可精确测定年代在一千至五万年内的考古样品。,14C测年法的基本原理,假定： 1.14C的产生率不变（即碳-14的产生与衰变处于平衡）。 2. 14C半衰期恒定，生物样品一旦死亡，即停止与外界的自由交换。 3. 生物体中14C与大气中含量一样（其实生物体14C 含量比大气中低3-4%，故测定的年代比实际年代高3 0 0 年左右）。 4. 现代社会（大量矿物质燃烧，如煤，石油等）使大气中14C含量相对降低，在14C测年法中假设不变。 5. 不考虑地磁场变化对14C断代的影响。,14C的半衰期 = 5730年,放射性衰变公式确定古代植物年代 千年古莲,二十世纪初，辽东

15、半岛大连普兰店东郊发现古莲子，经仪器测得其14C残余量与原始含量的比为87.9%，则古莲子是多少年前的遗物？,分析：根据已知数据 又 将数据代入， 即古莲子是1066年前的遗物。,放射性衰变公式确定古生物年代 恐龙化石,中国科学院古脊椎动物专家在新疆奇台进行的大规模恐龙化石挖掘活动中，挖出一具被认为是世界上脖子最长的恐龙化石，试估算该恐龙生存的年代。 分析：经精密仪器测得，新疆恐龙遗骸中14C跟12C的存量比为空气中的 。将数据代入，得,由此可以估算改恐龙生存的年代距今1.5亿年左右（这个恐龙生活在侏罗纪中晚期到白垩纪时期）。,半衰期公式确定古建筑年代 拉美西斯神殿,分析：14C在自然界树木中

16、基本保持为总碳量的 1.10 10-15 倍。埃及考古队分析大神殿里古代木头中14C的含量为总碳量的7.45 10-16倍。,据世界网络日报报道，在埃及古城艾赫米姆不远处，考古队挖掘了埃及第十九王朝拉美西斯二世大神殿。,即拉美西斯大神殿距今约3200多年。,14C测年法的可信度,检测一件在内华达州从刚被杀死的蜗牛壳，得出的结果是已死亡了27,000年。 检测公元十九世纪澳大利亚内陆金矿遗址中发掘的已石头化的矿工帽与木围篱，得出的结果是该矿址是6,000年前的遗址。,树轮年代校正曲线,铀系法：衰变图像估测地球年龄,地球的年龄到底多大? 科学家利用天然放射性的衰变规律, 通过对目前发现的古老的岩石中铀和铅含量来推算, 测得某岩石中现含有的铀是岩石形成初期时( 岩石形成初期时不含有铅) 的一半, 铀238 衰变形成铅206, 铀238 的相对含量随时间变化规律如图,