四、天然放射现象四、天然放射现象天然放射现象天然放射现象 人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律，是从发现天 然放射现象开始的．1896 年，法国物理学家贝克勒耳(1852～1908)发现，铀和含铀的矿物能发出某种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光．物质发射这种 射线的性质，叫做放射性放射性；具有放射性的元素，叫做放射性元素．放射性元素．在贝克勒耳的建议下，玛丽·居里(1867～1934)和她的丈夫皮埃尔·居里(1859～1906)对铀和铀的各种矿石进行了深入的研究，并且发现了两种放射性更强的新元素．玛丽·居里为了纪念她的祖国波兰，把其中一种元素命名为钋(读作“坡”，元素符号是 Po)，另一种命名为镭．铀、钋和镭放出的射线到底是什么呢？人们用电场和磁场来研究放射线的 性质．先把放射性样品由窄孔放在铅盒底上，在孔的对面放着照相底片．被放 射性照射过的底片，显影后在正对着窄孔的方向上有一个暗斑．再在铅盒和底 片之间放上一对电极，使电场的方向跟射线的方向垂直．把底片显影，上面就出现了三个暗斑．这说明在电场的作用下，射线分成了三束(图 9-8)，其中的一束沿原来的方向前进，另外两束向相反方向偏转，表明了这两束射线是由带电 粒子组成的，电荷的符号相反，无偏转的射线是电中性的．由三个暗斑的位置 可知，带正电的射线偏转较小，带负电的射线偏转较大．人们把带正电的射线 叫 αα 射线射线，把带负电的射线叫 ββ 射线射线，把无偏转的射线叫 γγ 射线射线．放射线的性质放射线的性质 卢瑟福首先根据实验研究确定了 α 射线的粒子——α 粒子的电荷等于元电荷的两倍，它的质量是氢原子质量的 4 倍．这样，α 粒子原来就是氦原子核．α 粒子射出的速度约为光速的十分之一，但是贯穿物质的本领很小，在空 气中只能飞行几厘米，一张薄铝箔或一张薄纸就能把它挡住；不过它有很强的 电离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光的作用也很强．研究 β 射线在电场和磁场中的偏转，证明了 β 射线是高速运动的电子 流．β 射线的贯穿本领很强，很容易穿透黑纸，甚至能穿透几毫米厚的铝板， 但它的电离作用比较弱．γ 射线的性质非常像 X 射线，只是它的贯穿能力比 X 射线大得多，甚至能贯穿几厘米厚的铅板．但它的电离作用却很小．后来，发现了 γ 射线在晶体上 的衍射现象并测定了它的波长以后，证明了它是波长极短的电磁波，它的波长只有 10-13～10-10 米．放射性元素的衰变放射性元素的衰变 放射性并不是少数几种元素才有的，实际上，原子序数大于 83 的所有天然存在的元素，它们的原子核都是不稳定的、会自发地衰变为别种元素的原子核．原子序数小于 83 的天然存在的元素，也有一些具有放射性．某元素的原子核，例如铀核，放出一个 α 粒子后，就变成了新的原子 核．我们把原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰 变．在衰变中电荷数和质量数①都是守恒的．我表示核的电荷数(可以省去下标，简写为 238U，还可以简写为铀 238 或是，铀 238 核放出 α 粒子变成钍 234 核的衰变可用下面的方程来表示：从这个方程可以看出，方程两边的质量数和电荷数都是相同的．这种放出 α 粒子的衰变叫做∝∝衰变衰变．一个原子核放出一个 β 粒子后，它的质量数不变．因此，可以认为电子上述的衰变可表示为：①这个方程两边的质量数和电荷数也是相同的．这种放出 β 粒子的衰变叫做 ββ 衰变．衰变．放射性的原子核在发生 α 衰变或 β 衰变时产生的新核有的具有过多的能量(核处于激发态中)，这时它就会辐射出 γ 光子．因此，γ 射线是伴随 α 射线或 β 射线产生的．当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核中有的发生 α 衰变，有的发生 β 衰变，同时伴随有 γ 辐射，这时在放射线中就会同时有 α、β 和 γ 三种射线．半衰期半衰期 放射性元素的衰变有一定的规律．例如，氡 222 经过 α 衰变变为钋 218，如果隔一定时间测定一次剩余的氡的数量，就会发现，大约每过 3.8天，就有一半的氡发生了衰变．也就是说，经过第一个 3.8 天以后，剩有一半的氡，经过第二个 3.8 天以后，剩有四分之一的氡，再经过 3.8 天以后，就只剩有八分之一的氡了．因此，我们可以用半衰期半衰期来表示放射性元素衰变的快慢： 半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间．每一种放射性元素 都有一定的半衰期，不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大．例如前面说的氡 222 变为钋 218 的半衰期是 3.8 天，而镭 226 变为氡 222 的半衰期是 1620 年，铀 238 变为钍 234 的半衰期竟长达 4.5×109 年！放射性元素衰变的快慢是由核内部本身的因素决定的，而跟原子所处的物 理状态或化学状态无关．例如，一种放射性元素，不管它是成单质存在或是成 化合物存在，或者对它施加压力，或者增高它的温度，都不能改变它的半衰 期．练习三练习三(1)镭自发衰变为氦和氡．为什么镭被认为是一种元素而不是氦和氡的一种 化合物？① 6.25g； ②1.25g；③ 0.625g； ④ 2.5g．(3)钍 230 是 α 放射性的，它放出一个 α 粒子后变成了什么？写出衰变方程．钫 223 是 β 放射性的，它放出一个 β 粒子后变成了什么？写出衰变方程．是多长？*五、探测放射线的方法五、探测放射线的方法放射性元素放射出的 α 射线、β 射线和 γ 射线都是看不见的，需要根据 它们跟其他物质作用产生的各种效应，用适当的仪器来探测．下面简单介绍三 种方法．1．云室．云室 水蒸气遇冷凝结，会形成很小的雾珠，这时它需要有凝结核心， 如果空气中没有任何尘埃或离子，水蒸气就是达到过饱和状态①，也不能马上 凝结．但是，如果这时由于某种原因在空气中产生了离子，那么过饱和的水蒸 气就会以这些离子为核心立即凝结成雾珠．因此可以根据出现的雾珠来推测产 生离子的情形．云室就是根据这个原理制成的．云室(图 9-9)的主要部分是一个塑料或玻璃制的容器，它的下底是在小范围内可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它来观察室内发生的现象或进行照相．实验时，先往云室里加一些酒精(或乙醚)，使室内充满酒精的饱和蒸气．然后，使活塞突然迅速向下移动，室内气体由于迅速膨胀而降低温度， 酒精蒸气达到过饱和．这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体 分子电离，过饱和的酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成一条雾迹．这种云室是英国物理学家威尔逊(1869～1959)于 1911 年发明的，通常叫威尔逊云室．用云室可以清楚地看出 α 粒子和 β 粒子的径迹(图 9-10)．α 粒子质量比较大，在气体中行进时不易改变方向，它的电离本领大，在每厘米的路程中能使气体分子产生 10000 对离子，所以它的径迹直而粗．β 粒子质量很小，跟气体分子的电子碰撞时容易改变方向，而且电离本领小，在每厘米的路程中只能 产生几百对离子，所以它的径迹比较细而且有时发生弯曲．γ 粒子的电离本领 更小，有时能产生一些细碎的雾迹．2．计数器．计数器 计数器的主要部分是计数管，它是一支玻璃管，里面有一个导电的圆筒作阴极，一根通过圆筒轴心的金属丝作阳极(图 9-11)，管里装入惰性气体(如氩、氖等)和少量的乙醇汽或溴汽，气压大约是 1.3×104～2.7×104帕．在两极加上大约 800～1500 伏的直流电压，这个电压略低于管内气体的击穿电压．当有射线粒子飞进管内，使管内气体电离时，产生的电子在电场作用 下向阳极加速运动．电子在运动中能量越来越大，达到一定值时，跟气体分子 碰撞，又可使气体分子电离，再产生电子，于是经过一段很短时间，就会产生大量电子，这些电子到达阳极，正离子到达阴极(正离子由于质量大，运动较慢，在运动中不会再使气体分子电离)，就使计数管发生一次短暂的放电，从而得到一个脉冲电流．这个脉冲电流可以用电子设备记录下来．3．乳胶照相．乳胶照相 放射线能够使照相底片感光．放射线中的粒子经过照相底 片上的乳胶时，使乳胶中的溴化银分解，经显影后，就有一连串的黑点显示出 粒子的径迹．这些径迹可用显微镜来进行观察与测量，根据径迹的长短和形状， 可以判断粒子的能量、性质和种类．由于乳胶的密度较大，所以粒子在乳胶中 的射程约为空气中的千分之一，因此容易看到径迹的全部．。