今天和大家分享一个关于放射性元素衰变的问题（放射性元素衰变教学反思）。以下是这个问题的总结。让我们来看看。
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你所说的放射性元素衰变是什么意思？
放射性元素是不稳定的元素，具有半衰期。在这个半衰期内，放射性元素辐射α和β粒子，同时自身衰变，即半衰期减半。
放射性元素衰变的原因是什么？
根本原因是原子核中的核力与库仑力不平衡。
无论是质子还是中子，它们之间都存在一种核力，这种核力具有吸引力。
质子之间存在库仑力，众所周知，库仑力是相互排斥的。
如果质子太多，排斥力大于吸引力，这当然是不稳定的。通过质子转变为中子的作用，排斥力减小，吸引力增加，最终两者达到平衡。这就是（级联）衰变过程。
同样，如果中子太多，引力将大于斥力，两个力将不平衡，这也将影响系统的稳定性。所以我们需要衰变，减少中子的数量或增加质子的数量。
当原子核中质子和中子的数量协调时，系统将是稳定的。否则，它将衰减并过渡到稳定状态。这就像一个社会，男女比例不能太不平衡。
当原子核中的质子和中子过多时（例如质量数超过200时），甚至这两种力的平衡也不稳定。就像搭积木一样。块越多，帧越不稳定。它也像一个国家，如前苏联，太大而无法管理。
放射性衰变
不稳定核素的原子核可以自发发出一些射线，成为另一种核素的原子核。这种现象被称为放射性衰变或核衰变。原子核不稳定的核素称为放射性核素。
放射性衰变的类型
放射性衰变有三种类型:α衰变、β衰变和γ跃迁。重原子核也会产生自发裂变。
11.2.1.1阿尔法衰变
α衰变是从原子核即氦核（）中释放α粒子的过程。母核（用X表示）衰变后，转化为质量数减少4、原子序数减少2的子核（用Y表示）。即
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同一放射性核素的α衰变释放的α粒子的能量是确定的。但是，有些核素衰变时只发射单一能量的α粒子，有些核素衰变时发射几种不同能量的α粒子，后者可能伴有γ光子。例如，226 Ra通过α衰变释放出能量为4.785MeV和4.602MeV的α粒子，并分别在基态和激发态形成氡核。处于激发态的氡原子核迅速跃迁到基态，发射出能量为0.183 MeV的伽马光子（图11-2）。
11.2.1.2β衰变
图11-2镭的α衰变图
β衰变是释放β粒子或在原子核中捕获一个轨道电子的过程。β粒子是电子和正电子的统称。有β衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。
β衰变是原子核释放电子（0）和反中微子的过程。母核衰变后转化为原子序数（增加1）的子核。即
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β+衰变是原子核释放正电子（）和中微子（ν）的过程。β+衰变后，母核转变为原子序数减少1的子核，即，
勘探技术工程
上式中的中微子和反中微子是一对质量几乎为零、速度接近光速的中性粒子。它们只是在自旋方向和与物质相互作用的性质上有所不同。
当原子核中质子过剩时，原子核也可能捕获一个轨道电子并释放中微子，这就是轨道电子捕获。通常情况下，原子核捕获最靠近原子核的K层中的电子的概率最高，因此这个过程也被称为K捕获。
轨道电子俘获本身不发射β射线。母核被轨道电子俘获后，生成原子序数减少1的子核，也就是说，
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原子核捕获一个轨道电子后，原子核外的电子层上出现空位置。此时，具有更高能量的电子将跳到这个空位置，多余的能量将以特征X射线（一种低能电磁辐射）的形式释放。在某些情况下，当外层（如L层）中的一个电子跳到K层时，额外的能量直接给了同一层中的一个电子，这使其摆脱了原子而成为自由电子。这种自由电子也被称为俄歇电子。
图11-3 40K的衰变纲图
天然放射性核素的β衰变主要是β衰变和轨道电子俘获。例如，88%的40K原子核通过β衰变转变为40Ca，其中12%的原子核通过轨道电子俘获转变为40Ar，发射出能量为1.46 MeV的γ光子。图11-3显示了40K的衰变图。
11.2.1.3γ跃迁
放射性核素发生α衰变或β衰变后，形成的子核往往处于激发态，这种状态下的子核是不稳定的。当它们跃迁到较低的激发态或基态时，它们多余的能量将以三种形式释放。
1）发射特征伽马射线。伽马射线是原子核发出的短波长（10-13 ~ 10-8 m）的电磁辐射，其能量取决于原子核跃迁前后两个能级之间的能量差。另一方面，伽马射线是速度等于光速的伽马光子流。γ光子的静止质量为零，因此γ跃迁前后母核和子核的质量数和电荷数相等，只是改变了能量状态。γ跃迁本质上是同种不同能量原子核的跃迁现象。一般来说，原子核处于激发态的时间很短（约10-13 s），很快就会跃迁到较低的能量状态或基态，并发射伽马光子，因此无法形成独立的核素（图11-2和图11-3）。有些原子核被激发了很长时间，它们的寿命可以用仪器测量。这种具有可测寿命的激发态称为异构态。处于非均匀状态的核素可以视为一个独立的核素。我们称一类具有相同质量数A和原子序数Z但不同寿命的核素为同伦。同构元素之间的变换称为同构变换。例如，镨的同位素234Pa和234Pam是一对同分异构元素，其中234Pam的原子核处于同分异构状态。234Pam的0.15%通过同分异构跃迁被γ光子发射转化为234Pa（图11-4）。
2）发射内部转换的电子。当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，原子核的激发能量可以直接转移到外层K、L层或其他壳层中的电子，而不发射γ光子，这就是所谓的内转换。在内转换过程中释放的电子称为内转换电子。它的能量大约等于衰变能（原子核在跃迁前后的能量差）和电子结合能之差。例如，198Au通过β衰变转化为198Hg，汞处于激发态，能量为411.8keV，其中一部分将发射内部转换电子。同质跃迁也可以释放内部转换电子。例如，从60Com到60Co的同质跃迁释放的电子（用it表示）是内转换电子（图11-5）。
图11-4 234Pa衰变纲图
图11-5 60Co的衰变纲图
内转换电子发射后，发射电子的原子壳层出现空位置。当外层的电子跳跃到这个空位置时，它们多余的能量将以发射特征X射线或俄歇电子的形式释放出来，就像β衰变中的轨道电子捕获一样。
3）发射电子对。当激发核的能量大于电子静止能量（mec2）时，激发核会将其能量转化为电子-正电子对，这称为内电子对效应。
11.2.1.4自发裂变
自发裂变是指重原子核自发分裂成两个或两个以上子核（又称碎片）并释放能量的现象。原子核的自发裂变非常缓慢。238U自发裂变大约需要1016a，203号需要1.5×1017a，232号需要1022a。
放射性衰变的基本定律
11.2.2.1放射性衰变的基本规律
核衰变是原子核自发的转变过程，只取决于其内部特性，与外界条件（温度、压力、电磁场）和核素本身的化学状态无关。实验表明，对于具有足够原子核的放射性核素，在时间间隔dt和T，原子核的衰变数dN与原子核数N成正比，即
或者
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公式中比例系数λ称为衰变常数，单位为s-1，其值随放射性核素的种类而变化。负号表示原子核数目n随时间减少。
当t=0时，原子核的数量为N0。对于（11.2-5）的积分，有
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上述公式表明，在核衰变中，放射性核素原子核的数量随时间呈指数下降，这是放射性衰变的基本规律。根据统计学的观点，核素的衰变常数是单位时间内每个原子核衰变的概率。λ值越大，核素衰变越快。
11.2.2.2半衰期
通常，一个叫做半衰期的量也被用来表示核衰变的速率。半衰期T1/2是指放射性核素在特定能量状态下衰变一半所需的时间。将N=N0/2和t=T1/2代入方程（11.2-6），可以导出半衰期与衰变常数之间的关系。
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理论上，一定量的放射性核素需要无限长的时间才能衰变。事实上，当剩余原子核的数量仅为原始数量的千分之一时，可以认为所有核素都已衰变。将n = N=N0/1000代入方程（11.2-6），即可得出衰变所需的时间。
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上述公式表明，放射性核素在10个半衰期后可被视为已经衰变。例如，钍射气（220 Rn）的半衰期为55.6秒，大约10分钟后可以认为它已经衰变。铀-238的半衰期为4.47×109a，衰变需要45亿年。可见，所谓“无限时间”只是一个相对的概念。
11.2.2.3的平均预期寿命
在实际工作中，平均寿命τ也被用来表示放射性核素的衰变率。平均寿命是指核素在其原子核衰变之前的平均存活时间。
假设有-dN个原子核在t到t+dt的时间间隔内衰变，它们已经存活了t个时间。因此，它们的总寿命如下:（11.2-5）和（11.2-6）。
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因为核衰变需要无限长的时间才能结束，所以N 0个原子核的总寿命为。根据预期寿命的定义，有
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可以看出，平均寿命是衰变常数的倒数。平均寿命和半衰期之间的关系是
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放射性衰变的统计分布
11.2.3.1放射性衰变的统计起伏
放射性衰变的基本规律可以通过精确的实验来证明，但前提条件必须是无限数量的原子核。一般来说，即使所有条件都是稳定的，在重复测量中测得的结果也不会完全相同，甚至会有很大差异。可以看出，同一放射性样品在同一时间间隔内的衰变计数并不完全相同，而是围绕一个平均值波动，这称为放射性衰变的统计波动。
放射性衰变的统计波动之所以会发生，是因为对于任何放射性样品来说，每个原子核的衰变都是由其自身的特性决定的，并且是孤立进行的，而不管其他原子核是否衰变。哪个原子核先衰变，哪个原子核后衰变，纯属偶然。因此，无论仪器和实验多么精密，测量过程中核衰变的波动都是不可避免的。
11.2.3.2放射性衰变的统计分布
放射性衰变的统计涨落规律可以用泊松分布来描述。设几个相等时间间隔内核衰变计数的平均值为，则计数N（N = 0，1，2，...）是。
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根据泊松分布的性质，核衰变计数的方差等于其平均值，即
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或均方误差
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其中m是相等时间间隔的数量，即测量次数。σ反映放射性衰变的波动，-N反映放射性衰变的浓度趋势。
当计数较大（≥20）时，放射性衰变的统计分布规律应表示为正态分布，即，
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因为n出现在期望值附近的概率高，所以均方误差高。
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可以证明，如果重复测量，数据出现在范围内的概率为68.27%。
统计起伏引起的观测数据差异称为统计误差，是核测量的主要误差来源。相对均方误差ε用于表示测量精度。然后有
图11-6天然放射性系列
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可以看出，计数n越大，相对误差ε越小。换句话说，提高测量精度的方法是进行足够的计数。当计数率（每单位时间的计数值）固定时，可以通过延长测量时间来增加计数，从而提高测量精度。
放射性元素的衰变过程
无论在东方还是西方，都有一大批人在追求“点石成金”的艺术。他们想把一些普通矿石变成黄金。当然，这些炼金术士的希望全都破灭了，因为他们不知道一种物质变成另一种物质的根本变化在于原子核的变化。然而，类似“点石成金”的事情在自然界一直在进行，这就是伴随着自然辐射的“衰变”。
核蜕变
原子核释放α粒子或β粒子。随着核电荷的变化，它在元素周期表中的位置也发生变化，成为另一种原子核。我们称这种变化为原子核的衰变。铀-238释放一个α粒子后，原子核的质量数减少4，电荷数减少2，这被称为新原子核。这个新的原子核是钍-234。这种衰变被称为阿尔法衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示:23892U→23490Th+42He。在这个衰变过程中，衰变前的质量等于衰变后的质量之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。
大量观测表明，原子核衰变时电荷数和质量数是守恒的。α粒子中新核的质量数与原始新核的质量数有什么关系？23892U的α衰变产生23490Th，相对于元素周期表中原核的位置具有放射性，可以释放一个β粒子as 23491Pa（镨）。由于电子的质量远小于原子核的质量，我们可以认为电子的质量为零，电荷数为-1，电子可以表示为0-1e。这样，原子核释放一个电子后，由于其衰变前后电荷数和质量数守恒，新原子核的质量数不会改变但其电荷数会增加1。其衰变方程为:23490Th→23491Pa+0-1e。释放β粒子的衰变称为β衰变。β衰变的本质是原子核中的中子数（10n）转化为一个质子和一个电子。变换方程为10n→11H+0-1e，这种变换产生的电子发射到原子核外，即β粒子；与此同时，新原子核失去了一个中子，但获得了一个质子。因此，新原子核的质量数保持不变，而电荷数增加1。两个中子和两个质子可以非常紧密地结合在一起，因此在一定条件下，它们将从一个更大的原子核中整体弹出，因此放射性元素将发生α衰变。
原子核的能量和原子的能量是一样的，它的变化是不连续的，所以只能取一系列不连续的值，所以它也有能级，能级越低越稳定。当放射性原子核发生α衰变和β衰变时，原子核中所含的能量往往被释放出来，从而使新原子核处于高能级。此时，它将跳到一个低能级，能量将以伽马光子的形式辐射出去。所以伽马射线经常伴随着阿尔法射线和贝塔射线。当放射性物质连续衰变时，一些原子核发生α衰变，而另一些原子核发生β衰变，并伴有γ辐射。此时放射性物质发出的辐射会有α、β、γ三种射线。
半衰期
放射性同位素的衰变率有一定的规律。例如，氡-222通过α衰变为钋-218。如果定期测量氡的数量级，会发现每3.8天就有一半的氡衰变。也就是说，在第一个3.8天后，有一半的氡残留，在第二个3.8天后，有四分之一的氡残留；3.8天后，仍有1/8的氡残留（图19.2-3）...因此，我们可以用半衰期来表示放射性元素的衰变率。放射性元素半数原子核衰变所需的时间称为该元素的半衰期。不同的放射性元素有不同的半衰期，甚至差别很大。例如，氡-222在3.8天内衰变为钋-218，镭-226在1620年衰变为氡-222，铀-238衰变为钍-234，半衰期为45亿年。衰变是原子核在微观世界中的行为，而微观世界定律的特点之一是“单个微观世界是不可预测的”，即对于特定的氡原子，我们只知道它的衰变概率，但不知道它何时衰变。特定的氡核可能在接下来的1秒内、10分钟内或200万年后再次衰变。然而，量子理论可以从统计上预测大量原子核的行为。例如，对于大量氡核，可以准确预测每个氡核的百分之几在1秒、10分钟或200万年后不会衰变。放射性元素的半衰期描述了这样一个统计规律。放射性元素的衰变率由原子核的内部因素决定，与原子的化学状态和原子核的外部条件无关。一种放射性元素，无论是以单质形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对其施加压力或提高其温度，都不能改变其半衰期。这是因为压力、温度和其他元素的组合不会影响原子核的结构。
放射性元素衰变的介绍到此为止。感谢您花时间阅读本网站的内容。别忘了在这个网站上找到更多关于放射性元素衰变、教学反射和放射性元素衰变的信息。
