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放射性衰變系列-中子監(jiān)測儀,核輻射檢測儀,個人輻射劑量儀,固定式輻射報警儀,表面污染檢測儀,表面沾污監(jiān)測儀,核安全與輻射防護(hù)網(wǎng)_浙江_麗水

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技術(shù)文章

放射性衰變系列

2006/12/29 10:59:00

釙和鐳的發(fā)現(xiàn),給仔細(xì)考察放射性礦物的工作以巨大的推動力。許多化學(xué)家都希望能從這類礦物中得到新的發(fā)現(xiàn),新發(fā)現(xiàn)也確實接踵而來。

    1899年,德比爾納發(fā)現(xiàn)元素錒;1900年,多恩發(fā)現(xiàn)新惰性氣體氡;克魯克斯發(fā)現(xiàn)鈾X;1901年,德馬凱發(fā)現(xiàn)鑀(后證實是同位素釷230);1902年,盧瑟福和索迪發(fā)現(xiàn)釷X……。

    這許許多多的放射性物質(zhì),包括居里夫婦發(fā)現(xiàn)的釙和鐳在內(nèi),總是與鈾或釷一起存在于礦物之中,形影不離。這里不禁要問,它們與鈾或釷之間究竟有什么關(guān)系呢?

    要解決這個問題,首先要弄清楚放射性現(xiàn)象的本質(zhì)是什么。事實上,在探索新放射性元素的同時,揭露放射性現(xiàn)象本質(zhì)的工作也在相輔相成、緊張而有成效地開展著。

    英國物理學(xué)家盧瑟福在1899年就發(fā)現(xiàn),放射性物質(zhì)放出的射線不是單一的,而可以分出帶正電荷的α射線和帶負(fù)電荷的β射線,前者穿透性較弱,后者穿透性較強(qiáng)。后來又分出一種穿透性很強(qiáng)的不帶電荷的γ射線。如果讓射線通過磁場或電場,那么這三種射線就分得一清二楚了:偏轉(zhuǎn)角度很大的是β射線;偏向另一方、偏轉(zhuǎn)角度較小的是α射線;不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是γ射線。

    1900年,多恩在鐳制劑中發(fā)現(xiàn)惰性氣體氡,這是一件非同尋常的事。根據(jù)這一事實,盧瑟福和索迪于1902年提出了一個大膽的假說。他們認(rèn)為,放射性現(xiàn)象是一種元素的原子自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子的結(jié)果,這個假說很快就得到了證實。1903年,索迪等做了一個實驗:將氡焊封在細(xì)頸玻璃管內(nèi),然后用光譜法測量。他們觀測到管內(nèi)的氡不斷消失,而氦則逐漸增加。原子衰變理論就這樣建立起來了,它動搖了多少世紀(jì)以來作為經(jīng)典化學(xué)基石的“原子不可分、化學(xué)元素不可變”的觀念。

    衰變理論指出了一種放射性元素的原子會衰變成另一種元素的原子,但如果進(jìn)一步問,究竟衰變成了什么元素的原子呢?衰變理論并沒有給出答案。十年以后建立了位移律,終于回答了這個問題。

    在放射性物質(zhì)的研究工作中,通常把發(fā)生衰變的物質(zhì)稱為母體,把衰變后生成的物質(zhì)稱為子體。1908年,索迪歸納了大量α衰變母體及其子體的化學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)母體物質(zhì)發(fā)生α衰變后,其化學(xué)價總是減少二價,例如六價的鈾變成了四價的鈾X,四價的釷變成了二價的介釷I,二價的鐳變成了零價的惰性氣體氡等等。于是,他總結(jié)出一條規(guī)則:某一元素作α衰變時,生成的子體是周期表中向左移兩格的那個元素的原子。1913年,一些科學(xué)工作者又總結(jié)出另一條規(guī)則:某一元素作β衰變時,生成的子體是周期表中向右移一格的那個元素的原子。這兩條規(guī)則合起來就是通常所說的位移律,它把衰變時放出的射線的性質(zhì)和原子發(fā)生的變化有機(jī)地聯(lián)系起來了。

    在這段時間內(nèi),還發(fā)現(xiàn)某些不同的放射性物質(zhì),如鑀和釷、介釷I和鐳等,它們的性質(zhì)竟驚人地相似,如果偶爾把它們混在一起后,用化學(xué)方法就無法把它們分開。我們知道,不同的元素一般是可以用化學(xué)的方法分離的,不能用化學(xué)方法分離的一般是同一種元素。因此,勢必得出如下結(jié)論:它們雖是不同的放射性物質(zhì),但屬于同一種元素,于是提出了同位素的概念。所謂同位素就是化學(xué)性質(zhì)相同的一類原子,它們的原子量不同,但原子序數(shù)相同,在周期表中占據(jù)同一個位置。

    有了衰變理論、同位素概念和位移律,那許許多多已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的和進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)的放射性物質(zhì)之間的關(guān)系,就比較容易搞清楚了。很快就建立起了鈾和釷兩個放射性衰變系列。

    為了便于討論,我們在這里先把原子核和射線方面的有關(guān)知識簡要介紹一下。原子由原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成,原子核又由質(zhì)子和中子組成。電子帶1個負(fù)電荷,質(zhì)于帶1個正電荷,中子不帶電荷。核電荷數(shù)(即質(zhì)子數(shù))在數(shù)值上等于元素的原子序數(shù)。質(zhì)子的質(zhì)量數(shù)為1,中子的質(zhì)量數(shù)也為1,電子很輕很輕,其質(zhì)量一般忽略不計。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和就是原子核或原子的質(zhì)量數(shù)。α射線又稱α粒子,它是氦原子核,由兩個質(zhì)子和兩個中子組成,質(zhì)量數(shù)為4,帶2個正電荷。β射線又稱β粒子,它是電子,帶1個負(fù)電荷。如果原子發(fā)生α衰變,那就是從原子核內(nèi)放出一個α粒子,因此核電荷數(shù)(原子序數(shù))減少2,質(zhì)量數(shù)減少4;如果原子發(fā)生β衰變,放出一個電子,那就是相當(dāng)于核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變成了一個質(zhì)子,因此核電荷數(shù)增加1,質(zhì)量數(shù)不變。

    放射性原子不但按一定的衰變方式進(jìn)行衰變,而且衰變的速率也是一定的。某種放射性同位素衰變掉一半所需要的時間,稱為該放射性同位素的半衰期。放射系中,始祖同位素的半衰期很長,鈾-238的半衰期為45億年,這與地球的年齡大致相同。釷-232的半衰期更長,達(dá)140億年,正是由于這個緣故,才使它們得以在地球上留存。

    不過,放射系中其它成員的半衰期要短得多。最長的不過幾十萬年;最短的還不到百萬分之一秒。顯然,它們是不可能在地球上單獨(dú)存在的。但是,放射系中的每個成員都不但會衰變掉,而且同時也會由于上一個成員的衰變而得到補(bǔ)充,因此只要放射系的始祖元素存在,各中間成員也就決不會消失。這就象水庫里的水不會枯竭一樣:水庫里的水不斷流出去,同時又不斷由上游的河水得到補(bǔ)充。當(dāng)放射系中各中間成員衰變掉的量與生成的量相等時,即各成員之間的比值保持恒定不變時,我們就把這種狀態(tài)稱為放射性平衡。

    鈾和釷兩個放射系已經(jīng)滿意地建立起來了,許多放射物質(zhì)與鈾、釷伴生,確實是不無道理的,原來它們都是始祖元素鈾或釷的子孫后代?墒菃栴}并沒有完全解決,錒在鈾礦中的存在一直是一個不夠清楚的問題。

    經(jīng)初步測定,錒的半衰期為二、三十年。因此,它之所以能存在于自然界,必須依存于某一個長壽命的放射性同位素。另外,在含鈾量不同的鈾礦物中,錒量和鈾量之間總有一個恒定的比值。由此看來,錒象是鈾的后代。

    但情況又不盡然。測量結(jié)果表明,作為鈾的后代的鐳,它與鈾平衡時的放射性強(qiáng)度,遠(yuǎn)比錒(或錒的任一后代)與鈾平衡時的放射性強(qiáng)度來得大。兩者的比值約為97:3。因此錒不可能是鈾的主鏈成員。

    根據(jù)這一事實,1906年盧瑟福提出了如下的假說:錒及其后代(稱為錒放射系)可能是鈾放射系中某一成員的分支衰變產(chǎn)生的支系,即某一成員可能發(fā)生兩種形式的衰變(α衰變和β衰變),百分之九十七變成了鐳放射系(鐳及其后代),百分之三變成了錒放射系。這既符合衰變理論,又能解釋錒總以恒定的比值存在于鈾礦中這一事實。

    后面我們將看到,盧瑟福的這個假說是錯誤的。但是盧瑟福關(guān)于分支衰變的想法,卻在法揚(yáng)斯研究鐳C的放射性時得到了光輝的證實。

    1917年皮卡德提出,錒放射系與鈾放射系可能根本無關(guān),它的始祖是鈾的另一個長壽命同位素,因此錒放射系總能在鈾礦中發(fā)現(xiàn),而且與鈾放射系的放射性保持著某一恒定的比值。他認(rèn)為支持這一假說的論據(jù)有兩個:

    (1)按照蓋革·努塔爾經(jīng)驗定律,放射性同位素的α射線能量和半衰期之間存在著一定的關(guān)系,在雙對數(shù)固上表示成一些直線。鈾放射系和釷放射系各分屬一條直線,而錒放射系則為另一直線。如果錒放射系是鈾放射系的分支,則代表錒放射系的直線應(yīng)與代表鈾放射系的直線相重合,或在一端與鈾放射系的直線相交。事實上卻是錒放射系與鈾放射系為兩條平行的直線。

    (2)鈾的原子量為238.14(這里的原子量數(shù)值均為當(dāng)時的測定值),鐳的原子量為225.97,兩者相差12.17。而根據(jù)位移律來計算,鐳是由鈾放出三個α粒子變來的,那么三個α粒子的質(zhì)量總和僅為12.01。鈾原子量所以顯得較大,可能是由于其中存在一個質(zhì)量數(shù)更大的同位素的緣故。皮卡德將這個假定的鈾同位素稱為錒鈾(AcU)。

    盧瑟福和皮卡德假說之間的取舍,按理是可以通過錒放射系成員原子量的測定來決定的。可是由于錒放射系的放射性僅為鈾放射系的3%,且各個成員的半衰期均很短,因此測定原子量困難很大。錒的前身鏷發(fā)現(xiàn)以后,測定鏷原子量應(yīng)該是可能的,因為它在鈾礦中的含量可以與鐳相比擬。但是由于鏷的性質(zhì)怪癖,大量制取鏷一直未能成功。

    這個問題的解決應(yīng)該歸功于質(zhì)譜分析新技術(shù)的采用。1927年,阿斯頓用質(zhì)譜儀測定了普通鉛礦中各種鉛同位素含量的比值,得到的結(jié)果是鉛206:鉛207:鉛208=100:75:175。1929年,他又測定了某鈾礦物中各種鉛同位素含量的比值,得到的結(jié)果是鉛206:鉛207:鉛208=100:10.7:4.5,此比值與普通鉛礦顯著不同。

    當(dāng)時已經(jīng)知道,鈾放射系、釷放射系和錒放射系的最終衰變產(chǎn)物都是鉛。鉛206是鈾放射系的最終衰變產(chǎn)物,所以這一鈾礦物中鉛206的含量特別多。另外此鈾礦物中也含有釷,因此也應(yīng)該有較多的釷放射系最終衰變產(chǎn)物鉛208。但奇怪的是鉛208反而比鉛207少。

    由此得出的結(jié)論只能是:鉛207是由于鈾礦中另一放射性起源生成的,它自然應(yīng)該是錒放射系的最終衰變產(chǎn)物了。盧瑟福在阿斯頓的文章后面加了一條意見,指出錒放射系應(yīng)該是獨(dú)立的。

    皮卡德的假說獲得了證實。可是他的假說所依賴的根據(jù)是很不充分的。首先,鈾并沒有更重的天然同位素;其次,α射線的能量和半衰期之間的關(guān)系在當(dāng)時也沒有足夠的精確度可以進(jìn)行上述論證。

    這一過程表明,科學(xué)研究中大膽地假設(shè)是十分重要的。有了比較充分的事實根據(jù)或理論根據(jù),從而提出一些假說,這樣當(dāng)然會使假說最終被證實的可能性變大。但是如果根據(jù)蛛絲馬跡提出一些假設(shè),只要與當(dāng)時所知道的事實沒有矛盾,仍然應(yīng)該說是

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