放射性元素及其衰变规律

到目前为止，已经发现110种化学元素，它们构成了物质世界。其中有94种（从最 轻的氢直到重元素钚）是自然存在的。其余的都是用人工方法在实验室制造出来的。世界 上任一化学元素都是由具有相同核电荷的同一种原子所组成；原子又是由原子核及围绕其 运动的壳层电子组成；而原子核又是由不带电的中子和带正电荷的质子组成。如用化学符 号表示元素的原子核时，可写成 。其中X是元素的符号，A为核内的总核子数，Z表 示该原子核的质子数，如氦原子核记为 。具有一定质子数和中子数的一种原子（或原 子核），称为核素。同一元素质子数Z相同而中子数N不同的核素称为“同位素”。在自 然界中，凡是原子序数大于83，质量数大于209的同位素都是放射性元素或放射性成因 元素（尚有一些较轻元素的同位素也是放射性元素）。放射性元素是指某些元素的原子核 在不受外界条件的影响下，能够自发地变成另一种元素的原子核，同时放射出α，β，γ射 线，这种现象称为放射性衰变。发生衰变的元素称为衰变母体（或称母元素），衰变过程 中所产生的新元素称为衰变子体（或称子元素），发射的α，β，γ射线称为放射线。其中α 射线是带正电的，初速度约为每秒2万千米的粒子流，实际上是一种氦核42He流，α射线 穿透能力较弱，一张纸或者0.004～0.005cm厚的铝箔就能挡住。β射线是带负电的、初 速度达到每秒20万千米以上的电子流，且穿透能力较强，需要用0.5～0.6cm厚的铝板 才能挡住，可见β射线的穿透能力比α射线高出约100倍；γ射线是波长极短的电磁辐射，即光子流，在三种射线中它具有最强的穿透力，它的穿透能力胜过β射线约100倍。如果 想挡住γ射线，需要用50～60cm的铝板。在岩石和覆盖层中，γ射线一般能透过0.5～ 1m；β射线透过几个毫米；而α射线只能穿透30μm。放射性勘探的基本方法——γ测量 法，就是利用γ射线穿透能力强的特点。

如上所述，放射性衰变是原子核的固有特征，不受外界条件变化的影响，对于大量的原子而言，在t到t＋dt时间内，其核的衰变率 与当时的原子总数N成正比，可用 下式表示：

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写成等式为

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式中负号表示衰变过程中原子数不断减少。λ为衰变常数，其数值随各种放射性元素而异。λ愈大，放射性元素衰变得越快。对式（5-1）积分，并令t＝0时，原子数为N₀，得

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式（5-2）表示放射性核素的衰变规律。这是一个统计规律，其含义是，衰变过程中，原子数是按指数规律而减少的。

实践中人们还常引用半衰期来表征核素衰减的快慢。半衰期常用符号T1/2来表示，其含义是，核素的原子数衰减到原来数目的一半所需要的时间。由式（5-2）不难导出T_1/2 与λ之间的关系式为

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上式表明，核素的T_1/2愈大，衰变的愈慢。通常认为，现存的原子数为衰变起始时原子总数的千分之一时，就被认为是衰变完了。容易算出，一定量的某核素全部衰变完了所 经历的时间，约为其子体核素半衰期的10倍。