核衰變

核衰變（nuclear decay），是原子核自發射出某種粒子而變為另一種核的過程。認識原子核的重要途徑之一。1896年法國科學家A.H.貝可勒爾研究含鈾礦物 質的螢光現象時，偶然發現鈾鹽能放射出穿透力很強可使照相底片感光的不可見射線，這就是衰變產生的射線。除了天然存在的放射性核素以外，還存在大量人工製造的其他放射性核素。放射性的類型除了放射α、β、γ粒子以外，還有放射正電子、質子、中子、中微子等粒子以及自發裂變、β緩發粒子等等。

基本介紹

• 中文名：核衰變
• 時間：1896年
• 國家：法國
• 研究者：A.H.貝可勒爾

發現

法國1896年科學家A.H.貝可勒爾研究含鈾礦物 質的螢光現象時，偶然發現鈾鹽能放射出穿透力很強可使照相底片感光的不可見射線。不久人們發現其他原子序數很高的重元素如釷、鐳等的鹽類也具有放射性。經過多年細緻研究，弄清楚這种放射性是鈾、釷、鐳等原子核的性質，與環境溫度以及所處的化學狀態無關；放射性放出的射線有3種：①α射線，具有最強的電離作用，穿透本領很小，在雲室中留下粗而短的徑跡。②β射線，電離作用較弱，穿透本領較強，雲室中的徑跡細而長。③γ射線，電離作用最弱，穿透本領最強，雲室中不留痕跡。進一步研究表明，α射線中放射的粒子是電荷數為2質量數為4的氦核He，β射線中放射的粒子是帶負電的電子，γ射線是波長很短的電磁波。不穩定的放射性核放射出射線後衰變為另一種核或衰變為能量較低的核，放射過程中遵從電荷守恆、質量數守恆和能量守恆。

延伸用途

放射性在許多學科的研究中都有重要套用。

α衰變（α-decay）

自發放射α粒子的核衰變過程。α粒子是電荷數為2、質量數為4的氦核嬆He。α衰變可一般地表示為AZX─→+嬆He，式中AZX為母核；為放射α粒子後剩餘的子核。根據母核、子核及氦核的靜質量，衰變過程發生質量虧損，Δm=mX-mY-mα>0，與此質量虧損相應的能量Δm·c2稱為衰變能，大約為Ω兆電子伏特(MeV)量級，其中98%以上是α粒子動能，只有不足2%表現為子核的反衝動能。實際上根據放射α粒子的動能測量，發現大部分核素放出的α粒子可分為能量具有不同確定值的幾群，例如Bi衰變成Tl共放出能量不同的六群α粒子，這說明子核具有離散的能級結構，能量最大的對應於Bi的基態躍遷到Tl的基態，其他的對應於躍遷到Tl的激發態，其中前者的相對強度較大；也有的核素可以從母核的不同能態躍遷到子核的基態，其特點是α粒子能量較低的躍遷較強。

不同核素α衰變的半衰期分布較廣，從1微秒(μs)到1017秒(s)，一般的規律是衰變能較大，則半衰期較短；反之，衰變能較小，則半衰期較長。衰變能的微小改變，引起半衰期的巨大變化。α衰變是量子力學隧道效應的結果，半衰期隨衰變能變化的規律可以根據隧道效應予以說明。計算表明，α粒子和子核的庫侖勢壘高達20MeV，α粒子的能量雖小於此值，但由於隧道效應，α粒子有一定的幾率穿透勢壘，跑出原子核。α粒子的能量越大，穿透勢壘的幾率越大，即衰變幾率越大，從而半衰期越短。由於能量因子出現在指數上，因而它的微小變化，引起半衰期的巨大變化。這是量子力學研究原子核的最早成就之一。

α衰變主要限於一些重核素。α衰變能譜的研究提供了核結構的信息。

β衰變（β-decay）

β　原子核自發耗散其過剩能量使核電荷改變一個單位而質量數不改變的核衰變過程。分為放出一個電子的β-衰變、放出一個正電子的β+衰變和俘獲一個軌道電子的軌道電子俘獲(EC)3種類型，

A2X→A2+1Y+e-+νe　(β-衰變)[注意：A2+1,2-1都在Y的左上和左下]

A2X→A2-1Y+e++νe　(β+衰變)[-+在e的右上方。e在v的右下方]

A2X+e-→A2-1Y+νe　(EC)[A2分別在X左上方和左下方]

式中X和Y分別代表母核和子核；A和Z是母核質量數和電荷數；e-、e+為電子和正電子，νe、νe為電子中微子和反電子中微子。三種類型釋放的衰變能分別為：

Qβ-=(mX-mY)c2[注意：xye都在m的右下]

Qβ+=(mX-mY-2me)c2[2在c右上，i在w右下]

QEC=(mX-mY)c2-wi[-+在q右上，貝塔ec在q右下]

式中mX、mY分別為母核原子和子核原子的靜質量；me為電子靜質量；wi為軌道電子結合能；c為真空光速。

軌道電子俘獲可俘獲K層電子，稱為K俘獲；也可以俘獲L層電子，稱為L俘獲。軌道電子俘獲所形成的子核原子由於缺少一個內層電子而處於激發態，可通過外層電子躍遷發射X射線標識譜或發射俄歇電子而退激。

最初以為β-衰變僅放出電子，實際測量發現，放出的電子能量從零到Qβ-連續分布，曾困惑物理學家多年。1930年W.E.泡利提出β-衰變放出e-的同時還放出一個靜質量為零、自旋為1/2的中性粒子，衰變能為電子和該粒子分享，該粒子後來被稱為中微子，1952年以後被實驗確鑿證實。

放射性核衰變的常見類型

科學研究表明，穩定性核素對核子總數有一定限度（一般為A≤209），而且中子數和質子數應保持一定的比例（一般為N/Z=1～1.5，也有個別例外）。任何含有過多核子或N/Z不適當的核素，都是不穩定的。A≥209的核素，即元素周期表中釙（Po）之後的所有元素的核素都具有放射性（釙之前的元素，有的核素也具有放射性），它們或是自發地放射出α射線（即He核），而轉變成A較小的新核；或是因核素的N/Z不適當，其核內的中子與質子會自發地相互轉變，從而改變N/Z的值，並同時放出一個β-（或β+）粒子。核素衰變後產生的新核幾乎都是處在激發態，這樣的核或是自發地放射出γ光子而轉變到基態或較低能態，或是繼續進行α衰變（或β衰變），直到變成一個穩定的核素為止。

放射性核衰變的類型有α衰變、β衰變和γ衰變三種，分別放出α射線、β射線和γ射線。

還應明確，不論是發生了上述的哪一種核衰變，其衰變過程都遵從電荷數守恆、質量數守恆和能量守恆。

可對放射性核衰變的常見類型歸納如下：

α衰變

放射性核素放射出α粒子後變成另一種核素。子核的電荷數比母核減少2，質量數比母核減少4。α粒子的特點是電離能力強，射程短，穿透能力較弱。

β衰變

β衰變又分β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲三種方式。

(1) β-衰變

放射出β-粒子（高速電子）的衰變。一般地，中子相對豐富的放射性核素常發生β-衰變。這可看作是母核中的一個中子轉變成一個質子的過程。

(2) β+衰變

放射出β+粒子（正電子）的衰變。一般地，中子相對缺乏的放射性核素常發生β+衰變。這可看作是母核中的一個質子轉變成一個中子的過程。

(3) 軌道電子俘獲

原子核俘獲一個K層或L層電子而衰變成核電荷數減少1，質量數不變的另一種原子核。由於K層最靠近核，所以K俘獲最易發生。在K俘獲發生時，必有外層電子去填補內層上的空位，並放射出具有子體特徵的標識X射線。這一能量也可能傳遞給更外層電子，使它成為自由電子發射出去，這個電子稱作“俄歇電子”。

γ衰變和內變換

(1) γ衰變

處於激發態的核，通過放射出γ射線而躍遷到基態或較低能態的現象。γ射線的穿透力很強。γ射線在醫學核物理技術等套用領域占有重要地位。

(2) 內變換

有時處於激發態的核可以不輻射γ射線回到基態或較低能態，而是將能量直接傳給一個核外電子（主要是K層電子），使該電子電離出去。這種現象稱為內變換，所放出的電子稱作內變換電子。