辐射防护基础物理知识（2）

放射性同位素的基础知识 —、同位素 1.核素(nuclide)在其核内具有一定数目的中子和质子以及特定的能态的一种原子称为核素。例如¹⁰⁰44Ru,¹⁰⁰45Rh是独立的两种核素,它们有相同的质量数而原子核内含有不同的质子数;¹⁰⁴44Ru,¹⁰⁵45Rh是独立的两种核素,它们的原子核内含有不同的质子数和相同的中子数,⁶⁰27CO,^60m27Co是独立的两种核素;它们的原子核内含有相同的质子数和中子数而核所处的能态是不同的。 2.同位素(isotope)和同位素丰度 同位素实际上就是Z相同而A不同的各核素的总称。同位是指各核素在元素周期表中处于同一个位置,它们具有相同的化学性质。例如,氢同位素有三种¹H、²H、³H。它们的原子核分别称为氢核(P)、氘核(D)和氚核(T),而它们的原子分别 取名为氢、氘、氚。对某一种Z、N 一定的原子核或原子只能叫做核素而不能称同位素。例如,猛、铍、氟、铝等在天然条件下,只存在一种核素,称为单一核素而不能说它们只有一种同位素。同位素中各核素天然含量的百分比称为同位素丰度。例如天然存在的氧同位素有三种:¹⁶O、¹⁷O。、¹⁸O,它们的同位素丰度分别为99.756%,0.39%,0.205%。 3.同中子异荷素(isotones) N相同而Z不同的核素称为同中子异荷素。 4.同量异位素(isobars) A相同、Z不同的核素称为同量异位素。例如,⁹⁰Sr和 ⁹⁰Y;⁹⁵Zr和⁹⁵Nb等。 5.同质异能素(isomer)半衰期较长的激发态原子核称为基态原子核的同质异能素或同核异能素。它们的A和Z均相同只是能量状态不同。一般在质量数A后面加上字母m表示这种核素的原子核处于高能态。例如,^87m88Sr,半衰期为2.8h,称为⁸⁷88Sr的同质异能素。同质异能素所处的能态,又称做同质异能态。它与激发态在本质上并无区别,只是半衰期较长。6.偶偶核(e-e核)、奇奇核(0-0核)及奇A核 Z和N都是偶数的核称为偶偶核,如⁴2He、⁴⁶20Ca₂₆等。Z和N都是奇数的核称为奇奇核,例如,⁶3Li_3、²²_15P17等。以上两种核的A都是偶数。A是奇数的原子核特称为奇A核。它又可分为两类:Z偶N奇的核称偶奇核(e-o核),¹³6C₇等;而Z奇N偶的核称为奇偶核(o- e核),如³⁵17Cl₁₈等。 二、稳定和不稳定同位素核反应后的产物有很多是稳定的同位素,例如⁷Li(a,n)¹⁰B,硼-10就是稳定的。但是有更多的产物是不稳定的同位素,例如,⁶³Cu(a,p),"u;¹²C(p,γ),¹³N;⁶⁴cu;¹³N都是不稳定的同位素,它们将自发地衰变成其他同位素。不稳定的同位素又称放射性同位素。应用核反应方法产生的特称为人工放射性同位素,以区别于在自然界中存在的天然放射性同位素。所谓稳定同位素是指核结构不会自发的发生改变的同位素;而不稳定的同位素则与此相反,即使不受到外在原因的作用,核的结构 也会自发的产生变化。在这变化过程中,核将放射出a射线(氦核)、或β射线(即电子)、或γ射线(一种高能量的电磁波)、或β⁺射线(即正电子),或者在核外俘获一个绕行电子。这些现象统称为核衰变。原子序数在83以下的每种元素都有一个或几个稳定同位素(⁴³T_e和⁶¹P_m除外)。原子序数在83以上的元素(包括Z=83)则只有放射性同位素。稳定的同位素有274种。原子序数大于83的天然同位素分成三个放射性系。原子序数在83以下的天然放射性同位素为数不多,它们的半衰期大都是很长的,因此很难测量。人工放射性同位素是应用加速器或反应堆制造岀来的同位素,有某些是从铀或钚的裂变产物里分离出来的。由于人工制造同位素方法的开展,目前同位素的总数已经超过1000种。

放射性

一、放射性衰变的主要类型放射性一原子核的自发转换,并随之引起本身物理及化学性质的改变,根据转换的型式,放射性过程可以分为五类。放射性同位素的衰变是多种多样的。有α衰变,β衰变,β⁺衰变或电子俘获,γ衰变等。此外还有为数不多的别种衰变,如自裂变和缓发中子等。下面将分别加以讨论。(-)α衰变从放射性同位素的核放射出来的α粒子实际上就是氦原子核⁴2He),它的质量和氦核相等,即m_a=4.002775原子质量单位,而且也由2个质子和2个中子组成,带着2e正电荷。凡是α衰变的放射性同位素的衰变之后,它的原子质量数A降低了 4个单位,原子序数Z降低了 2个单位。作α衰变的天然放射性绝大部分是属于原子序数大于82的同位素,²²⁶88Ra;²¹⁰84Po等。(二)β衰变从放射性同位素放射出来的β粒子的质量等于0.000549原子质量单位(0.511MeV),并带着-个单位e的负电荷。所以事实上它就是电子。因为β粒子的质量和核的质量比起来要小得多,所以作β衰变的母体和子体的原子质量数A是相同的,但子体的原子序数Z却比母体提高了一个单位。从核衰变放射出来的β粒子在被物质阻止之后,就成为自由电子,和一般的电子没有什么不同。但是为了区别起见,通常称从核里出来的电子为β粒子或β射线。许多β衰变的放射性同位素只放射β粒子,而没有伴随其它的射线,如¹⁴6C、³²15P、³⁵16s等。但是有更多的β衰变放射性同位素常常伴有γ射线,这样的放射性同位素有的只有一组β粒子,即只有一个Eo值。例如,钻-60衰变时,除了放射出β粒子(Eo = O. 306MeV)外,还放射两种γ射线(Eγ=L17MeV和1.33MeV)。有些同位素的衰变不只有一种方式,因而就有两组或两组以上的β粒子。例如铯-137衰变时,有一部分(占8%)直接跃迁至钡-137的基级,而放射出最大能量为1.18MeV的β射线;另一部分(占92 %)则跃迁至钡-137的激发能级,而放射出最大能量为0.523MeV的β射线,然后再跃迁至其基级而放射出能量为0.661MeV的 γ射线。有的放射性同位素的β粒子多至四组、五组,例如傢-72、碘-131、铯-134、镎- 239等都是。(三)γ衰变γ射线是一种电磁辐射,不过是从原子核内放射出来的,而且波长也比较短(波长从10^-8cm至10^-11cm)。它的性质和X射线十分相似。现在应用几MeV~几百MeV的电子加速器来产生X射线,可以得到比γ射线波长还短得多的电磁辐射。从核衰变所得到的γ射线通常是伴随a射线、β射线或其他射线一起产生的。作电子俘获的核衰变,有的也伴有γ射线。γ 射线是核从它的激发能级跃迁至基级时的产物。这种跃迁对于核的原子序数和原子质量数都没有影响,所以称为同质异能跃迁。当母体放射β粒子(或其他粒子)而跃迁到子体的激发能级时,它处在激发态的时间十分短暂(一般～10^-13s),差不多马上就跃迁到基级而放出γ 射线来。在这样的过程中,β粒子和γ 射线虽然是两个阶级的衰变,但很难把它们分开而测出它们个别的衰变半衰期。和!和β不同,γ射线的能量是单色的,它的大小差不多等于两个能级之差。可是一个核衰变可能不止放出一组γ射线,因此就有两组或两组以上能量不同的 γ 射线存在。例如,每一个钻-60核衰变放射出两个γ射线。放射γ射线的核衰变还可以以发射内转换电子的方式从激发态回到较低的激发态或基态,而不必放射出γ射线。所谓内转换电子就是指向外发射核外的绕行电子,主是K电子,也有L电子或其他轨道上的电子。内转换电子的能量Ee是单色的,因此和β射线的连续能谱有着极大的区别。若令△E代表核跃迁前后两个能级的能量差,∈_i代表轨道电子的结合能,则有Ee =△ M(i = K,L,M…) (1-1)通过内转换电子能量E_e的测定,可以很精确地确定△E或E的值。放射γ射线和内转换电子是核从激发能级跃迁至较低的激发能级或基级的两种可能方式。通常用内转换系数α来表示内转换电子所占的比例:这里N₀代表内转换电子总数的多少(包括K, L,…电子);N_γ代表γ射线的多少。内转换系数的值随着不同的放射性同位素而异。它,的变化范围从零至100% .(四)β⁺衰变β粒子又称正电子或阳电子,是一种质量和电子相等,但带着1e单位正电荷的粒子。作β⁺衰变的放射性可以看成是由于核里的一个质子转变成为中子而放出β⁺粒子和中微子的结果.β⁺衰变的子体和母体具有相同的原子质量数A,但是原子序数Z则降低了一位。如同β粒子一样,β⁺的能谱也是连续的。β⁺粒子在吸收体中的射程和β的射程略有不同,但是一般近似的计算可以把它们看成是相同的。β⁺粒子被物质阻止住而丧失了动能时,它将和物质中的电子相结合而把两个正负电子的静止质量能转化为电磁辐射,此时两个正负电子的静止质量全部亏损,转化的电磁辐射则称为光化辐射。光子辐射可以是一个光子、两个光子或三个光子,其中以两个光子最为普遍。因为每个电子的静止质量为0.511MeV,所以产生两个光子的光化辐射,它的每个光子的能量应为0.511MeV,探测这个能量的射线存在与否,常常可以判断是否有β⁺衰变产生。(五)电子俘获所谓电子俘获是指核俘获了一个绕行电子而使核里的一个质子转变成中子和中微子。因为K壳层最靠近核,K电子被俘获的几率比其他壳层电子被俘获的几率大,所以这样的衰变有时称做K电子俘获。整个系统的电子数目在衰变前后并无增减,只是俘获电子时,必需消耗了相当于电子结合能的能量。这里应该提出,能满足产生β⁺衰变的条件,也就能满足产生电子俘获的条件,所以有许多种放射性同位素同时具有放射β⁺粒子和电子俘获的衰变。还有为数不多的放射性同位素既满足了β⁺衰变的条件,同时又满足了 β衰变的条件,这样的同位素(如¹⁰⁰47Ag,⁸⁰35Br,⁷⁴32As,⁶⁴29Cu,…等)都是同时具有放射β粒子、β⁺粒子和电子俘获的衰变的。作电子俘获的衰变,除了有几种同位素因子体处在激发状态而放射出β射线外,核并没有放射出任何易于探测的射线,可是它却是有次级放射能够得到探测。现以K电子俘获为例来说明次级放射的来源。当K电子被核俘获后,K壳层即少了一个电子。此时比K壳层能级更高的绕行电子(如L电子)有可能跃迁至K壳层来填充被俘获电子的空位,而将两壳层的能级差转变为X射线放射出来。也可以传给另一个L电子,使它成为自由电子而放射出来,即是所谓俄歇电子,它的能量是单一的。X射线和俄歇电子都是次级放射,而且是能够探测的。放射内转换电子的核衰变也同样地有X射线和俄歇电子。

二、放射性衰变规律

不稳定同位素的核将自发地发生变化而放射出某一种粒子(如α、 β、β⁺或γ 射线),这种现象称为核衰变(或核蜕变)。核衰变进行的速

度完全不能以外加因素(如温度、压力的改变等)加以改变;有的同位素衰变得很快,有的则很慢;它是个别放射性同位素的特性。衰变后的核有的是稳定的,有的是不稳定而继续衰变的。(一)衰变规律假定取一定量某种放射性同位素,并测量它在每一单位时间内所放射出来的粒子数n_i则可以发现n_i的数值随时间的增长而逐渐减少。这说明了一个事实:放射性同位素每一个核的衰变并不是同时发生的,而是有先有后的。精确的实验证明,在时间间隔为t到t+ △t内,衰变的数目△N是和△t及在该时候尚未衰变的总核数N成正比的,是一个比例常数,称为衰变常数。右边的负号表示N的值随t的增大而减小,也即△N是负的。若所取的时间间隔非常小,K为积分常数。假定当t=0时,未衰变核的总数为N₀,即N =N₀。代入上式测有K=lnN₀,所以上式可写成lnN=-t+1nN₀ 或 N = N₀e-这个式子示出,N的值按照时间的指数函而衰变。在实际应用时,对于未衰变的放射性核的数目N,我们并不感兴趣,我们所要知道的是在单位时间内有多少核发生衰变,亦即是放射性同位素的衰变率。此衰变率可以用测量伴随着核衰变而放射出来的射线的多少的方法来决定。(二)半衰期与平均寿命衰变常数它的物理意义就是在单位时间内每一个核的衰变几率。每一种放射性同位素都有它固定的衰变常数。数值大的放射性同位素衰变得快,小的则衰变甚慢。衰变常数的因次是S^-1,例如,钻-60的衰变常数为4.439X 10^-9s^-1,而银-108的衰变常数则为4. 734 X10^-3S^-1。除了衰变常数以外,通常用来表示放射性的特征的还有半衰期(又称半寿期),用符号Ti/2来代表。半衰期的定义是放射性原子数因衰变而减小到原来的一半时所需要的时间,即当t = Ti_/2时,半衰期是可以直接测量的,所以式(1 -6)可以用来求衰变常数之值。对于不同的放射性同位素,Ti/2的值变化相当大。