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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(dòng)力。許多化學(xué)家都希望能從這類(lèi)礦物中得到新的發(fā)現(xiàn),新發(fā)現(xiàn)也確實(shí)接踵而來(lái)。

    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(shí)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(wèn),它們與鈾或釷之間究竟有什么關(guān)系呢?

    要解決這個(gè)問(wèn)題,首先要弄清楚放射性現(xiàn)象的本質(zhì)是什么。事實(shí)上,在探索新放射性元素的同時(shí),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(kāi)展著。

    英國(guó)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(xiàn)不是單一的,而可以分出帶正電荷的α射線(xiàn)和帶負(fù)電荷的β射線(xiàn),前者穿透性較弱,后者穿透性較強(qiáng)。后來(lái)又分出一種穿透性很強(qiáng)的不帶電荷的γ射線(xiàn)。如果讓射線(xiàn)通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng),那么這三種射線(xiàn)就分得一清二楚了:偏轉(zhuǎn)角度很大的是β射線(xiàn);偏向另一方、偏轉(zhuǎn)角度較小的是α射線(xiàn);不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是γ射線(xiàn)。

    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(shí),盧瑟福和索迪于1902年提出了一個(gè)大膽的假說(shuō)。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(gè)假說(shuō)很快就得到了證實(shí)。1903年,索迪等做了一個(gè)實(shí)驗(yàn):將氡焊封在細(xì)頸玻璃管內(nèi),然后用光譜法測(cè)量。他們觀測(cè)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(lái)了,它動(dòng)搖了多少世紀(jì)以來(lái)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(huì)衰變成另一種元素的原子,但如果進(jìn)一步問(wèn),究竟衰變成了什么元素的原子呢?衰變理論并沒(méi)有給出答案。十年以后建立了位移律,終于回答了這個(gè)問(wèn)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(chēng)為母體,把衰變后生成的物質(zhì)稱(chēng)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(jià)總是減少二價(jià),例如六價(jià)的鈾變成了四價(jià)的鈾X,四價(jià)的釷變成了二價(jià)的介釷I,二價(jià)的鐳變成了零價(jià)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(shí),生成的子體是周期表中向左移兩格的那個(gè)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(shí),生成的子體是周期表中向右移一格的那個(gè)元素的原子。這兩條規(guī)則合起來(lái)就是通常所說(shuō)的位移律,它把衰變時(shí)放出的射線(xiàn)的性質(zhì)和原子發(fā)生的變化有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)了。

    在這段時(shí)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(wú)法把它們分開(kāi)。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(shì)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(lèi)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(gè)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(gè)放射性衰變系列。

    為了便于討論,我們?cè)谶@里先把原子核和射線(xiàn)方面的有關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)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(gè)負(fù)電荷,質(zhì)于帶1個(gè)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(jì)。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(xiàn)又稱(chēng)α粒子,它是氦原子核,由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成,質(zhì)量數(shù)為4,帶2個(gè)正電荷。β射線(xiàn)又稱(chēng)β粒子,它是電子,帶1個(gè)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(gè)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(gè)電子,那就是相當(dāng)于核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變成了一個(gè)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(shí)間,稱(chēng)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(zhǎng),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(zhǎng),達(dá)140億年,正是由于這個(gè)緣故,才使它們得以在地球上留存。

    不過(guò),放射系中其它成員的半衰期要短得多。最長(zhǎng)的不過(guò)幾十萬(wàn)年;最短的還不到百萬(wàn)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(gè)成員都不但會(huì)衰變掉,而且同時(shí)也會(huì)由于上一個(gè)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(huì)消失。這就象水庫(kù)里的水不會(huì)枯竭一樣:水庫(kù)里的水不斷流出去,同時(shí)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(shí),即各成員之間的比值保持恒定不變時(shí),我們就把這種狀態(tài)稱(chēng)為放射性平衡。

    鈾和釷兩個(gè)放射系已經(jīng)滿(mǎn)意地建立起來(lái)了,許多放射物質(zhì)與鈾、釷伴生,確實(shí)是不無(wú)道理的,原來(lái)它們都是始祖元素鈾或釷的子孫后代?墒菃(wèn)題并沒(méi)有完全解決,錒在鈾礦中的存在一直是一個(gè)不夠清楚的問(wèn)題。

    經(jīng)初步測(cè)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(gè)長(zhǎng)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(gè)恒定的比值。由此看來(lái),錒象是鈾的后代。

    但情況又不盡然。測(cè)量結(jié)果表明,作為鈾的后代的鐳,它與鈾平衡時(shí)的放射性強(qiáng)度,遠(yuǎn)比錒(或錒的任一后代)與鈾平衡時(shí)的放射性強(qiáng)度來(lái)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(shí),1906年盧瑟福提出了如下的假說(shuō):錒及其后代(稱(chēng)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(shí)。

    后面我們將看到,盧瑟福的這個(gè)假說(shuō)是錯(cuò)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(shí)得到了光輝的證實(shí)。

    1917年皮卡德提出,錒放射系與鈾放射系可能根本無(wú)關(guān),它的始祖是鈾的另一個(gè)長(zhǎng)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(shuō)的論據(jù)有兩個(gè):

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

    (2)鈾的原子量為238.14(這里的原子量數(shù)值均為當(dāng)時(shí)的測(cè)定值),鐳的原子量為225.97,兩者相差12.17。而根據(jù)位移律來(lái)計(jì)算,鐳是由鈾放出三個(gè)α粒子變來(lái)的,那么三個(gè)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(gè)質(zhì)量數(shù)更大的同位素的緣故。皮卡德將這個(gè)假定的鈾同位素稱(chēng)為錒鈾(AcU)。

    盧瑟福和皮卡德假說(shuō)之間的取舍,按理是可以通過(guò)錒放射系成員原子量的測(cè)定來(lái)決定的。可是由于錒放射系的放射性?xún)H為鈾放射系的3%,且各個(gè)成員的半衰期均很短,因此測(cè)定原子量困難很大。錒的前身鏷發(fā)現(xiàn)以后,測(cè)定鏷原子量應(yīng)該是可能的,因?yàn)樗阝櫟V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(gè)問(wèn)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(cè)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(cè)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(shí)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(jiàn),指出錒放射系應(yīng)該是獨(dú)立的。

    皮卡德的假說(shuō)獲得了證實(shí)?墒撬募僬f(shuō)所依賴(lài)的根據(jù)是很不充分的。首先,鈾并沒(méi)有更重的天然同位素;其次,α射線(xiàn)的能量和半衰期之間的關(guān)系在當(dāng)時(shí)也沒(méi)有足夠的精確度可以進(jìn)行上述論證。

    這一過(guò)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(shí)根據(jù)或理論根據(jù),從而提出一些假說(shuō),這樣當(dāng)然會(huì)使假說(shuō)最終被證實(shí)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(shí)所知道的事實(shí)沒(méi)有矛盾,仍然應(yīng)該說(shuō)是

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    產(chǎn)品名稱(chēng):REN800A型中子、X、γ輻射周?chē)鷦┝慨?dāng)量(率)儀

    產(chǎn)品描述:REN800A型中子、X、γ輻射周?chē)鷦┝慨?dāng)量(率)儀內(nèi)置一個(gè)進(jìn)口He-3管和一個(gè)GM管作為探測(cè)器,能同時(shí)檢測(cè)中子和X、γ射線(xiàn)。該儀器使用方便;靈敏度高、抗γ性能好、能量響應(yīng)特性好。此外通過(guò)配套的RenRiRate輻射劑量管理軟件可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出后分析。該儀器適用于環(huán)保、化工、石油、醫(yī)療、進(jìn)出口商檢

  • REN500A型環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能率儀

    產(chǎn)品名稱(chēng):REN500A型環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能率儀

    產(chǎn)品描述:     REN500A型環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能率儀(又叫 智能化х、γ輻射儀)采用高靈敏的閃爍晶體作為探測(cè)器,反應(yīng)速度快,該儀器具有較寬的劑量率測(cè)量范圍。 該儀器除能測(cè)高能、低能γ射線(xiàn)外,還能對(duì)低能X射線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量,具有良好的能量響應(yīng)特性。此外