放射性衰变的种类和特征

放射性衰变的种类和特征

放射性衰变(decay)是指某一特定能态的核素从该能态上的自发核跃迁。这种跃迁总是以发射粒子(射线)的形式释放出能量。衰变前后的核分别称为母核(或母体)和子核(或子体)

1．α衰变。放射性核素(的原子核)自发发射出一个α粒子转变成另一个核素的过程称为α衰变，它的变化式是：

其中X，A和Z分别表示初始(母)核素，它的原子质量数及原子序数。Y表示终止(子)核素，α粒子是由两个中子和两个质子组成，即氦的原子核，因此也可写成。衰变产生的终核原子序数比初始核少2，原子质量数则少4。α衰变发射出的α粒子的能量不是连续的，而是一组或几组单能粒子，一般只是重核素才会产生α衰变。

2．β－衰变。β衰变有三种形式。第一种形式是：

，即放射性核素X的原子核发射出一个负电子和一个反中微子，形成一个比初始核原子序数大1的终核，这一过程称为负β衰变；

第二种形式是：

即初始核X发射一个正电子和一个中微子，这一过程称为正β衰变；

第三种形式是：

即原子核从核外电子壳层吸收一个电子并放出一个中微子，形成一个比初始原子序数小1的终核，这一过程称为电子俘获。这三种形式的原子质量数都不变，无论是正β衰变还是负β衰变，对于某给定的核素，它发射出的正电子或负电子的能量分布是连续的，但都有一个固定的能量上限。在电子俘获过程中，原子核吸收核外电子壳的内层电子以后，内层电子的空穴由外层电子补充，这时就释放出特征X射线。

3．γ射线。放射性核素经β或α衰变后，不一定进入终(子)核的基态，在多数情况下是进入激发态，然后以发射光子的方式退激到基态。这一过程发射的光子称为γ射线。由于衰变后进入激发态的能级不同，发射的γ线能量也不同。在β衰变情况下，有时由激发态经过另一个(或一个以上)较低能级才退到基态，这时每次衰变就伴随有两个(或两个以上)的γ射线。后两种情况都造成衰变伴随的γ射线能谱有相应的几组能量。

4．内转换电子及俄歇(Auger)电子。放射性衰变后处于激发态的子核素，除以发射γ射线的形式释放出能量外，还有另一种释放出能量的形式，即将能量传给原子内层轨道电子，这一过程称为内转换，由此过程发射出的电子称为内转换电子。和电子俘获过程一样，原子的内层轨道电子的空位由外层电子补充而发射出特征X射线。俄歇电子和内转换电子很相似，差别在于是原子的激发能量直接传给原子的外层轨道释放出来的电子。

5．同质异能态。放射性衰变后处于激发态的子核有时不是立即而是处于一种亚稳态，经过相当一段时间才跃迁到它的基态，因此它也存在着明显的放射性。这种由激发态的子核经延迟退激到较低能态的同一核素的跃迁，称为同质异能跃迁。处于不同能态的同一种核素称为同质异能素或同质异能核素。这种处于亚稳态的子核核素常常在其符号的原子质量数后面加一英文字母m，例如99Mo衰变至处于0.143MeV能级的亚稳态的99Te，它可存在数小时，记为99mTC，在同质异能素衰变为放射性子体的情况下，有时也用g表示其子体的基态，例如，81gKr是81mKr的放射性子体。

6.核裂变。重核分裂成两个或几个中等质量的碎片，同时发射出中子和能量的过程称为原子核裂变。自发裂变是在没有外来粒子轰击的情形下自行发生的核裂变，它同样可用半衰期来衡量裂变发生的难易程度。自然界的自发裂变仅见于铀和钍的同位素。比较α衰变，铀和钍的自发裂变的分支比很小，几乎可以忽略。

诱发裂变是指原子核在外来粒子轰击下发生的裂变。用各种粒子（中子、质子、γ射线等）轰击铀和钍的同位素都可以导致诱发裂变。

7．衰变纲图。放射性核素的衰变方式常用衰变纲图来表示。典型的衰变纲图，通常包括以下三方面内容：①衰变时发射出的粒子（或射线）的种类及其能量和强度；②γ跃迁的多极性；③从对衰变过程的研究中获得的关于母核和子核结构的知识，即衰变所涉及的各能级的能量、自旋和宇称（见原子核的能级）。

衰变纲图中一般以横线表示核能级，最上的粗横线表示母核的基态，最下的粗横线表示子核的基态，中间的横线表示子核的激发态，其中一条中等粗细的线（自旋宇称为11－/2）表示半衰期较长的激发态，即同质异能态（见同质异能素）。以向右斜的箭头表示β－衰变，向左斜的箭头表示β+衰变或轨道电子俘获；以向左斜的双线箭头表示α衰变；以竖直的箭头表示从子核较高的激发态到较低的激发态或子核基态的γ跃迁。把能量、半衰期、γ跃迁的多极性、自旋、宇称等数据记在相应的位置。以下仅举两个核素的衰变纲图为例说明

放射性核表衰变纲图

图中(a)呈的衰变纲图它的半衰期为2．695d，子核为。带箭头的斜线表示198Au发射的三种能量的β射线，图中注出了各分支β射线的能量Eβ和分支比Iβ。带箭头的向下直线为γ射线，数字表示它们以KeV表示的能量，百分符号表示该分支发射的几率，在411KeV能级还有约4%的几率发射内转换电子。图(b)是的衰变纲图。半衰期为 3.89h，子核为。它的衰变方式可以是电子俘获(图中用EC表示)或发射β+粒子。图中注有分支的几率和β+射线的能量。由于子体核素的原子序数比母体原子序数小1，所以斜线箭头向左指。

8．放射性衰变系，有些原子核衰变后的子核不是稳定核素，它的子体，甚至子体的子体也是不稳定核素，这样就产生一代一代的连续衰变，直至最后一代为稳定的核素为止。这种几代同时长期存在的放射性核素称为放射性衰变系。显然，第一代母体的半衰期(见10.2.2节)必须较长，否则它就不可能与其后的子体共存。人们在发现放射性以后不久便知道了自然界中存在的三个放射性衰变系，即钍系、铀系和锕系，后来又发现了用人工产生的放射性衰变系镎系，由于它的半衰期比地球的寿命短得多，所以在地球中已不复存在。钍系第一代成员为232Th，半衰期为1.4×104年，由于它及各代子体的原子量均为4的倍数，所以称为4n系。镎系第一代成员为，半衰期为2.2×106年，它及各代子体均为4的倍数加1，所以称为4n+1系。同样，称铀系和锕系分别为4n+2和4n+3系，它们第一代成员和的半衰期分别为4.9×108年和7.1×108年。

放射性同位素的衰变和裂变的速度是不依赖于外界条件而恒定地进行着。但对单个原子，究竟何时发生衰变则无法预测。对大量的放射性原子核，可以从统计意义上确定其整个原子数量是如何随时间而发生变化的。