核化学:衰变、裂变与聚变
阿尔法、贝塔、伽马——三种经典衰变类型。半衰期问题、核反应方程式的配平,以及裂变(分裂重核)与聚变(合并轻核)的区别。此外还介绍放射性同位素在医学和年代测定中的应用。
三种经典衰变方式
某些原子核不稳定,会自发衰变并放出辐射。主要有三种类型:
| 类型 | 符号 | 本质 | 对母核的影响 |
|---|---|---|---|
| 阿尔法(α) | ⁴₂He | 氦-4 原子核(2p + 2n) | 质量 −4,原子序数 −2 |
| 贝塔(β⁻) | ⁰₋₁e | 高速电子 | 质量不变,原子序数 +1 |
| 伽马(γ) | γ | 高能光子 | 质量与原子序数都不变 |
贝塔衰变机制:一个中子转化为质子 + 放出的电子(贝塔粒子)。因此质量数保持不变(中子变质子,仍是 1 个核子),但原子序数增加 1。
穿透能力(由弱到强)
阿尔法 < 贝塔 < 伽马。
- 阿尔法:一张纸或皮肤即可阻挡
- 贝塔:铝箔或厚衣物可以阻挡
- 伽马:需要厚铅板或混凝土
但如果被吞入或吸入,阿尔法反而最危险,因为它把全部能量都倾泻在很小的组织区域内。外部的阿尔法基本无害,进入体内则十分危险。
核反应方程式的配平
方程两边要守恒两个量:
- 总质量数(上标)
- 总原子序数(下标)
例——铀-238 的阿尔法衰变:
²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
验证:质量 238 = 234 + 4 ✓;原子序数 92 = 90 + 2 ✓。
例——碳-14 的贝塔衰变:
¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e
验证:质量 14 = 14 + 0 ✓;原子序数 6 = 7 + (−1) ✓。
半衰期——放射性衰变的速率
半衰期是使放射性样品衰变一半所需的时间。对每种同位素而言是恒定的——与温度、压力、化学状态或样品大小都无关。
衰变追踪:从 N 个原子开始,经过 n 个半衰期后剩下
剩余量 = N × (1/2)ⁿ
半衰期跨度极大:
- 钋-214:164 微秒
- 碘-131:8 天(用于甲状腺医学)
- 碳-14:5,730 年(用于放射性碳定年)
- 铀-238:45 亿年
例:100 g 样品,半衰期 10 年。30 年后(= 3 个半衰期),剩余 = 100 × (1/2)³ = 100 × 1/8 = 12.5 g。
放射性测年法
由于半衰期恒定,放射性同位素可当作"时钟"。活的生物与环境不断交换碳,C-14 与 C-12 之比保持一致。生物死亡后 C-14 只衰变而不再补充。通过测量残余的 C-14,科学家可以估计死亡时间——适用于约 5 万年以内(约 10 个半衰期)的有机样本。
对于更古老的样本(岩石),使用半衰期更长的同位素:钾-40、铀-238、铷-87。
裂变与聚变
裂变——重核分裂为较小的碎片 + 中子 + 巨大能量。用于核电站与原子弹。常用燃料:铀-235 吸收一个中子后变得不稳定并分裂。
一次 U-235 裂变释放约 200 MeV——相当于每个原子比典型化学反应大约一百万倍的能量。释放的中子可再引起其他 U-235 分裂,形成链式反应。控制棒(硼、镉)会吸收多余的中子,以维持反应稳定。
聚变——较轻的核(如氢)聚合为较重核 + 能量。为恒星(包括太阳,每秒约 10⁷ kg 氢在聚变)提供能量。聚变每克释放的能量甚至大于裂变,但需要极高温度(数百万开尔文)才能克服静电排斥。氢弹利用聚变;用于发电的可控聚变仍处在实验阶段。
裂变与聚变都释放能量,是因为生成物的总质量略小于反应物——缺失的质量按爱因斯坦 E = mc² 转化为能量。
实际应用
- 医学:I-131(甲状腺)、Tc-99m(PET 扫描、骨显像)、Co-60(癌症放射治疗)
- 工业:烟雾探测器(Am-241 阿尔法源)、厚度测量仪、食品灭菌
- 能源:使用 U-235 或 Pu-239 的核反应堆
- 年代测定:有机物用 C-14,岩石用 K-40 与 U-238