放射性元素為什么放射？

【專家解說】：如果你可以看完我想你可以知道了 下面一大段都是我朋友的論文 放射性元素（確切地說應(yīng)為放射性核素）能夠自發(fā)地從原子核內(nèi)部放出粒子或射線，同時釋放出能量，這種現(xiàn)象叫做放射性，這一過程叫做放射性衰變。某些物質(zhì)的原子核能發(fā)生衰變，放出我們?nèi)庋劭床灰娨哺杏X不到，只能用專門的儀器才能探測到的射線。物質(zhì)的這種性質(zhì)叫放射性。 含有放射性元素（如U、Tr、Ra等）的礦物叫做放射性礦物。 原子序數(shù)在84以上的元素都具有放射性，原子序數(shù)在83以下的某些元素如K、Rb等也具有放射性。 放射性元素radioactiveelements具有放射性的元素的統(tǒng)稱。 指锝、钷和釙，以及元素周期表中釙以后的所有元素。 該類元素的所有同位素都具有放射性，因此命名。 英國物理學(xué)家盧瑟福在1899年就發(fā)現(xiàn)，放射性物質(zhì)放出的射線不是單一的，而可以分出帶正電荷的α射線和帶負(fù)電荷的β射線，前者穿透性較弱，后者穿透性較強(qiáng)。后來又分出一種穿透性很強(qiáng)的不帶電荷的γ射線。如果讓射線通過磁場或電場，那么這三種射線就分得一清二楚了：偏轉(zhuǎn)角度很大的是β射線；偏向另一方、偏轉(zhuǎn)角度較小的是α射線；不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是γ射線。 衰變理論指出了一種放射性元素的原子會衰變成另一種元素的原子，但如果進(jìn)一步問，究竟衰變成了什么元素的原子呢？衰變理論并沒有給出答案。十年以后建立了位移律，終于回答了這個問題。 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)稱為母體，把衰變后生成的物質(zhì)稱為子體。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)價總是減少二價，例如六價的鈾變成了四價的鈾X，四價的釷變成了二價的介釷I，二價的鐳變成了零價的惰性氣體氡等等。于是，他總結(jié)出一條規(guī)則：某一元素作α衰變時，生成的子體是周期表中向左移兩格的那個元素的原子。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，生成的子體是周期表中向右移一格的那個元素的原子。這兩條規(guī)則合起來就是通常所說的位移律，它把衰變時放出的射線的性質(zhì)和原子發(fā)生的變化有機(jī)地聯(lián)系起來了。 在這段時間內(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)方法就無法把它們分開。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放射性衰變系列。 為了便于討論，我們在這里先把原子核和射線方面的有關(guān)知識簡要介紹一下。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個負(fù)電荷，質(zhì)于帶1個正電荷，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。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射線又稱α粒子，它是氦原子核，由兩個質(zhì)子和兩個中子組成，質(zhì)量數(shù)為4，帶2個正電荷。β射線又稱β粒子，它是電子，帶1個負(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，放出一個電子，那就是相當(dāng)于核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變成了一個質(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間，稱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，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，達(dá)140億年，正是由于這個緣故，才使它們得以在地球上留存。 不過，放射系中其它成員的半衰期要短得多。最長的不過幾十萬年；最短的還不到百萬分之一秒。顯然，它們是不可能在地球上單獨存在的。但是，放射系中的每個成員都不但會衰變掉，而且同時也會由于上一個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消失。這就象水庫里的水不會枯竭一樣：水庫里的水不斷流出去，同時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，即各成員之間的比值保持恒定不變時，我們就把這種狀態(tài)稱為放射性平衡。 鈾和釷兩個放射系已經(jīng)滿意地建立起來了，許多放射物質(zhì)與鈾、釷伴生，確實是不無道理的，原來它們都是始祖元素鈾或釷的子孫后代?？墒菃栴}并沒有完全解決，錒在鈾礦中的存在一直是一個不夠清楚的問題。 經(jīng)初步測定，錒的半衰期為二、三十年。因此，它之所以能存在于自然界，必須依存于某一個長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恒定的比值。由此看來，錒象是鈾的后代。 但情況又不盡然。測量結(jié)果表明，作為鈾的后代的鐳，它與鈾平衡時的放射性強(qiáng)度，遠(yuǎn)比錒(或錒的任一后代)與鈾平衡時的放射性強(qiáng)度來得大。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，1906年盧瑟福提出了如下的假說：錒及其后代(稱為錒放射系)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。 后面我們將看到，盧瑟福的這個假說是錯誤的。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的放射性時得到了光輝的證實。 1917年皮卡德提出，錒放射系與鈾放射系可能根本無關(guān)，它的始祖是鈾的另一個長壽命同位素，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)為支持這一假說的論據(jù)有兩個： (1)按照蓋革·努塔爾經(jīng)驗定律，放射性同位素的α射線能量和半衰期之間存在著一定的關(guān)系，在雙對數(shù)固上表示成一些直線。鈾放射系和釷放射系各分屬一條直線，而錒放射系則為另一直線。如果錒放射系是鈾放射系的分支，則代表錒放射系的直線應(yīng)與代表鈾放射系的直線相重合，或在一端與鈾放射系的直線相交。事實上卻是錒放射系與鈾放射系為兩條平行的直線。 (2)鈾的原子量為238.14(這里的原子量數(shù)值均為當(dāng)時的測定值)，鐳的原子量為225.97，兩者相差12.17。而根據(jù)位移律來計算，鐳是由鈾放出三個α粒子變來的，那么三個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質(zhì)量數(shù)更大的同位素的緣故。皮卡德將這個假定的鈾同位素稱為錒鈾(AcU)。 盧瑟福和皮卡德假說之間的取舍，按理是可以通過錒放射系成員原子量的測定來決定的?？墒怯捎阱H放射系的放射性僅為鈾放射系的3％，且各個成員的半衰期均很短，因此測定原子量困難很大。錒的前身鏷發(fā)現(xiàn)以后，測定鏷原子量應(yīng)該是可能的，因為它在鈾礦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。 這個問題的解決應(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，指出錒放射系應(yīng)該是獨立的。 皮卡德的假說獲得了證實?？墒撬募僬f所依賴的根據(jù)是很不充分的。首先，鈾并沒有更重的天然同位素；其次，α射線的能量和半衰期之間的關(guān)系在當(dāng)時也沒有足夠的精確度可以進(jìn)行上述論證。 這一過程表明，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根據(jù)或理論根據(jù)，從而提出一些假說，這樣當(dāng)然會使假說最終被證實的可能性變大。但是如果根據(jù)蛛絲馬跡提出一些假設(shè)，只要與當(dāng)時所知道的事實沒有矛盾，仍然應(yīng)該說是可貴的，因為它為尋找真理開辟了可能走通的新途徑。值得回憶的是，貝克勒耳也正是沿著波因凱的錯誤假說，而作出了放射性現(xiàn)象這一重大發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，最后善于擯棄假說中的不合理部分，這更是科學(xué)工作者取得成功的關(guān)鍵一環(huán)。 知道了錒放射系的最終衰變產(chǎn)物是鉛207，于是可以推得錒的原子量為227，而假定的錒鈾的原子量應(yīng)該為235(或239)。1935年，登普斯特用火花離子源法對鈾進(jìn)行了質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)了錒鈾(鈾235)的譜線。至此才最后確定了錒放射系的始祖同位素，肯定了其質(zhì)量數(shù)為235。歷時長達(dá)30年之久的錒放射系的起源問題終于找到了答案，這是放射系研究史中最為曲折的問題之一。由于這個放射系的始祖同位素是錒鈾，所以通常把它叫乍錒鈾放射系。 以后又發(fā)現(xiàn)了镎放射系，它是一個人工放射系，該放射系因為沒有半衰期足夠長的始祖同位素，所以已在地球上消失。值得指出的是，這個人工放射系中的一個成員——镎233，與鈾235和钚239一樣，是原子能工業(yè)中的一種重要的裂變物質(zhì)。