放射性衰变不稳定的原子核分裂成更小、更稳定的碎片的自发过程。你有没有想过为什么有些原子核会衰变,而另一些则不会?
这基本上是一个热力学问题。每个原子都力求尽可能稳定。在放射性衰变的情况下,当原子核中质子和中子数量不平衡时,就会发生不稳定性。基本上,原子核内有太多的能量,无法将所有核子聚集在一起。原子电子的状态对于衰变来说并不重要,尽管它们也有自己的稳定方式。如果原子核是不稳定的,它最终会分裂,失去至少一些使它不稳定的粒子。原始核称为父核,而生成的一个或多个核称为子核。这些子体可能仍然具有放射性,最终会分裂成更多的部分,或者它们可能是稳定的。
有三种形式的放射性衰变:原子核经历哪种衰变取决于内部不稳定性的性质。有些同位素可以通过多种途径衰变。
在阿尔法衰变中,原子核喷射出一个阿尔法粒子,该粒子本质上是一个氦原子核(两个质子和两个中子),使母体原子序数减少2,质量数减少4。
在β衰变过程中,一股称为β粒子的电子流从母体中喷出,原子核中的中子转化为质子。新原子核的质量数是相同的,但原子序数增加了一个。
在伽马衰变中,原子核以高能光子(电磁辐射)的形式释放多余的能量。原子序数和质量数保持不变,但由此产生的原子核呈现出更稳定的能量状态。
放射性同位素是经历放射性衰变的同位素。“稳定”一词含义更为模糊,因为它适用于在很长一段时间内,出于实际目的,不会分离的元素。这意味着稳定同位素包括那些永不破裂的同位素,如质子(由一个质子组成,因此没有任何东西可以丢失)和放射性同位素,如碲-128,其半衰期为7.7 x 1024年。半衰期短的放射性同位素称为不稳定放射性同位素。
你可以假设一个处于稳定构型的原子核的质子数与中子数相同。对于许多较轻的元素,这是正确的。例如,碳通常具有质子和中子的三种构型,称为同位素。质子的数量不会改变,因为这决定了元素,但中子的数量会改变:碳-12有六个质子和六个中子,并且是稳定的;碳-13也有六个质子,但它有七个中子;碳-13也是稳定的。然而,含有六个质子和八个中子的碳-14是不稳定的或有放射性的。碳-14原子核的中子数太高,强大的引力无法将其无限期地固定在一起。
但是,当你移动到含有更多质子的原子时,随着中子的过量,同位素变得越来越稳定。这是因为核子(质子和中子)在原子核中不是固定的,而是四处运动,而质子相互排斥,因为它们都携带正电荷。这个较大的原子核的中子起着隔离质子的作用。
中子与质子的比率,或N:Z比率,是决定原子核是否稳定的主要因素。较轻的元素(Z<20)倾向于具有相同数量的质子和中子或N:Z=1。较重的元素(Z=20到83)更喜欢N:Z比为1.5,因为需要更多的中子来隔离质子之间的排斥力。
还有所谓的幻数,即特别稳定的核子数(质子或中子)。如果质子数和中子数都有这些值,这种情况称为双幻数。你可以把它看作是原子核,相当于控制电子壳层稳定性的八重态规则。质子和中子的幻数略有不同:
使稳定性进一步复杂化的是,Z:N偶数到偶数(162个同位素)的稳定同位素比偶数到奇数(53个同位素)的稳定同位素多,奇数到偶数(50个)的稳定同位素比奇数到奇数的稳定同位素多(4个)。
最后一点注意:任何一个原子核是否发生衰变都是一个完全随机的事件。对于足够大的元素样本,同位素的半衰期是最好的预测。它不能用来对一个或几个核的行为做出任何预测。
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