原子的放射性是因为哪些因素?放射性又是什么?

科学船坞


什么是放射性?

要搞清楚这个问题,我们就得先从“放射性”自身的定义入手。放射性是指:

元素从不稳定的原子核自发地放出射线,比较常见的有α射线、β射线、γ射线等,而衰变形成新的,稳定的,元素的原子(衰变产物)而停止放射的现象。

这其实是一种随机现象。科学家发现原子序数高于83的元素原子都具有放射性。低于83的,有一些元素原子也有。

我们可以把α射线、β射线、γ射线的过程简单地讲一下:

α射线是指原子量较大的元素原子的原子核放出一个氦核,变成一个原子量较小的元素原子,这个α射线就是氦核。

β射线是指原子核放出一个电子和中微子,抓变成另外一个种原子核的过程。这里的β射线就是电子束。

γ射线是指原子发生衰变时,为了稳定下来,放出的能量。

α射线、β射线、γ射线和那些因素有关系呢?

其实这三者应该分开说,它们并不是一个问题。

α射线和强相互作用

α射线来自于α衰变。这个α射线其实是氦核,它是由两个质子和中子组成的。当原子核放出一个氦核后,原子序就会减少两个单位。我们最常见的其实就是铀-238通过α衰变形成钍-234。

那α衰变是咋回事呢?

实际上,α衰变是一种核裂变,这当中涉及到α粒子的隧穿效应。

我们要知道的是,之所以能够形成原子核,主要依赖强相互作用和弱相互作用。其中强相互作用分两种,

一种是胶子束缚胶子形成质子和中子。胶子就好像是绳子,而夸克就好像是小球,胶子把夸克拴在了一起。

另外一种强相互作用是介子把质子和中子束缚在原子核内。前一种强相互租用特别强,而后一种相对要弱不少。

当一个原子核不够稳定时,介子传递的这种强相互作用就无法束缚住质子和中子,于是就会发生α衰变。

β射线和弱相互作用

强相互作用被我们称为强核力,而弱相互作用被我们称为弱核力。β射线其实就和弱相互作用有关。这里指的是原子核内的中子在弱相互作用下发生衰变,衰变成一个质子、一个电子、中微子。根据粒子物理标准模型,传递弱相互作用的是W玻色子和Z玻色子。

常见的有碳14原子发生β衰变,变成氦原子,并释放出电子和反中微子。

γ射线与能量最低原理

在发生衰变的同时,为了稳定下来,都会释放出能量,这就是γ射线。那么问题来了,为什么总是要放出能量呢?

实际上,包括前面的β衰变以及γ射线,它们都遵循着同一个原理,我们都管整个原理叫做能量最低原理。

那什么是能量最低原理呢?

说白了就是万物都是比较懒的,都趋向于稳定,所以常常会通过放出能量,让自己稳定下来。

我们可以从重新看一下β衰变,通过爱因斯坦的质能等价,我们知道质量里有能量,能量有质量,它们是一个东西。

而中子的质量正好要比质子、电子、中微子的质量要大,因此对应到能量,中子所有的能量就要比质子、电子、中微子对应的能量要高。根据能量最低原理,要从高能量状态向低能量状态转移,因此才会发生。反之,质子要和电子反应生成中子实际上是非常难的,需要有能量输入,否则根本做不到。

结合爱因斯坦狭义相对论的质能等价,放出γ射线说白了就是要从不稳定高能量状态转变为稳定的低能量状态。

α衰变之所以不容易发生其实也在这里,所以α衰变一般要有隧穿效应的因素,隧穿效应其实是微观世界一种区别于宏观的现象,在宏观低速的情况下,你几乎不可能直接穿过势能壁垒,但微观世界并不是这样,而是有一定的概率穿过势能壁垒发生反应。

最后,最后我们来总结一下:

放射指的是原子通过衰变,形成新的、稳定的元素的原子的过程,不过这是一个随机事件。

α衰变和隧穿效应、强相互作用作用有关;

β衰变和弱相互作用、能量最低原理有关;

γ射线则和能量最低原理有关。


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当原子核中有过量的质子或中子时,原子就变得具有放射性,导致不平衡的内力,原子通过发射辐射来平衡内力。中子或质子数量不同于正常结构的原子称为离子,是元素的同位素。

原子通过重新构造成一个新的原子核并释放出粒子或辐射的能量而变得稳定,这就是放射性衰变。它以称为半衰期的稳定速率发生,也就是给定放射性同位素样品的一半衰变为新同位素所需的时间。



放射性衰变包括α或β粒子、γ射线或其他过程的发射。阿尔法粒子是高能氦核。β粒子本质上是电子。伽马射线是高能、短波长的电磁光子。其他形式的放射性衰变包括电子俘获和正电子衰变。

放射性元素自然形成,是核裂变的结果,通过核反应堆或粒子加速器中的有意合成。



天然放射性同位素可能来自恒星的核合成和超新星爆炸。典型地,这些原始放射性同位素具有半衰期,只要它们对于所有实际用途都是稳定的,但是当它们衰变时,它们形成所谓的次级放射性核素。例如,原始同位素钍-232、铀-238和铀-235会衰变形成镭和钋的次级放射性核素。碳14是宇宙成因同位素的一个例子。由于宇宙辐射,这种放射性元素不断在大气中形成。

核电站和热核武器的核裂变产生放射性同位素,称为裂变产物。此外,对周围结构和核燃料的辐射会产生被称为活化产物的同位素。可能会产生各种各样的放射性元素,这也是核辐射和核废料如此难以处理的部分原因。



自然界中还没有发现元素周期表中的最新元素。这些放射性元素是在核反应堆和加速器中产生的。有不同的策略用来形成新元素。有时元素被放置在核反应堆中,反应产生的中子与样品反应形成所需的产物。铱-192是以这种方式制备的放射性同位素的例子。在其他情况下,粒子加速器用高能粒子轰击靶标。

加速器中产生的放射性核素的一个例子是氟-18。有时为了收集衰变产物,会制备一种特定的同位素。例如,钼-99用于生产锝-99。

有时放射性核元素寿命最长的半衰期不是最有用或负担得起的。在大多数国家,某些常见的同位素甚至对公众来说也是少量的。根据规定,工业、医学和科学领域的专业人员可以获得以下放射性元素:

γ射线发射器

钡-133、镉-109、钴-57、钴-60、铕-152、锰-54、钠-22、锌-65、锝-99

β射线发射器

锶-90、铊-204、碳-14、氚

α射线发射器

钋-210、铀-238

多种辐射发射器

铯-137、镅-241



放射性存在于自然界中,但是如果放射性元素进入环境或生物体过度暴露,它们会引起放射性污染和放射性中毒。潜在损害的类型取决于发射辐射的类型和能量。通常,辐射暴露会导致烧伤和细胞损伤。辐射会导致癌症,但在暴露后可能会潜伏许多年。


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原子的放射性都是从原子核里出来的,主要的原因还是因为原子核不稳定。为什么原子核不稳定呢?这个是因为原子核的质子与中子之间有很复杂的相互作用,这些相互作用就是所谓的强相互作用与弱相互作用。当然这背后也有所谓的量子隧道效应在起作用,也就是本来是不会衰变的原子核,因为量子隧道效应,原子核发生了衰变,原子就有了放射性。

从能量的角度来说,大部分原子核的放射性会产生,是因为通过量子隧道效应,原子核可以越过势垒达到一个能量更低的状态。

给你举一个例子,你在西藏,本来你是不可能翻过喜马拉雅山到达尼泊尔的。但是呢,因为你有了崂山道士的武功,或者有了土行孙的能力,你可以穿过喜马拉雅山,这样你就可以到达尼泊尔了,甚至你还可以到达印度洋——那里海拔更低。这就是量子隧道效应。这个东西一开始是物理学家盖莫夫提出来的,他写过一本很有名的科普书,叫做《从一到无穷大》。


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放射性其实随处可见,并不稀奇。主要是因为元素衰变造成的。

放射性的发现

1896年,安托万·亨利·贝克雷尔第一次从铀矿石中发现了放射性现象。随后,科学家们对放射性开始了大量的研究,发现了我们如今知道的三种射线α射线、β射线、γ射线。

但对于反射性现象的能量来源,人们并不清楚,为什么惰性的石头中会释放能量?这在当时被认为是一种神秘事件。知道1915年,爱因斯坦的质能方程E=MC^2,才让人们明白的放射性能量的来源,一点点的质量亏损就能产生足够强大的能量。

我们现在知道原子核是由质子和中子组成,然后电子围绕它旋转,尽管原子可以在化学反应中分离或交换电子,但原子核本身并没有改变。

所以,通常我们认为原子核是稳定的,但事实并非如此。

放射性揭示了,原子核也会突然发生变化,自发地抛出一个小微粒,转变成另一种元素。

而元素会自然地从一个元素改变成另一个的这个过程,就叫做放射性衰变。

α射线、β射线、γ射线都是什么?

从放射性核中抛射出的有两种粒子。

比如,碳核可以喷射出一种快速移动的电子,而变成氮核。而这种非常快的电子束,我们称它为β射线,而这一过程称为β衰变。

这个释放出去的电子,是由于原子核里的中子衰变形成的,同时中子变成了质子留在原子核内,还会释放一个中微子。

而α衰变,当然就是释放α粒子束,即α射线。α粒子是由原子核里的2个质子和2个中子结合而成,α粒子比电子大了8000倍,所以α射线会慢了许多。

如果能捕获所有的α粒子,就会得到氦气。因为α粒子,实际上就是氦原子核。

而放射性原子核在发生α衰变、β衰变后,新产生的核往往处于高能量级,要向低能级跃迁,就会辐射出γ射线。

γ射线,其实就是光子,所以可以看出是一种电磁波,波长短于0.01埃。它的能量是可见光能量的1000倍。

那么放射性有什么意义?

首先,如果没有元素放射性,地球将是一颗死星。

放射性元素产生的热量,是地热能量的主要来源。

大概地热来源的80%都来自于放射性元素的衰变产生的能量,主要产生热量的同位素有K40、U238、U235、Th232。它们释放的热量,让地球能有可以流动的熔岩,而流动的铁镍才产生了地球的磁场。

其次,生活日常中,也没少接触放射性。

像一般的烟雾报警器里面的放射镅,就会释放α射线。

因为α粒子只能在空气中飞行几厘米,所以你不要太过当心。在日常生活应用中,α射线完全是安全的,

β射线比α射线传播的要远,也更具有穿透性。所以,放射性原子可以被用于医疗做为透视检查的工具,可以显示出化学物质在病人身体中的运动痕迹。

γ射线是最高能的,可以够穿透你的身体;可以杀死细菌,以延长水果的保质期;可以通过放疗杀死癌细胞;甚至可以放出热量来发电,比如被用于太空探测任务,以及过去曾应用于心脏起搏器。

放射性当然也有危害

放射性也称核辐射,减慢得越突然,对于原子的伤害就越多,这叫做离子化。

所以,α粒子冲击其它原子时,能产生最大程度的电离,而γ粒子引起得最少。

辐射给人类带来最严重的危害是,导致我们DNA的损伤。

尽管α粒子不能穿透你的皮肤,但如果你吸入或者摄取了一个放射性物质在体内,那将会对健康造成严重影响。

具体来说,电离辐射就是载有高能量、快速运动的带电或不带电粒子击穿人体时,直接或间接与体内原子发生电离和激发,引起生物体结构和功能的改变。

直接作用:与人体内的大分子,如DNA、RNA等发生电离作用,直接使大分子发生电离和激发,导致分子结构改变(比如直接分解),及生物活性丧失。

间接作用:人体细胞中大部分都是水,所以电离辐射会使人体内的水分子电离或激发,发生化学反应,生成一堆活性很强的自由基和过氧化物。这些活性物很容易与人体内的分子发生反应,导致分子结构破坏,造成功能障碍和系统病变。

所以最后结果,要么直接杀死细胞,终结生命;要么诱变细胞,一般就是癌变等于慢性死亡;要么基因突变,破坏DNA造成遗传性先天畸形。



而且,对于放射病,医学上目前没有方法治疗。当然,也不用恐慌,要达到这一步要受到相当的辐射量。

要知道,抛开剂量谈毒性,都是在开玩笑。

总结

放射性物质具有两面性,它即保证了地球的生机,也能抹杀生物,是自然环境孕育的一种自然规律,并不可怕,但必须小心。


想法捕手


个人认为,它像气体看不见,摸不着。必须借助一种工具(仪器)使人感觉它的存在,而且接触到它时会产生对人的利害关糸。它的名字是由第一个发现人命名,


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