A-level 物理/力、场和能量/放射性

当原子不稳定时，它们会试图使自己再次稳定。它们做到这一点的一种方式是发出称为辐射的物质和能量。具有不稳定原子的物质被称为放射性。

辐射类型

有 3 种不同的电离辐射，简称为α（阿尔法）、β（贝塔）和γ（伽马），每种都有自己的特性。

α 粒子

α 粒子基本上是一个氦原子核。下表显示了它的特性

性质	2 个质子和 2 个中子（一个氦原子核）
符号	α, $\ _{2}^{4}He$
质量	是质子质量的 4 倍（~4u）
电荷	+2e
速度	$10^{6}\ ms^{-1}$（光速的约 5%）
穿透力	被纸张、皮肤或几厘米空气阻挡
受电场和磁场影响吗？	是

β 粒子

β 粒子是电子。下表显示了它的特性

性质	电子
符号	β，e
质量	是质子质量的 1/1840（~0.00055 u）
电荷	-e
速度	$10^{8}\ ms^{-1}$（高达光速的 98%）
穿透力	被 3 毫米铝或约 1 米空气阻挡
受电场和磁场影响吗？	是

γ 射线

γ 射线是一种电磁波，其波长约为 $3\times 10^{-15}m$。下表显示了它的特性

性质	波长非常短的电磁波
符号	γ
质量	0
电荷	0
速度	$3\times 10^{8}\ ms^{-1}$（光速）
穿透力	被几厘米铅大幅度衰减。射线被几米混凝土吸收
受电场和磁场影响吗？	否

电离

α、β 和 γ 辐射都是电离辐射的形式，它们会影响它们穿过的物质。它们可以通过与原子碰撞或靠近它们而使原子电离。原子因辐射而被推动或拉动电子，从而变成离子，因此被称为电离。

α 粒子

α 粒子是电离能力最强的，因为它们具有最大的质量和电荷，并且速度最低。这意味着它们影响的原子数量最多，并且对每个原子的影响比其他类型的辐射更强。

β 粒子

β 粒子的电离能力第二强，因为它们比 α 粒子更轻、更快，并且电荷更小。

γ 射线

γ 射线是这三种中电离能力最弱的，因为它们没有电荷。

穿透力

辐射可以穿透不同的材料，尽管每种辐射都有自己的穿透能力。

α 辐射

α 辐射可以很容易地被一张纸或人体皮肤吸收。这是因为它具有高度的电离能力，并且很容易将其动能传递给周围的原子，因此不能深入物质内部。

β 辐射

β 辐射的电离能力较弱，这使得它比 α 辐射更具穿透力。它需要更致密的材料，如铝，才能完全吸收它。

γ 辐射

γ 辐射的穿透力最强，需要几米厚的混凝土或几厘米厚的铅才能完全吸收它。同样，这与它的电离强度有关。

核方程式

就像其他核过程一样，辐射发射可以用平衡的核方程式表示。α 粒子的符号为 $\ _{2}^{4}$He，β 粒子的符号为 $\ _{-1}^{0}$e。这些可以很容易地用于辐射发射的方程式中。伽马光子对方程式没有任何影响，因为它们没有质量，也没有电荷。

电场和磁场

由于它们的电荷和质量不同，每种辐射在电场和磁场中的行为不同。正负粒子在电场和磁场中运动的行为已经在前面讨论过。在磁场中使用左手定则来判断 β 粒子时要特别小心，因为您可能还记得，电流方向与电子的运动方向相反。γ 射线不受这两种场的影响，将继续沿直线运动。

电离辐射的危害

辐射是危险的，必须采取措施确保我们尽可能少地接触辐射。我们将探讨这些危害，并了解如何将对自身和环境的损害降到最低。

对生物体的影响

由于辐射具有电离性，它可以改变构成我们自身细胞的原子。我们的细胞主要有两种方式受到辐射损伤。

• 接触强烈的辐射会导致细胞死亡，造成组织损伤，被称为辐射灼伤。同样的原理被用来杀死食物或医疗器械上的微生物。
• 电离可能会改变 DNA，导致细胞无法正常运作。辐射可能会直接影响 DNA，或者分解水分子，进而与 DNA 发生反应。细胞可能会不受控制地分裂，形成肿瘤。此外，如果辐射影响了卵子或精子细胞，就会将突变传递给下一代。

α 粒子对细胞的危害最大，但幸运的是，我们的皮肤足以阻止它们进入我们的身体。

安全处理放射性材料

由于辐射非常危险，放射性材料必须以安全的方式进行处理、储存和处置。

为了处理放射性材料，它们不能接触皮肤，必须在手套箱中或用镊子处理。必须小心不要吸入放射性气体。

为了储存放射性材料，可以使用铅衬容器，因为铅可以吸收所有类型的辐射。这也适用于发射 α 辐射的材料，因为大多数发射 α 辐射的材料也会发射 γ 辐射。

放射性材料可以通过用大量非放射性材料稀释放射性物质来处置。它们也可以通过隔离来处置，这涉及到储存放射性材料，直到其放射性降到安全水平。

放射性衰变

随着放射性材料发射辐射，稳定核的数量增加，不稳定核的数量减少。这种物质被称为衰变，因为它随着粒子能量释放而减少质量。

自发辐射发射

如果我们观察一个不稳定原子的单个原子核，我们最终会看到它衰变。我们无法预测它需要多长时间才会衰变，也无法判断它是否即将衰变。它在一个时刻不会衰变，而在下一瞬间，它就会衰变。这是一个自发的行为。这与我们习惯的宏观层面的事物非常不同，在宏观层面，我们可以看到逐渐的变化或事件的累积。

此外，每个原子的原子核都独立于任何相邻原子而衰变，因为如果你回忆起亚原子粒子的相对距离和大小，原子核及其轨道电子之间有巨大的空旷空间，这意味着一个原子核不会影响另一个原子核。

由于我们无法预测原子核何时会衰变，因此我们必须在一个时间段内找到平均值。

衰变常数

衰变常数是指特定原子核在单位时间内衰变的概率，用符号 λ 表示。可以通过测量给定时间内有多少原子核衰变来找到特定样本的衰变常数。因此，如果在包含 10,000 个原子核的样本中，有 1000 个原子核在一个小时内衰变，则一个特定原子核在一个小时内衰变的概率为 0.1，因为只有 10% 的原子核衰变。

衰变常数的单位在 SI 系统中为 $s^{-1}$，但也可以使用 $h^{-1}$，甚至 $day^{-1}$。在上面的例子中，衰变常数 λ 等于 0.1$h^{-1}$。

活度和计数率

放射性物质的活度是指单位时间内衰变的原子核数量，即衰变速率。活度的单位是每秒衰变次数，每秒衰变一次称为一个贝克勒尔。

如果你知道特定物质的衰变常数及其不衰变原子核的数量，你就可以使用以下公式计算该材料的活度。

$A=\lambda N$

其中 A 是活度，λ 是衰变常数，N 是不衰变原子核的数量。

如你所见，这将我们带回到最初发现衰变常数的方式，因此你可以了解这两者之间的关系。

当你使用实验获得样本的活度时，你几乎永远不会检测到所有发射的辐射。一些辐射会发射到没有探测器的地方。计数率 R 是实验中的测量值，它将小于样本的活度。如果你知道测量设备的效率，就可以从 R 计算出 A。

指数衰变

随着放射性物质衰变，不衰变原子核的数量会减少。由于物质中放射性粒子减少，放射性粒子发射的速率也会下降。物质数量与时间的关系图将显示一条指数曲线，随着衰变速率下降，曲线会变得越来越平缓。

计算衰变

未衰变的原子核数量可以用以下公式计算。

$N=N_{0}e^{-\lambda t}$

其中，$N_{0}$ 是开始时的未衰变数量，$\lambda$ 是衰变常数，$t$ 是以秒为单位的时间，$e$ 是指数函数。

类似地，计数率和活度可以从以下方程式中找到。

$R=R_{0}e^{-\lambda t}$

$A=A_{0}e^{-\lambda t}$

半衰期

物质的半衰期是指一半放射性物质衰变所需时间的平均长度。如果你看一下图表，你会发现横轴上未衰变原子核数量减半的时间与它从 50% 减少到 25% 的时间相同，以及从 25% 减少到 12.5% 的时间相同。

半衰期写成 $t_{\frac {1}{2}}$，通常以秒为单位，但对于更稳定的材料，通常以小时、天或甚至年来表示半衰期。

如果你考虑到半衰期短的物质必须快速衰变，因此必须有较高的衰变常数，而半衰期长的物质将有较低的衰变常数，你可以使用以下等式将两者联系起来。

$\lambda t_{\frac {1}{2}}=\ln 2\approx 0.693$

如果你只知道半衰期或衰变常数，并被要求找出另一个，这将非常有用，因为你可以重新排列等式以找到未知值。