核医学基础物理/放射性衰变

我们在上一章中看到，放射性是放射性原子核为达到更稳定状态而采用的一种过程。人们常说这些原子核会衰变，以试图达到稳定状态。因此，本章的另一个标题是核衰变过程。

我们在上一章中还看到，我们可以使用核稳定曲线来描述正在发生的事情。因此，本章的另一个标题是进入核稳定曲线的方法。

我们将以描述或现象学的角度来介绍这个主题，即以一种相当简单的形式描述我们所知道的每种主要衰变机制。再次提醒你，你可能已经在高中物理课上学习过这些内容。但请耐心听讲，因为这里的内容将帮助我们为后面的章节做准备。

放射性衰变的方法

与其考虑单个原子核发生了什么，不如考虑一个可以发生许多主要形式的放射性衰变的假设原子核。这个假设原子核如下图所示。

一个可以发生多种形式放射性衰变的假设原子核。

首先，我们可以看到两个质子和两个中子以一个称为α衰变的过程一起发射出来。其次，我们可以看到一个质子可以释放一个正电子，这是一个称为β正衰变的过程，一个中子可以发射一个电子，这是一个称为β负衰变的过程。我们还可以看到一个电子被一个质子俘获。第三，我们可以看到一些能量（光子）被发射出来，这是由一个称为γ衰变的过程引起的，并且一个电子被吸引到原子核中，然后再次被弹射出来。最后，还有一个相当灾难性的过程，即原子核裂成两半，被称为自发裂变。

我们现在将依次描述这些衰变过程。

自发裂变

这是一个非常具有破坏性的过程，发生在一些重的原子核中，这些原子核分裂成2或3个碎片加上一些中子。这些碎片形成了新的原子核，这些原子核通常是放射性的。核反应堆利用这种现象生产放射性同位素。它也用于核能发电和核武器。这个过程对我们来说并不重要，我们暂时不再赘述。

α 衰变

在这个衰变过程中，两个质子和两个中子以一个称为α粒子的组合从原子核中离开。请注意，α粒子实际上是氦-4原子核。

那么为什么不叫它氦原子核呢？为什么给它起另一个名字？这个问题的答案在于放射性发现的历史。在这些辐射被发现的时候，我们并不知道它们到底是什么。我们发现了一种类型的辐射带有双正电荷，直到一段时间后我们才知道它们实际上是氦-4的原子核。在它们被发现的最初阶段，这种形式的辐射被命名为α射线（而另外两种被命名为β射线和γ射线），这些术语是希腊字母的前三个字母。我们仍然出于历史原因将这种形式的辐射称为α粒子。用这个名字称呼它也为该领域增添了特殊的行话，让圈外人觉得这个学科非常专业！

但请注意，这种辐射实际上是由一个不稳定的更大的原子核发射出来的氦-4原子核。氦并没有什么奇怪的，因为它在地球上是一种相当丰富的元素。那么为什么这种辐射对人类有危险呢？这个问题的答案在于它们被发射出来的能量，以及它们质量很大，并且带有双正电荷的事实。因此，当它们与生物物质相互作用时，它们会对它们遇到的分子造成重大破坏，因为它们试图减速，并吸引两个电子以成为一个中性的氦原子。

这种衰变形式的一个例子发生在铀-238原子核中。描述发生过程的方程式为

${}_{\mathbf {92} }^{\mathbf {238} }\mathbf {U}$ → ${}_{\mathbf {90} }^{\mathbf {234} }\mathbf {Th}$ + ${}_{\mathbf {2} }^{\mathbf {4} }\mathbf {He}$

这里，铀-238原子核发射出一个氦-4原子核（α粒子），母原子核变成钍-234。请注意，母原子核的质量数减少了4，原子序数减少了2，这是任何发生α衰变的原子核的特征。

β 衰变

有三种常见的β衰变形式

(a) 电子发射

某些中子过量的原子核可能试图通过将一个中子转化为一个质子并发射一个电子来达到稳定状态。电子被称为β负粒子——负号表示该粒子带负电荷。

我们可以用以下方式表示发生的情况。

n⁰ → p⁺ + e^-

其中一个中子转化为一个质子和一个电子。请注意，这个方程两边的总电荷是相同的。我们说电荷守恒。

我们可以认为电子不可能存在于原子核内部，因此它会被弹射出来。

再次强调，电子并没有什么奇怪或神秘之处。但从辐射安全的角度来看，重要的是它被发射出来的能量以及它与生物物质相互作用时会造成的化学损伤。

这种衰变类型的一个例子发生在碘-131原子核中，该原子核衰变为氙-131，并发射一个电子，即

${}_{\mathbf {53} }^{\mathbf {131} }\mathbf {I}$ → ${}_{\mathbf {54} }^{\mathbf {131} }\mathbf {Xe}$ + ${}_{\mathbf {-1} }^{\mathbf {0} }\mathbf {e}$

该电子被称为β-负粒子。请注意，以上方程中的质量数保持不变，原子序数增加 1，这是这种衰变类型的特征。

您可能想知道电子是如何在原子核内产生的，因为我们在上一章给出的简单原子描述表明原子核仅由质子和中子组成。这是迄今为止所介绍的简单处理方法的局限性之一，可以通过考虑我们称为质子和中子的两种粒子本身是由称为夸克的更小的粒子组成的来解释。我们这里不考虑这些，只是注意到不同类型的夸克的某些组合产生质子，另一种组合产生中子。这里的信息是要认识到，简单的图像是入门文本中开始的最佳方式，而实际情况远比所描述的复杂。正如我们将在后续章节中看到的那样，上面给出的β衰变处理也是如此。

(b) 正电子发射

当原子核中的质子数量过大而使原子核不稳定时，它可能会尝试通过将质子转化为中子并发射带正电的电子来达到稳定状态。

这不是印刷错误！一个带正电的电子也称为正电子被发射出来。正电子是β-正粒子。

这里的故事非常有趣。一位才华横溢的意大利物理学家 恩里科·费米 发展了β衰变理论，他的理论预测带正电和带负电的电子都可能由不稳定的原子核发射出来。这些粒子可以被称为 反物质 的碎片，后来通过实验被发现。它们的寿命并不长，因为它们很快就会与普通电子结合在一起，随后发生的反应被称为湮灭，导致两个伽马射线的发射。

科幻作家在反物质被发现后大肆渲染，并像许多科学家一样推测我们宇宙的一部分可能包含带负电的质子形成的原子核，这些原子核被带正电的电子绕轨道运行。但这让我们偏离了主题太远了！

我们不稳定的原子核中包含一个多余的质子的反应可以表示如下

p⁺ → n⁰ + e⁺

再次注意，等式两边的电荷守恒。

这种衰变类型的一个例子发生在钠-22中，钠-22 衰变为氖-22，并发射出一个正电子

${}_{\mathbf {11} }^{\mathbf {22} }\mathbf {Na}$ → ${}_{\mathbf {10} }^{\mathbf {22} }\mathbf {Ne}$ + ${}_{\mathbf {+1} }^{\mathbf {0} }\mathbf {e}$

请注意，质量数保持不变，原子序数减少 1。

(c) 电子俘获

在这种第三种β衰变形式中，一个内层轨道电子被吸引到不稳定的原子核中，在那里它与质子结合形成中子。该反应可以表示为

e^- + p⁺ → n⁰

该过程也被称为K 俘获，因为电子通常从原子的 K 层被吸引过来。

我们如何知道这样的过程会发生，因为没有辐射被发射出来？换句话说，事件发生在原子内部，没有任何关于它的信息会离开原子。还是会的？这种衰变类型的特征可以通过原子核周围电子云中产生的效应获得，当 K 层中留下的空位被来自外层的电子填补时，就会发生这种情况。空位的填补与电子云中 X 射线的发射有关，正是这种 X 射线提供了这种β衰变类型的特征。

这种衰变形式也可以通过新原子核发射伽马射线来识别。

这种放射性衰变类型的一个例子发生在铁-55中，铁-55 在捕获一个电子后衰变为锰-55。该反应可以表示如下

${}_{\mathbf {26} }^{\mathbf {55} }\mathbf {Fe}$ + ${}_{\mathbf {-1} }^{\mathbf {0} }\mathbf {e}$ → ${}_{\mathbf {25} }^{\mathbf {55} }\mathbf {Mn}$

请注意，在这种衰变形式中，质量数再次保持不变，原子序数减少了 1。

伽马衰变

伽马衰变涉及不稳定原子核以电磁辐射的形式释放能量。

您应该从高中物理中记得，电磁辐射 是我们迄今为止发现的最大物理现象。辐射可以用其频率、波长和能量来描述。从辐射能量的角度考虑，我们有非常低能量的电磁辐射，称为无线电波，能量稍高的红外辐射，能量更高的可见光，然后是紫外辐射，这些辐射的能量更高的形式称为X射线和伽马射线。您还应该记得，这些辐射形成了所谓的电磁频谱。

在继续之前，暂停一下，思考一下 X 射线和伽马射线之间的区别是有益的。这两种形式的辐射都是高能电磁射线，因此实际上是相同的。它们之间的区别不是它们是什么，而是它们来自哪里。一般来说，我们可以说，如果辐射来自原子核，则称为伽马射线；如果来自原子核外部，例如来自电子云，则称为 X 射线。

在我们考虑伽马衰变的不同形式之前，还有最后一点需要注意，那就是这种高能射线究竟是什么。在实验中发现，伽马射线（以及 X 射线）有时表现为波，有时表现为粒子。这种波粒二象性 可以用原子层面的质量和能量等价来解释。当我们描述伽马射线为波时，发现使用频率和波长等术语是有用的，就像任何其他波一样。此外，当我们描述伽马射线为粒子时，我们使用质量和电荷等术语。此外，术语电磁光子 用于这些粒子。然而，这些光子有趣的一点是，它们既没有质量，也没有电荷！

伽马衰变有两种常见形式

(a) 异构跃迁

处于激发态的原子核可以通过发射伽马射线达到其基态或非激发态。

这种衰变类型的一个例子是锝-99m 的衰变，顺便说一下，锝-99m 是当今医学中用于诊断目的最常见的放射性同位素。该反应可以表示为

${}_{\mathbf {43} }^{\mathbf {99m} }\mathbf {Tc}$ → ${}_{\mathbf {43} }^{\mathbf {99} }\mathbf {Tc}$ + $\gamma$

这里，一个锝-99 原子核处于激发态，即它具有过量的能量。在这种情况下，激发态被称为亚稳态，因此原子核被称为锝-99m（m 代表亚稳态）。激发的原子核通过发射伽马射线释放其多余的能量，成为锝-99。

(b) 内转换

在这里，处于激发态的原子核的多余能量传递给一个原子电子，例如 K 层电子。

衰变方案

衰变方案 广泛用于直观地表示放射性衰变。下面显示了一个相对简单的衰变的方案

该方案是针对氢-3 的，氢-3 通过发射能量为 0.0057 MeV 的 β 负粒子衰变为氦-3，半衰期为 12.3 年。

铯-137 衰变的方案更复杂。

这种同位素可以通过两种 β 负过程衰变。在 5% 的衰变中，发射能量为 1.17 MeV 的 β 负粒子，产生钡-137。在更频繁发生的第二种衰变中（在剩余的 95% 的衰变中），发射能量为 0.51 MeV 的 β 负粒子，产生钡-137m，换句话说，是处于亚稳态的钡-137 原子核。然后，钡-137m 通过异构跃迁衰变，释放能量为 0.662 MeV 的伽马射线。

右侧的图表说明了用于衰变方案的一般方法。

能量在纵轴上绘制，原子序数在横轴上绘制，尽管这些轴在实际方案中很少显示。方案起源的同位素显示在顶部，上面是 X。这种同位素被称为母体。母体在衰变时会损失能量，因此衰变产物称为子体，绘制在较低的能量水平上。

该图说明了常见放射性衰变形式的情况。左侧说明了 α 衰变，其中质量数减少了 4，原子序数减少了 2，产生了子体A。在它的右侧，显示了 β 正衰变的方案，产生子体B。β 负衰变后紧随伽马衰变的情况显示在图表的右侧，其中分别产生了子体C 和D。

选择题

点击这里 以访问有关放射性衰变的选择题。

外部链接

• 辐射基础知识 - 来自辐射效应研究基金会的关于不同类型电离辐射的概述 - 一个为和平目的进行研究的日本-美国合作研究机构。
• 辐射与生命 - 来自世界核能协会网站。
• 辐射与放射性 - 密歇根大学卫生物理学会学生分会开发的自我学习课程，包括关于辐射、放射性、原子、α 辐射、β 辐射和伽马辐射的部分。