FHSST 物理/原子核/放射性

放射性

如前所述，原子核经历着质子之间的电斥力和核子之间核吸引力之间的激烈斗争。因此，许多原子核不稳定并不令人惊讶。它们可以自发地（即没有外部推动）分解成碎片。当碎片到达短程核吸引力消失的距离时，它们会通过电力相互猛烈地推开。因此加速，它们像小子弹一样朝不同方向移动，并在前进的道路上造成破坏。这是核放射性的一种例子，但还有其他几种放射性衰变类型。

放射性的发现

1896年，安托万·亨利·贝克勒尔发现了核放射性。在威廉·伦琴发现X射线之后，贝克勒尔继续研究这些神秘射线。

贝克勒尔选择用来工作的材料包含铀。他发现，含有铀并暴露在阳光下的晶体会在包裹在黑纸中的感光板上成像。他错误地得出结论，太阳的能量被铀吸收，然后发射X射线。事实的真相是由于糟糕的天气而揭示的。katie

1896年2月26日和27日，巴黎上空乌云密布，贝克勒尔打算放在阳光下的铀晶体被放回抽屉，并（偶然）放在感光板上。3月1日，贝克勒尔冲洗了感光板，令他惊讶的是，发现感光板上的图像清晰而强烈。因此，铀在没有像太阳这样的外部能量源的情况下发射辐射。这是对核放射性的首次观察。

后来，贝克勒尔证明铀辐射与X射线相似，但与X射线不同，它可以通过磁场偏转，因此必须由带电粒子组成。由于他发现了放射性，贝克勒尔获得了1903年诺贝尔物理学奖。

核α，β和γ射线

揭示核辐射复杂内容的经典实验如下。镭晶体（另一种放射性元素）被放置在厚铅块中制成的窄直通道的底部，一侧敞开。铅吸收了除沿通道移动的粒子以外的所有东西。因此，该装置产生了像机枪一样朝一个方向移动的粒子流。在通道前面是一个可以记录粒子的感光板。

在没有磁场的情况下，感光板上的图像呈单点状。当该装置浸入垂直磁场中时，粒子流被分成三股流，这反映在感光板上的三个点上。

三股流中的一股是直的，而另外两股则向相反的方向偏转。这表明初始流包含正、负和中性粒子。它们分别被命名为$\alpha$ $\beta$, 和 $\gamma$ 粒子。

α射线被发现是⁴He原子核，由两个质子和两个中子结合在一起。它们穿透能力弱，几厘米的空气或几张纸就可以有效阻挡它们。β射线被证明是电子。它们比α粒子具有更大的穿透能力，可以穿透 3 毫米厚的铝。γ射线不会被偏转，因为它们是高能光子。它们与无线电波、可见光和 X 射线具有相同的性质，但波长更短，因此能量更高。在三者之中，γ射线具有最大的穿透能力，可以穿透几厘米厚的铅，并在另一侧被探测到。

电离辐射的危害

α、β和γ粒子在穿过物质时，会与原子碰撞并击出其中的电子，即使原子成为正离子。这就是这些射线被称为电离辐射的原因。

除了电离原子外，这种辐射还会破坏分子。对于人类和所有其他生物来说，这是辐射最危险的特征。想象一下，数千颗微小的子弹穿过你的身体，并在它们的路径上造成破坏。虽然人们在暴露于核辐射时不会感到任何疼痛，但它会损害身体的细胞，从而使人患病甚至死亡。疾病可能会在人们暴露于核辐射数年后才显现出来。例如，电离粒子可以随机改变 DNA（存储所有关于特定细胞如何在体内运作的信息的长链有机分子）。结果，一些具有错误 DNA 的细胞可能成为癌细胞。

幸运的是，我们的身体能够修复辐射造成的某些损伤。事实上，我们不断受到来自外太空以及地球内部的辐射轰击，但仍然能够生存。然而，如果损伤的数量变得太大，身体将无法再应对它们。

已经确定了对人体安全的人体辐射规范和可接受限值。如果你要与放射性物质接触或在放射性物质附近工作，请确保监测暴露剂量并遵守限值。

你应该明白，没有任何服装可以保护你免受γ射线！只有厚厚的混凝土或金属墙壁才能阻止它们。人们在处理放射性物质时穿的特殊服装和面具，并非保护他们免受射线，而是保护他们免受这些物质的污染。想象一下，如果几颗放射性尘埃污染了你的日常衣服，或者你吸入了放射性原子。它们会一直陪伴在你身边，即使你睡着时也会向你发射子弹。

在许多情况下，保护自己免受辐射的一种非常有效的方法是保持一定的距离。来自核源的辐射均匀地向所有方向传播。因此，每秒通过单位面积（例如 1cm²）的危险粒子数量 n，等于 1 秒内发射的粒子总数 N 除以球体的表面积

$n={\frac {N}{4\pi r^{2}}}\$,

其中 $r$ 是我们进行观测的距离。从这个简单的公式可以看出，辐射强度随着距离的平方而下降。换句话说，如果将距离增加一倍，你所受到的辐射量将减少四倍。

衰变规律

不稳定的原子核会自发衰变。一个给定的原子核可能在下一刻、明天甚至下一个世纪衰变。没有人能预测它何时会发生。尽管这种情况看似混乱且不科学，但这一切都遵循着严格的规律。

原子核作为微观物体，遵循量子概率规律。虽然我们无法预测其衰变的确切时刻，但我们可以计算出原子核在特定时间间隔内衰变的概率。原子核的衰变是由于其内部动力学引起的，而不是因为它们变得老化或以某种方式腐烂。

为了说明这一点，让我们假设昨天早上我们发现一个特定的原子核在 24 小时内衰变的概率为 50%。然而，今天早上我们发现它仍然存活。这一事实并不意味着它在接下来的 24 小时内衰变的概率会增加。根本不会！它仍然保持不变，为 50%，因为原子核保持不变，它没有任何问题。这种情况可以持续数百年。

事实上，我们从未处理过单个原子核，而是处理过大量相同的原子核。对于这类量子对象的集合（系综），概率规律会变成统计规律。让我们假设在上面的例子中，我们有 100 万个相同的原子核，而不是只有一个。那么，到今天早上，这些原子核中只有一半会存活下来，因为它们在 24 小时内衰变的概率为 50%。在剩下的 50 万个原子核中，到明天早上会有 25 万个会衰变，然后在接下来的 24 小时后，只剩下 12.5 万个，以此类推。

仍然存活的不稳定原子核的数量会随着时间的推移而不断减少，其变化趋势如图 15.2 所示。

图：15.2 T1/2 是指一半初始数量的不稳定粒子衰变所需的时间，被称为它们的半衰期。

如果最初，在时间 $t=0$，它们的数目为 $N_{0}$，那么在一定的时间间隔 $T_{1/2}$ 之后，只有这些原子核的一半会保留下来，即 ${\frac {1}{2}}N_{0}$。剩余一半的原子核的另一半将在另一个相同的时间间隔内衰变。所以，经过时间 $2T_{1/2}$，我们只有最初数量的四分之一，以此类推。时间间隔 $T_{1/2}$，在此期间一半不稳定原子核衰变，被称为它们的半衰期。它对于每个不稳定原子核来说都是特定的，并且从几分之一秒到数千年、数百万年不等。表 15.2 给出了几个这种寿命的例子。

表 15.2： 几种不稳定同位素的半衰期。

同位素	T1/2	衰变模式
${}_{84}^{214}$Po	$1.64\times 10^{-4}$ s	$\alpha ,\gamma$
${}_{36}^{89}$ Kr	3.16 分钟	$\beta ^{-},\gamma$
${}_{86}^{222}$ Rn	3.83 天	$\alpha ,\gamma$
${}_{38}^{90}$Sr	28.5 年	$\beta _{}^{-}$
${}_{88}^{226}$ Ra	$1.6\times 10^{3}$	$\alpha ,\gamma$
${}_{6}^{14}$C	$5.73\times 10^{3}$	$\beta _{}^{-}$
${}_{92}^{238}$U	$4.47\times 10^{9}$	$\alpha ,\gamma$
${}_{49}^{115}$In	$4.41\times 10^{14}$	$\beta _{}^{-}$

放射性年代測定

检查衰变产物的数量使得放射性年代測定成为可能。最著名的就是碳测年，一种只适用于曾经活过的物质的放射性年代測定方法，这些物质被认为与大气处于平衡状态，通过光合作用从空气中吸收二氧化碳。

宇宙射线质子轰击高层大气中的原子核，产生中子，中子反过来轰击大气中的主要成分氮。这种中子轰击产生了放射性同位素${}_{6}^{14}$C。放射性碳-14 与氧气结合形成二氧化碳，并被纳入生物循环。

同位素${}_{6}^{14}$C 在生物体内衰变（见表 15.2），但会从空气和食物中得到补充。因此，当生物体活着时，这种同位素在体内的浓度保持不变。生物体死亡后，来自呼吸和食物的补充停止，但死体内的同位素继续衰变。因此，${}_{6}^{14}$C 的浓度会根据图 15.2 所示的曲线逐渐降低。图中的时间$t=0$对应于死亡时刻，而$N_{0}$ 是${}_{6}^{14}$C 在生物体内的平衡浓度。

因此，通过测量曾经活着的物质的放射性发射，并将它的放射性与今天活着的生物的放射性平衡水平进行比较，就可以估算出时间差。例如，如果一块木材的放射性发射率（由${}_{6}^{14}$C的衰变引起）比活树低一半，那么我们可以得出结论，我们处于$t=T_{1/2}$的点上，即它正好经过了一个半衰期。根据表15.2，这意味着这块木头所来自的树木大约是在5730年前被砍伐的。

这就是物理学家帮助考古学家对各种有机材料进行年代测定的方法。