原子核衰变质量守恒吗(原子核为什么会发生衰变)

类似于“点石成金”的事一直就在自然界中进行着,这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“衰变”过程。

一、原子核的衰变

原子核自发地放出α粒子或β粒子,由于核电荷数变了,它在元素周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变(decay)。

铀238放出一个α粒子后,质量数减少4,电荷数减少2,成为新核。这个新核就是钍234(图)。

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这种衰变过程叫作α衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示

²³⁸₉₂U→²³⁴₉₀Th+⁴₂He

在这个衰变过程中,衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和;衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量事实表明,原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。

放出α粒子的衰变叫做α衰变.

α衰变方程:

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α粒子的本质:α粒子的本质就是氦核,它由两个质子和中子组成.

α衰变的实质:在放射性元素的原子核中,两个质子和两个中子结合得比较牢固,会作为一个整体从放射性元素原子核中抛射出来,即为放射性元素发生的α衰变(2¹₁H十2¹₀n→⁴₂He),α衰变后生成的新元素的原子核,其核电荷数比衰变前少2,在元素周期表中的位置向前移动两位.

☞思考与讨论

在衰变中,新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系?相对于原来的核在元素周期表中的位置,新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移?要移动几位?你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗?

²³⁸₉₂U在α衰变时产生的²³⁴₉₀Th也具有放射性,它能放出一个β粒子而变为²³⁴₉₁Pa(镤)(图)。

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由于电子的质量比核子的质量小得多,因此,我们可以认为电子的质量数为0、电荷数为-1,可以把电子表示为⁰₋₁e。这样,原子核放出一个电子后,因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒,新核的质量数不会改变但其电荷数应当加1。其衰变方程为

²³⁴₉₀Th→²³⁴₉₁Pa+⁰₋₁e

放出β粒子的衰变叫作β衰变。

β衰变方程:

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β粒子的本质:β粒子就是电子.

β衰变的实质:原子核内的一个中子转化为一个质子,放出一个电子,即n¹₀→₁¹H+⁰₋₁e.

β衰变后生成的新元素,其核电荷数比衰变前增加1,在元素周期表中的位置向后移一位.

☞“电荷数之和”指代数和,因为发生β衰变时,电子的电荷数是-1。

☞发生β衰变时,除了产生电子⁰₋₁e外,还产生反电子中微子ve。由于的质量数和电荷数都是0,所以在中学教科书中一般都不写出。

☞思考与讨论

在衰变中,质量数、核电荷数有什么变化规律?原子核里没有电子,衰变中的电子来自哪里?

进一步的研究发现,β衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子(图),

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其转化方程是

n¹₀→H¹₁+⁰₋₁e

这种转化产生的电子发射到核外,就是β 粒子;与此同时,新核少了一个中子,却增加了一个质子。所以,新核质量数不变,而电荷数增加1。

事实表明,两个中子和两个质子能十分紧密地结合在一起,因此,在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来,于是,放射性元素就发生了α衰变。

原子核的能量也跟原子的能量一样,其变化是不连续的,也只能取一系列不连续的数值,因此,也存在着能级,同样是能级越低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,并放出γ光子。因此,γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。当放射性物质连续衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时伴随着γ射线辐射。这时,放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。

γ辐射

γ射线的本质:γ射线的本质是高能光子流,不带电,产生γ射线的元素在元素周期表中的位置不变.

γ射线的来源:伴随着α射线、β射线产生.放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时,蕴藏在核内的能量往往会释放出来,使产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,能量以光子的形式辐射出来.

一种元素只能发生一种衰变,但在一块放射性物质中可以同时放出α、β和γ三种射线。

原子核衰变方程的书写

(1)书写原子核衰变方程的依据

原子核衰变时电荷数和质量数都守恒,即衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和,衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和.

(2)书写原子核衰变方程应注意的问题

①中间用单箭头,不用等号.

②是质量数守恒,不是质量守恒.

③方程及生成物要以实验为基础,不能杜撰.

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二、半衰期

放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如氨222经过α衰变成为钋218。如图,

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横坐标表示时间,纵坐标表示任意时刻氨的质量m与t=0时的质量m的比值。如果隔一段时间测量一次剩余氨的数量就会发现,每过3.8d就有一半的氡发生了衰变。也就是说,经过第一个3.8d,剩有一半的氡;经过第二个3.8d,剩有1/4的氡;再经过3.8d,剩有的1/8的氡……因此,我们可以用“半衰期”来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫作这种元素的半衰期(half life)。

不同的放射性元素,半衰期不同,甚至差别非常大。例如,氨222衰变为钋218的半衰期是3.8d,镭226衰变为氡222的半衰期是1620年,轴238衰变为针234的半衰期竟长达4.5×10⁹年。

对于一个特定的氨原子,我们只知道它发生衰变的概率,而不知道它将何时发生衰变。一个特定的氨核可能在下1s就衰变,也可能在10min之内衰变,也可能在200万年之后再衰变。然而,量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。例如,对于大量氨核,可以准确地预言在1s后、10min后,或200万年后,各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期,描述的就是这样的统计规律。

☞衰变是微观世界里原子核的行为,而微观世界规律的特征之一在于“单个微观事件不可以预测”。

放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。例如,一种放射性元素,不管它是以单质的形式存在,还是与其他元素形成化合物,或者对它施加压力、提高温度,都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等,都不会影响原子核的结构。

半衰期公式:

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式中N₀、m₀表示衰变前放射性元素的原子数和质量,N、m表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,T表示半衰期.

半衰期是放射性元素稳定性的标志,不同元素的半衰期不同,半衰期越长,元素越稳定,寿命越长;反之,元素越不稳定,寿命越短.

(3)半意期是一个统计规律

半衰期是大量原子核变的统计规律,只对大量原子核有意义,对少数原子核是没有意义的、对于一个特定的原于核,无法确定其何时发生衰变,但可以确定各个时刻发生变的概率,即某时刻良变的可能性、因此,半期只适用于大量的原子核.

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例题:关于半衰期,以下说法正确的是(D)

A.同种放射性元素在化合物中的半衰期比在单质中长

B.升高温度可以使半衰期缩短

C.氡的半衰期为3.8天,若有4个氨原子核,经过7.6天就只剩下1个

D.氨的半衰期为3.8天,若有4克氨原子核,经过7.6天就只剩下1克

例题:为测定水库的存水量,将一瓶放射性溶液倒入水库中,已知这杯溶液每分钟衰变8×10⁷次,这种同位素半衰期为2天,10天以后从水库取出1m³的水,并测得每分钟衰变10次,求水库的存水量为多少?

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