[其它杂谈]核能史话  三个天然放射系 [第9页]

第一章：放射性的发现

8、三个天然放射系

    从镭射气的发现，到卢瑟福和索第的放射性衰变学说得到验证，科学家们对各种放射性物质的衰变现象进行了极为广泛的研究。结果知道了铀能产生镭，镭又产生氡，而氡本身也是放射性的。

    氡又将会袁变成什么呢？铀中的镭又是经过哪些衰变过程产生的呢？这些问题期待着物理学家们去深入研究并加以解决。而放射性衰变现象的发现，本身就否定了以前认为原子是永恒不变的见解。为此，人们必须寻找新的概念，建立新的能反映客观规律的学说。

    所谓放射性衰变，就是指某一种特定的放射性元素，能自发地放射“某些特定的射线，从而由一种元素的原子转变为另一种元素的原子的现象，而所放出的射线就是化学元素原子开始衰变的信号。

    当然，放射性衰变也存在着一定规律，即它并不是整个物质一下子全都发生衰变，而是在某一瞬间内，衰变的原子数目和已有的放射性原子数成正比。也就是说，只有一定量的原子参与衰变，其它原子则随后继续衰变。

    因此，我们在研究放射性衰变时，不仅要知道衰变时放出什么样的射线(或粒子)，生成什么新元素；而且还应知道它们随时间的变化规律，即在单位时间内放射出多少粒子和多少原子发生了衰变。

    描述放射性衰变的快慢通常是用半衰期来表示的，所谓半衰期就是指原有放射性原子的数量减少一半所需的时间，其单位用年、月、天、分或秒表示。对于不同的放射性元素，其数值相差很大。例如，铀的半衰期为45亿年，镭的半衰期为1600年，而镭射气—氡的半衰期为3.82天。

    经过科学家们的辛勤劳动，现在我们已知道，在自然界中原子序数大于83(铋)的元素都是放射性元素。人们根据它们的衰变特性和衰变产物相互间的关系，可把某一种放射性元素的全部衰变产物排列在一起。这样就能组成该放射性元素的放射系。科学家们发现在自然界中存在三个放射系，即铀－镭系、钍系和铀－锕系。后来，由于对超铀元素的研究，找到了第四个系列，即镎系。

    铀－镭系的原始核是铀238，它共经过14次连续衰变，包括8次发射α粒子的衰变和6次发射β粒子的衰变，最后衰变为成为不带放射性的稳定核素铅206。居里夫妇所发现的镭及氡都是这个衰变链的中间产物，故放也称为铀—镭系。

    新发现的镎系其起始核是钚241，此放射系共经过13次连续衰变，包括8次α衰变和5次β衰变。终核是由半衰期为3.25小时的铅的同位素铅209衰变后，得到的稳定核素铋209。

    钍系衰变系的起始核是钍212，共经过10次连续衰变，包括6次α衰变，4次β衰变，最后衰变成的终核是稳定核素铅208。

    铀－锕系衰变的起始核是铀的一种同位素铀235，共经过11次连续衰变，其中7次是α衰变和4次β衰变，终核是稳定核素铅207。

    我们知道，在α衰变中放射的是α粒子，其质量数和氦核相等，故衰变后的核质量数与原来要差4个单位。同时α粒子带2个单位正电荷，故衰变产物的原子序数要差2。而β衰变时，衰变产物的质量数不变，原子序数要增加1。

    由此可知，在衰变链中，各种衰变产物的原子量都和4的正整数倍有关。并可得出以下结论，即钍系衰变链产物的原子量符合4n(n为正整数)规则。铀系符合4n十2的规则，锕系符合4n十3的规则。于是人们推测一定还存在符合4n十l的放射系列。后来经过科学家的努力，结果在本世纪五十年代中期，找到了镎系衰变链的产物，的确能满足4n十1的规则。因此有人按照质量数规律将放射性核素分成4n，4n十1，4n十2和4n十3四个放射系。

    此外，我们从衰变链中可以看出，在某些环节上某一放射性核素可以存在两种衰变方式。这些精细结构都是随着测量精度的提高而逐渐发现的，而且今后仍有可能会找到某些更复杂的形式，对衰变链进行补充和修正。

    如果我们更仔细观察这些衰变链，还可以发现一个十分有用的规律。即当α衰变时，由于失去2个单位正电荷，其子体位置将是位于周期表上母体左边两格的元素；β衰变时，生成的子体应是位于周期表中母体右边一格的元素。这就是索第首先发现的位移定律，它对近代原子核理论起过很大作用，即使今天仍非常有用。

    另外，从衰变链中还可看到一些化学性质完全相同，并具有同样原子序数，在周期表中处于同一位置的元素。如原子序数为90的钍元素，在四个衰变链中共有钍227到钍234七个核素。它们的原子量各不相同，更重要的是它们的放射性衰变特性也完全不同，即核特性截然不同。

    如钍234衰变时放出β粒子，变成同镤234。而钍230却进行α衰变，变成镭226。它们的半衰期也相差很大，前者为24.1天，后者却是8万年。我们把在元素周期表中占据同一位置，质子数相同而中子数不同的元素叫做同位素。稳定元素也有同位素，如三个天然放射系的最终产物都是稳定的铅同位素，它们分别为铅206、铅207、铅208。虽然稳定同位素不会衰变，但它们的核特性差别也很大，铅207吸收热中子的能力要比铅208高出一千多倍。

    最后，从铀系衰变链中，可以看到一种奇特现象，即存在着两种不同半衰期的镤，一种是1.18分的镤234；另一种是6.7小时的镤234，但它们的原子序数和原子量都相同。

    我们把这种原子序数和原子量都相同，而衰变特性不同的这些放射性核素所处的状态，称作为同质异能态，这种状态在自然界中是比较少见的。