再訪廣島

【德】麥考·帕默  著

郎倫友  譯

第二章  第三節

2.3 放射性

        化學反應性是由電子殼層決定的，而放射性則是原子核特有的性質。自然界裡存在的原子核大多數都是穩定的，但也有一些是不穩定的，這些不穩定的原子核會在某個時間點發生衰變。原子核的穩定性取決於原子核內中子與質子的比例，同時還取決於原子核的總體規模，即它的質子和中子數的總和。

        我們已經談過了氫的三種同位素（見2.1節）。氕和氘都是穩定的；而氚是不穩定的，因為它有過多的中子，所以它通過放射電子（e−）進行衰變：

        負電子的放射是通過把一個中子變為質子來保持平衡的，這個質子產生正電荷，從而解決了中子過剩的問題；所形成的原子核現在屬於一個不同的元素（氦He），並且因此而穩定了。（腳註3）

        在衰變中從原子核中彈射出來的電子具有相當大的能量，這種能量在途中由於與原子和分子衝撞而被消耗掉。在這些衝撞過程中，轉移的能量引起那些原子和分子的多餘電子被彈射出來，就會把被衝撞的原子和分子變為離子，而且還能破壞分子的化學鍵。沿放射路徑形成的離子很容易被檢測到。這種現象被稱為“電離輻射”，產生這种放射的核素被稱為放射性核素。

2.3.1 放射性半衰期和放射性活度

        單個原子核衰變的準確時間是不可預測的，但它在一定時期發生衰變的可能性是能夠預測的。這是討論的同位素的一個固有的特性。衰變按照這樣的模式進展——一個個體的衰變以一定的速率轉換是與它本身的豐度成正比例的——可以用一個指數函數表達：

        在這個方程式里，No是時間為0時（t=0）的原子數量，Nt是經過一段時間（t）後剩餘的原子數量。在討論中，壽命（T）是把一個給定原子數量（No）的核素減少到殘留量（No/e）所需要的時間。而實際上，我們可以用核素的半衰期（t1/2）的概念，即No減少到一半所需要的時間。（腳註4）就氚來講，它的半衰期是12.3年。

        方程式2.2表明，一個核素剩餘的數量Nt是時間的指數函數。Nt的第一導數是核素的活性（At）：

        放射活性以1/秒為單位計量，在本書中（腳註5）稱作貝可勒爾（Bq）:1Bq= 1/秒（）

        在公式2.3中所涉及的這種關係，在關於氫的三個核素的示意圖2.2中加以了說明，都是在t=0時相同數量（No）的表現。因為壽命是作為指數前項的分母出現的，所以該核素的壽命最短——或者說半衰期最短。我們舉例說，半衰期是一天——顯示出每單位量核素的最高活性，或者說特有的活性。然而20天后——即20個連續的半衰期——它的活性就降到了初始值的百萬分之一左右。儘管如此，該核素經過最長的半衰期（100天）後，仍然在可以觀察的水平上存在，甚至在200天之後也是如此。

圖2.2 具有不同半衰期的三種假設核素的活性時間曲線。

A圖和B圖：Activity(relative)：活性（相對的）；Days after detonation：起爆後的天數；nuclide A (half-life 1 day)：核素A（半衰期1天）；nuclide B (half-life 10 days)：核素B（半衰期10天）；nuclide C (half-life 100 days)：核素C（半衰期100天）。

在時間0點，核素A-C的量是相同的，但半衰期最短的核素A的活性最高。然而，三個星期後，A幾乎消失了；200天后，只有核素C依然在可以觀察到的水平上存在。A圖和B圖描繪了相同的假設衰變，但B圖中的半對數格式更好地顯示了程度非常不同的活性。

        在自然界或人工的核反應中，半衰期的長度比我們所舉的例子有非常大的多樣性——具體地說，從幾分之一秒到上百萬年。因此它們各自具有極其不同的活性。有些核素是在核彈爆炸中產生的，它們的半衰期非常短，在這樣非常短的時間裡，非常高的活性只是“曇花一現”，有時持續時間都沒有爆炸本身長；另外一些核素到了很久以後還能檢測到，因為它們相當低的特有活性對急劇爆發的輻射劑量無關緊要。

2.3.2 放射性衰變的類型

        從觀察到的氚的衰變形式——一個中子轉變為質子，一個電子從原子核里彈射出來——是非常普遍的，這對於鈾和鈈的裂變產物尤其重要（見後面的章節）。它被稱為β-衰變，更確切地說是負β-衰變，因為被彈射出的電子帶的是負電荷。

         有些進行β-衰變的核素同時也可能發射出一個中子，這種情況比較罕見，發生在破裂的原子核之中，是核裂變的結果。緩發中子是核彈所釋放的中子輻射的組成部分。

        許多情況是，一個正在衰變的原子核在衰變的過程中不能消耗所有的可用能量 ， 剩餘的能量就在這個過程中，通常是在不久以後放射出來 ，被稱為γ-粒子，是一種光子——與光同屬一種性質的粒子，但具有更高的能量（而且波長相對的短）。γ-粒子或叫γ-射線還可以由原子核產生，原子核需要消耗掉來自其他過程的多餘的能量，包括α-衰變、核裂變，或中子的非彈性碰撞（見下文）。

        當 氚的原子核和大多數核裂變產生的原子核含有太多的質子，為保持穩定性而進行負β-衰變時，相反的過程也會發生。中子過多的不穩定同位素有可能通過“反向的”β-  衰變即電子俘獲去實現穩定。  在這種情況中，該核素從原子殼層獲得一個電子，它的一個質子因此轉變為一個中子。這個原子核可能會通過γ-輻射再次釋放多餘的能量。碘的同位素碘125（125I）就是一個例子，它會衰變成碲（Te）的一種同位素：（腳註6）                                                                                      

        在α-衰變中發射的粒子比β-衰變中的粒子既大又重——它含有兩個質子和兩個中子，因此與穩定的氦的同位素4He的原子核完全相同。非常重（腳註7）的元素的α-衰變特別重要，例如鐳、釷、鈾以及質子數超過鈾的原子序數的人工生成元素。這些“超鈾元素”中，尤其是鈈，是由鈾的同位素鈾238在核反應堆里通過中子俘獲和隨即發生的兩次β-衰變而產生的。（見下文）α-衰變也可能伴有γ-輻射的釋放。

2.3.3 衰變鏈

        放射性衰變的產物本身可能也是不穩定的，於是依次進行衰變，連續的衰變就會形成一個鏈條，這個鏈條會持續許多代。自然界裡一個重要的衰變鏈條始於，終於鉛（

），鉛是穩定的。核子的總量減少了32，相當於8個α-粒子。8次α-衰變使質子減少16，而實質上差距只是10，這就是說肯定有6個中子通過β-衰變轉變為質子。因此α-衰變和β-衰變總共衰變了14次。

        鈾238的半衰期是44.7億年，比所有中位的核素的半衰期都長許多。這裡有一個有趣的結果：活性，即每個單位時間衰變的數量，在不受干擾的情況下，天然鈾礦石樣品中所有鏈狀分子的數量，實際上將是相等的。要弄清楚為什麼，就假定從一個純鈾238樣品開始。當鈾以非常低的、幾乎是不變的活性進行衰變時，它的妹妹核素（234Th，釷234，釷的一個同位素）就會逐漸增加；釷的半衰期只有24天，因此將迅速衰變；它只能使增加它的衰變速率達到它的形成速率，這個速率當然是與鈾238的活性相同的。同樣的原理也適用於所有其他的中等程度的衰變，包括鈾的同位素鈾234；鈾234形成於釷下游的兩次β-衰變。因此，在天然的鈾中，儘管鈾234不夠豐富，鈾238與鈾234的活性應該是相同的。當我們分析研究廣島炸彈的塵埃時，將用得着這個關係。（見3.1節）

【腳註】

3，這個反應釋放一個反中微子（寫作），一種不帶電荷、質量非常小的亞原子粒子。它會帶走衰變過程中釋放的大部分能量，但它在生物輻射效應方面是無關緊要的。

4，在這兩個時間參數之間存在一種簡單的關係：=ln2T=0.693T 。此外，T的倒數被定義為速率常數K。因此我們可以寫作 。

5，在波頻率中，同樣的基本單位（1/秒）被稱為赫茲（Hertz, Hz）。

6，由碘125發出的γ-射線使用非常方便。它很軟弱，用少量的鉛就能屏蔽；但它又很強硬，不會被不均勻的樣品所圍困。而且這種同位素的壽命（59天）能夠在靈敏度和樣品的穩定性之間保持很好的平衡。碘125很容易與感興趣的蛋白質或藥物分子偶聯，因此它作為示蹤劑被廣泛應用於生化實驗中。

7，“重”這個詞在本文中指的是單個原子核的質量，而不是一個固體材料的密度。當然二者是相關的——具有重原子核的元素也就具有高密度。