放射性衰变的种类和特征

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放射性衰变(decay)是指某一特定能态的核素从该能态上的自发核跃迁。这种跃迁总是以发射粒子(射线)的形式释放出能量。衰变前后的核分别称为母核(或母体)和子核(或子体)

1．α－衰变。放射性核素(的原子核)自发发射出一个α－粒子转变成另一个核素的过程称为α－衰变，它的变化式是。其中X，A和Z分别表示初始(母)核素，它的原子质量数及原子序数。Y表示终止(子)核素，α粒子是由两个中子和两个质子组成，即氦的原子核，因此也可写成。衰变产生的终核原子序数比初始核少2，原子质量数则少4。α－衰变发射出的α－粒子的能量不是连续的，而是一组或几组单能粒子，一般只是重核素才会产生α－衰变。

2．β－衰变。β衰变有三种形式。第一种形式是，即放射性核素X的原子核发射出一个负电子和一个反中微子，形成一个比初始核原子序数大1的终核，这一过程称为负β衰变；第二种形式是，即初始核X发射一个正电子和一个中微子，这一过程称为正β衰变；第三种形式是，即原子核从核外电子壳层吸收一个电子并放出一个中微子，形成一个比初始原子序数小1的终核，这一过程称为电子俘获。这三种形式的原子质量数都不变，无论是正β衰变还是负β衰变，对于某给定的核素，它发射出的正电子或负电子的能量分布是连续的，但都有一个固定的能量上限。在电子俘获过程中，原子核吸收核外电子壳的内层电子以后，内层电子的空穴由外层电子补充，这时就释放出特征X－射线。

3．γ－射线。放射性核素经β－或α－衰变后，不一定进入终(子)核的基态，在多数情况下是进入激发态，然后以发射光子的方式退激到基态。这一过程发射的光子称为γ－射线。由于衰变后进入激发态的能级不同，发射的γ－射线能量也不同。在β－衰变情况下，有时由激发态经过另一个(或一个以上)较低能级才退到基态，这时每次衰变就伴随有两个(或两个以上)的γ－射线。后两种情况都造成衰变伴随的γ－射线能谱有相应的几组能量。

4．内转换电子及俄歇(Auger)电子。放射性衰变后处于激发态的子核素，除以发射γ－射线的形式释放出能量外，还有另一种释放出能量的形式，即将能量传给原子内层轨道电子，这一过程称为内转换，由此过程发射出的电子称为内转换电子。和电子俘获过程一样，原子的内层轨道电子的空位由外层电子补充而发射出特征X－射线。俄歇电子和内转换电子很相似，差别在于是原子的激发能量直接传给原子的外层轨道释放出来的电子。

5．同质异能态。放射性衰变后处于激发态的子核有时不是立即而是处于一种亚稳态，经过相当一段时间才跃迁到它的基态，因此它也存在着明显的放射性。这种由激发态的子核经延迟退激到较低能态的同一核素的跃迁，称为同质异能跃迁。处于不同能态的同一种核素称为同质异能素或同质异能核素。这种处于亚稳态的子核核素常常在其符号的原子质量数后面加一英文字母m，例如⁹⁹Mo衰变至处于0．143MeV能级的亚稳态的⁹⁹Te，它可存在数小时，记为^99mT_C，在同质异能素衰变为放射性子体的情况下，有时也用g表示其子体的基态，例如，^81gKr是^81mKr的放射性子体。

6．衰变纲图。放射性核素的衰变方式常用衰变纲图来表示，以下仅举两个核素的衰变纲图为例说明(图10．2－1)

图10．2－1 放射性核表衰变纲图

图中(a)呈的衰变纲图它的半衰期为2．695d，子核为。带箭头的斜线表示¹⁹⁸Au发射的三种能量的β－射线，图中注出了各分支β射线的能量E_β和分支比I_β。带箭头的向下直线为γ－射线，数字表示它们以keV表示的能量，百分符号表示该分支发射的几率，在411keV能级还有约4%的几率发射内转换电子。图(b)是的衰变纲图。半衰期为 3．89h，子核为。它的衰变方式可以是电子俘获(图中用EC表示)或发射β⁺粒子。图中注有分支的几率和β⁺_－射线的能量。由于子体核素的原子序数比母体原子序数小1，所以斜线箭头向左指。

7．放射性衰变系，有些原子核衰变后的子核不是稳定核素，它的子体，甚至子体的子体也是不稳定核素，这样就产生一代一代的连续衰变，直至最后一代为稳定的核素为止。这种几代同时长期存在的放射性核素称为放射性衰变系。显然，第一代母体的半衰期(见10．2．2节)必须较长，否则它就不可能与其后的子体共存。人们在发现放射性以后不久便知道了自然界中存在的三个放射性衰变系，即钍系、铀系和锕系，后来又发现了用人工产生的放射性衰变系镎系，由于它的半衰期比地球的寿命短得多，所以在地球中已不复存在。钍系第一代成员为²³²Th，半衰期为1．4×10⁴年，由于它及各代子体的原子量均为4的倍数，所以称为4n系。镎系第一代成员为，半衰期为2．2×10⁶年，它及各代子体均为4的倍数加1，所以称为4n+1系。同样，称铀系和锕系分别为4n+2和4n+3系，它们第一代成员和的半衰期分别为4．9×10⁸年和7．1×10⁸年。

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