放射性現(xiàn)象及射線的基本性質(zhì)
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-08-09
組成單質(zhì)和化合物分子的最小粒子稱(chēng)原子。原子由原子核及核外電子組成，原子核由不同數(shù)目的質(zhì)子和中子組成。核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的總和稱(chēng)為質(zhì)量數(shù)。一個(gè)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷(用“e”表示)，一個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷，而中子不帶電荷。原子的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和核外電子數(shù)相等，所以原子作為一個(gè)整體呈電中性。
原子的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)實(shí)際上就是元素的原子序數(shù)。核內(nèi)具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的一類(lèi)原子叫做核素。例如238U、234U、232Th它們都分別是一種核素。而核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的核素，在元素周期表中居于同一位置，則稱(chēng)為同位素。例如238U和235U是同位素，232Th和230Th是同位素等等，某種元素的同位素，由于其質(zhì)子數(shù)相同(核電荷相同)、中子數(shù)不同，這就決定了它們的質(zhì)量數(shù)雖然不同，但化學(xué)性質(zhì)幾乎是相同的。
自然界某些核素的原子核能自發(fā)地變?yōu)榱硪环N核素的原子核，并伴隨著放出射線的過(guò)程叫放射性衰變，這種現(xiàn)象叫放射現(xiàn)象，核素的這種性質(zhì)稱(chēng)為放射性，具有這種性質(zhì)的核素叫放射性核素。
放射性核素衰變時(shí)放出α射線的稱(chēng)α衰變。放出β射線的稱(chēng)β衰變。伴隨α、β衰變，還往往放出γ射線(或稱(chēng)γ光子)。
α射線是一種高速運(yùn)動(dòng)著的帶正電的粒子流，也叫α粒子，其能量介于4-8兆電子伏之間。這種粒子系由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，帶兩個(gè)單位的正電荷，質(zhì)量數(shù)為4，實(shí)際上是氦的原子核。由于α粒子帶正電，所以在磁場(chǎng)內(nèi)射線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
β射線是一種帶負(fù)電的粒子流，即電子流。其速度很快，接近光速，質(zhì)量很小，帶一個(gè)單位的負(fù)電荷。β射線在磁場(chǎng)中也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)的程度比a射線大，方向與α射線相反。
γ射線是件隨α、β衰變放出的一種波長(zhǎng)極短的電磁輻射。當(dāng)原子核發(fā)生α、β衰變時(shí)，新生成的原子核往往處于激發(fā)狀態(tài)，當(dāng)它由激發(fā)狀態(tài)回到正常狀態(tài)時(shí)，就以γ光子的形式放出多余的能量，不同的放射性核素衰變時(shí)所放出的γ射線的能量是不同的，一般介于幾萬(wàn)到幾兆電子伏之間。γ射線本身不帶電，故在磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
三種射線作用于周?chē)镔|(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生一些現(xiàn)象。以下簡(jiǎn)單介紹與放射性地質(zhì)工作有關(guān)的幾種現(xiàn)象：
(1)穿透物質(zhì) 射線具有穿透物質(zhì)的能力，它在物質(zhì)中穿行的距離叫射程。射程越長(zhǎng)，表示其穿透能力越強(qiáng)；射程越短，表示穿透能力越弱。不同種類(lèi)的射線，其射程長(zhǎng)短不同。同一種射線的射程，則取決于射線的能量及被穿行物質(zhì)的性質(zhì)。
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0℃、760毫米汞柱)下，α粒子隨著其本身的能量不同，在空氣中的射程為2.5-8.6厘米；β射線的射程為4-130厘米，最長(zhǎng)可達(dá)幾米；γ射線的射程為100-200米，它們的穿透能力之比約為α：β：γ＝1：100：10000。在固體中三種射線的穿透能力均大大減小。一張紙或0.004-0.005厘米厚的鋁箔，就可把α射線全部屏蔽；0.5厘米厚的鋁板可以擋住β射線，而要擋住γ射線則需50-60厘米厚的鋁板才行。
(2)電離作用 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，可以把部分能量傳遞給該物質(zhì)中的束縛電子(外層電子)，使其從電子殼層中逸出成為自由電子，而原子則變成帶正電的離子，這種作用叫做電離作用，如果束縛電子所獲得的能量不足以使它變成自由電子，而只躍遷到更高的能級(jí)，則稱(chēng)為激發(fā)作用，各種射線的電離作用能力(在單位距離上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù))各不相同，α射線最強(qiáng)，β射線次之，γ射線最弱，其比例大約為α：β：γ＝10000：100：1，靜電計(jì)和一般的幅射儀就是根據(jù)射線的電離作用來(lái)測(cè)定物質(zhì)的放射性強(qiáng)度的。
此外，β射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)還能產(chǎn)生軔致輻射，它是由于β粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)與原子核庫(kù)倉(cāng)場(chǎng)相互作用，突然改變運(yùn)動(dòng)方向或運(yùn)動(dòng)速度，其一部分能量轉(zhuǎn)變而成的電磁輻射，也叫軔致倫琴射線。γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，則能發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和光生電子偶效應(yīng)。
(3)熒光作用 射線射到某些物質(zhì)上(如硫化鋅、碘化鈉等)，能激起熒光或磷光，熒光的強(qiáng)弱決定于射線的強(qiáng)度。閃爍探測(cè)器就是利用γ射線能使碘化鈉晶體產(chǎn)生熒光，而測(cè)定射線的能量的。
(4)感光作用 射線與日光一樣，可使碘化銀分解，使照像底片感光。感光程度與放射性強(qiáng)度及射線照射時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。這種作用被用于研究巖石標(biāo)本中是否含有放射性礦物。
(5)產(chǎn)生熱量 射線被物質(zhì)吸收，動(dòng)能轉(zhuǎn)為熱能，可使含有放射性物質(zhì)的巖石本身及其周物質(zhì)溫度升高。由實(shí)驗(yàn)和計(jì)算可知，1克鈾每小時(shí)產(chǎn)生9.2×10(-5次方)卡的熱量，1克鐳每小時(shí)放出的熱量為138卡。三種射線中α射線的熱效應(yīng)最大。放射性衰變所產(chǎn)生的熱量對(duì)于地球的動(dòng)力活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及成礦作用有著重要的影響。
(6)射線作用可以引起物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及其它變化 如使H2O、HCl、NH4+分解，使有機(jī)組織的分子破壞而造成細(xì)胞的死亡，等等。射線還能使巖石變色或褪色(石英變黑、螢石變紫、炭質(zhì)頁(yè)巖褪色)。三種射線中以α射線產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)的能力最大。
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