核醫學基礎物理/放射性衰變

我們在上一章中看到，放射性是放射性原子核為達到更穩定狀態而採用的一種過程。人們常說這些原子核會衰變，以試圖達到穩定狀態。因此，本章的另一個標題是核衰變過程。

我們在上一章中還看到，我們可以使用核穩定曲線來描述正在發生的事情。因此，本章的另一個標題是進入核穩定曲線的方法。

我們將以描述或現象學的角度來介紹這個主題，即以一種相當簡單的形式描述我們所知道的每種主要衰變機制。再次提醒你，你可能已經在高中物理課上學習過這些內容。但請耐心聽講，因為這裡的內容將幫助我們為後面的章節做準備。

放射性衰變的方法

與其考慮單個原子核發生了什麼，不如考慮一個可以發生許多主要形式的放射性衰變的假設原子核。這個假設原子核如下圖所示。

一個可以發生多種形式放射性衰變的假設原子核。

首先，我們可以看到兩個質子和兩個中子以一個稱為α衰變的過程一起發射出來。其次，我們可以看到一個質子可以釋放一個正電子，這是一個稱為β正衰變的過程，一箇中子可以發射一個電子，這是一個稱為β負衰變的過程。我們還可以看到一個電子被一個質子俘獲。第三，我們可以看到一些能量（光子）被髮射出來，這是由一個稱為γ衰變的過程引起的，並且一個電子被吸引到原子核中，然後再次被彈射出來。最後，還有一個相當災難性的過程，即原子核裂成兩半，被稱為自發裂變。

我們現在將依次描述這些衰變過程。

自發裂變

這是一個非常具有破壞性的過程，發生在一些重的原子核中，這些原子核分裂成2或3個碎片加上一些中子。這些碎片形成了新的原子核，這些原子核通常是放射性的。核反應堆利用這種現象生產放射性同位素。它也用於核能發電和核武器。這個過程對我們來說並不重要，我們暫時不再贅述。

α 衰變

在這個衰變過程中，兩個質子和兩個中子以一個稱為α粒子的組合從原子核中離開。請注意，α粒子實際上是氦-4原子核。

那麼為什麼不叫它氦原子核呢？為什麼給它起另一個名字？這個問題的答案在於放射性發現的歷史。在這些輻射被發現的時候，我們並不知道它們到底是什麼。我們發現了一種型別的輻射帶有雙正電荷，直到一段時間後我們才知道它們實際上是氦-4的原子核。在它們被發現的最初階段，這種形式的輻射被命名為α射線（而另外兩種被命名為β射線和γ射線），這些術語是希臘字母的前三個字母。我們仍然出於歷史原因將這種形式的輻射稱為α粒子。用這個名字稱呼它也為該領域增添了特殊的行話，讓圈外人覺得這個學科非常專業！

但請注意，這種輻射實際上是由一個不穩定的更大的原子核發射出來的氦-4原子核。氦並沒有什麼奇怪的，因為它在地球上是一種相當豐富的元素。那麼為什麼這種輻射對人類有危險呢？這個問題的答案在於它們被髮射出來的能量，以及它們質量很大，並且帶有雙正電荷的事實。因此，當它們與生物物質相互作用時，它們會對它們遇到的分子造成重大破壞，因為它們試圖減速，並吸引兩個電子以成為一箇中性的氦原子。

這種衰變形式的一個例子發生在鈾-238原子核中。描述發生過程的方程式為

${}_{\mathbf {92} }^{\mathbf {238} }\mathbf {U}$ → ${}_{\mathbf {90} }^{\mathbf {234} }\mathbf {Th}$ + ${}_{\mathbf {2} }^{\mathbf {4} }\mathbf {He}$

這裡，鈾-238原子核發射出一個氦-4原子核（α粒子），母原子核變成釷-234。請注意，母原子核的質量數減少了4，原子序數減少了2，這是任何發生α衰變的原子核的特徵。

β 衰變

有三種常見的β衰變形式

(a) 電子發射

某些中子過量的原子核可能試圖透過將一箇中子轉化為一個質子併發射一個電子來達到穩定狀態。電子被稱為β負粒子——負號表示該粒子帶負電荷。

我們可以用以下方式表示發生的情況。

n⁰ → p⁺ + e^-

其中一箇中子轉化為一個質子和一個電子。請注意，這個方程兩邊的總電荷是相同的。我們說電荷守恆。

我們可以認為電子不可能存在於原子核內部，因此它會被彈射出來。

再次強調，電子並沒有什麼奇怪或神秘之處。但從輻射安全的角度來看，重要的是它被髮射出來的能量以及它與生物物質相互作用時會造成的化學損傷。

這種衰變型別的一個例子發生在碘-131原子核中，該原子核衰變為氙-131，併發射一個電子，即

${}_{\mathbf {53} }^{\mathbf {131} }\mathbf {I}$ → ${}_{\mathbf {54} }^{\mathbf {131} }\mathbf {Xe}$ + ${}_{\mathbf {-1} }^{\mathbf {0} }\mathbf {e}$

該電子被稱為β-負粒子。請注意，以上方程中的質量數保持不變，原子序數增加 1，這是這種衰變型別的特徵。

您可能想知道電子是如何在原子核內產生的，因為我們在上一章給出的簡單原子描述表明原子核僅由質子和中子組成。這是迄今為止所介紹的簡單處理方法的侷限性之一，可以透過考慮我們稱為質子和中子的兩種粒子本身是由稱為夸克的更小的粒子組成的來解釋。我們這裡不考慮這些，只是注意到不同型別的夸克的某些組合產生質子，另一種組合產生中子。這裡的資訊是要認識到，簡單的影像是入門文字中開始的最佳方式，而實際情況遠比所描述的複雜。正如我們將在後續章節中看到的那樣，上面給出的β衰變處理也是如此。

(b) 正電子發射

當原子核中的質子數量過大而使原子核不穩定時，它可能會嘗試透過將質子轉化為中子併發射帶正電的電子來達到穩定狀態。

這不是印刷錯誤！一個帶正電的電子也稱為正電子被髮射出來。正電子是β-正粒子。

這裡的故事非常有趣。一位才華橫溢的義大利物理學家 恩里科·費米 發展了β衰變理論，他的理論預測帶正電和帶負電的電子都可能由不穩定的原子核發射出來。這些粒子可以被稱為 反物質 的碎片，後來透過實驗被發現。它們的壽命並不長，因為它們很快就會與普通電子結合在一起，隨後發生的反應被稱為湮滅，導致兩個伽馬射線的發射。

科幻作家在反物質被發現後大肆渲染，並像許多科學家一樣推測我們宇宙的一部分可能包含帶負電的質子形成的原子核，這些原子核被帶正電的電子繞軌道執行。但這讓我們偏離了主題太遠了！

我們不穩定的原子核中包含一個多餘的質子的反應可以表示如下

p⁺ → n⁰ + e⁺

再次注意，等式兩邊的電荷守恆。

這種衰變型別的一個例子發生在鈉-22中，鈉-22 衰變為氖-22，併發射出一個正電子

${}_{\mathbf {11} }^{\mathbf {22} }\mathbf {Na}$ → ${}_{\mathbf {10} }^{\mathbf {22} }\mathbf {Ne}$ + ${}_{\mathbf {+1} }^{\mathbf {0} }\mathbf {e}$

請注意，質量數保持不變，原子序數減少 1。

(c) 電子俘獲

在這種第三種β衰變形式中，一個內層軌道電子被吸引到不穩定的原子核中，在那裡它與質子結合形成中子。該反應可以表示為

e^- + p⁺ → n⁰

該過程也被稱為K 俘獲，因為電子通常從原子的 K 層被吸引過來。

我們如何知道這樣的過程會發生，因為沒有輻射被髮射出來？換句話說，事件發生在原子內部，沒有任何關於它的資訊會離開原子。還是會的？這種衰變型別的特徵可以透過原子核周圍電子雲中產生的效應獲得，當 K 層中留下的空位被來自外層的電子填補時，就會發生這種情況。空位的填補與電子雲中 X 射線的發射有關，正是這種 X 射線提供了這種β衰變型別的特徵。

這種衰變形式也可以透過新原子核發射伽馬射線來識別。

這種放射性衰變型別的一個例子發生在鐵-55中，鐵-55 在捕獲一個電子後衰變為錳-55。該反應可以表示如下

${}_{\mathbf {26} }^{\mathbf {55} }\mathbf {Fe}$ + ${}_{\mathbf {-1} }^{\mathbf {0} }\mathbf {e}$ → ${}_{\mathbf {25} }^{\mathbf {55} }\mathbf {Mn}$

請注意，在這種衰變形式中，質量數再次保持不變，原子序數減少了 1。

伽馬衰變

伽馬衰變涉及不穩定原子核以電磁輻射的形式釋放能量。

您應該從高中物理中記得，電磁輻射 是我們迄今為止發現的最大物理現象。輻射可以用其頻率、波長和能量來描述。從輻射能量的角度考慮，我們有非常低能量的電磁輻射，稱為無線電波，能量稍高的紅外輻射，能量更高的可見光，然後是紫外輻射，這些輻射的能量更高的形式稱為X射線和伽馬射線。您還應該記得，這些輻射形成了所謂的電磁頻譜。

在繼續之前，暫停一下，思考一下 X 射線和伽馬射線之間的區別是有益的。這兩種形式的輻射都是高能電磁射線，因此實際上是相同的。它們之間的區別不是它們是什麼，而是它們來自哪裡。一般來說，我們可以說，如果輻射來自原子核，則稱為伽馬射線；如果來自原子核外部，例如來自電子雲，則稱為 X 射線。

在我們考慮伽馬衰變的不同形式之前，還有最後一點需要注意，那就是這種高能射線究竟是什麼。在實驗中發現，伽馬射線（以及 X 射線）有時表現為波，有時表現為粒子。這種波粒二象性 可以用原子層面的質量和能量等價來解釋。當我們描述伽馬射線為波時，發現使用頻率和波長等術語是有用的，就像任何其他波一樣。此外，當我們描述伽馬射線為粒子時，我們使用質量和電荷等術語。此外，術語電磁光子 用於這些粒子。然而，這些光子有趣的一點是，它們既沒有質量，也沒有電荷！

伽馬衰變有兩種常見形式

(a) 異構躍遷

處於激發態的原子核可以透過發射伽馬射線達到其基態或非激發態。

這種衰變型別的一個例子是鎝-99m 的衰變，順便說一下，鎝-99m 是當今醫學中用於診斷目的最常見的放射性同位素。該反應可以表示為

${}_{\mathbf {43} }^{\mathbf {99m} }\mathbf {Tc}$ → ${}_{\mathbf {43} }^{\mathbf {99} }\mathbf {Tc}$ + $\gamma$

這裡，一個鎝-99 原子核處於激發態，即它具有過量的能量。在這種情況下，激發態被稱為亞穩態，因此原子核被稱為鎝-99m（m 代表亞穩態）。激發的原子核透過發射伽馬射線釋放其多餘的能量，成為鎝-99。

(b) 內轉換

在這裡，處於激發態的原子核的多餘能量傳遞給一個原子電子，例如 K 層電子。

衰變方案

衰變方案 廣泛用於直觀地表示放射性衰變。下面顯示了一個相對簡單的衰變的方案

該方案是針對氫-3 的，氫-3 透過發射能量為 0.0057 MeV 的 β 負粒子衰變為氦-3，半衰期為 12.3 年。

銫-137 衰變的方案更復雜。

這種同位素可以透過兩種 β 負過程衰變。在 5% 的衰變中，發射能量為 1.17 MeV 的 β 負粒子，產生鋇-137。在更頻繁發生的第二種衰變中（在剩餘的 95% 的衰變中），發射能量為 0.51 MeV 的 β 負粒子，產生鋇-137m，換句話說，是處於亞穩態的鋇-137 原子核。然後，鋇-137m 透過異構躍遷衰變，釋放能量為 0.662 MeV 的伽馬射線。

右側的圖表說明了用於衰變方案的一般方法。

能量在縱軸上繪製，原子序數在橫軸上繪製，儘管這些軸在實際方案中很少顯示。方案起源的同位素顯示在頂部，上面是 X。這種同位素被稱為母體。母體在衰變時會損失能量，因此衰變產物稱為子體，繪製在較低的能量水平上。

該圖說明了常見放射性衰變形式的情況。左側說明了 α 衰變，其中質量數減少了 4，原子序數減少了 2，產生了子體A。在它的右側，顯示了 β 正衰變的方案，產生子體B。β 負衰變後緊隨伽馬衰變的情況顯示在圖表的右側，其中分別產生了子體C 和D。

選擇題

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外部連結

• 輻射基礎知識 - 來自輻射效應研究基金會的關於不同型別電離輻射的概述 - 一個為和平目的進行研究的日本-美國合作研究機構。
• 輻射與生命 - 來自世界核能協會網站。
• 輻射與放射性 - 密歇根大學衛生物理學會學生分會開發的自我學習課程，包括關於輻射、放射性、原子、α 輻射、β 輻射和伽馬輻射的部分。