FHSST 物理/原子核/放射性

放射性

如前所述，原子核經歷著質子之間的電斥力和核子之間核吸引力之間的激烈鬥爭。因此，許多原子核不穩定並不令人驚訝。它們可以自發地（即沒有外部推動）分解成碎片。當碎片到達短程核吸引力消失的距離時，它們會透過電力相互猛烈地推開。因此加速，它們像小子彈一樣朝不同方向移動，並在前進的道路上造成破壞。這是核放射性的一種例子，但還有其他幾種放射性衰變型別。

放射性的發現

1896年，安託萬·亨利·貝克勒爾發現了核放射性。在威廉·倫琴發現X射線之後，貝克勒爾繼續研究這些神秘射線。

貝克勒爾選擇用來工作的材料包含鈾。他發現，含有鈾並暴露在陽光下的晶體會在包裹在黑紙中的感光板上成像。他錯誤地得出結論，太陽的能量被鈾吸收，然後發射X射線。事實的真相是由於糟糕的天氣而揭示的。katie

1896年2月26日和27日，巴黎上空烏雲密佈，貝克勒爾打算放在陽光下的鈾晶體被放回抽屜，並（偶然）放在感光板上。3月1日，貝克勒爾沖洗了感光板，令他驚訝的是，發現感光板上的影像清晰而強烈。因此，鈾在沒有像太陽這樣的外部能量源的情況下發射輻射。這是對核放射性的首次觀察。

後來，貝克勒爾證明鈾輻射與X射線相似，但與X射線不同，它可以透過磁場偏轉，因此必須由帶電粒子組成。由於他發現了放射性，貝克勒爾獲得了1903年諾貝爾物理學獎。

核α，β和γ射線

揭示核輻射覆雜內容的經典實驗如下。鐳晶體（另一種放射性元素）被放置在厚鉛塊中製成的窄直通道的底部，一側敞開。鉛吸收了除沿通道移動的粒子以外的所有東西。因此，該裝置產生了像機槍一樣朝一個方向移動的粒子流。在通道前面是一個可以記錄粒子的感光板。

在沒有磁場的情況下，感光板上的影像呈單點狀。當該裝置浸入垂直磁場中時，粒子流被分成三股流，這反映在感光板上的三個點上。

三股流中的一股是直的，而另外兩股則向相反的方向偏轉。這表明初始流包含正、負和中性粒子。它們分別被命名為$\alpha$ $\beta$, 和 $\gamma$ 粒子。

α射線被發現是⁴He原子核，由兩個質子和兩個中子結合在一起。它們穿透能力弱，幾釐米的空氣或幾張紙就可以有效阻擋它們。β射線被證明是電子。它們比α粒子具有更大的穿透能力，可以穿透 3 毫米厚的鋁。γ射線不會被偏轉，因為它們是高能光子。它們與無線電波、可見光和 X 射線具有相同的性質，但波長更短，因此能量更高。在三者之中，γ射線具有最大的穿透能力，可以穿透幾釐米厚的鉛，並在另一側被探測到。

電離輻射的危害

α、β和γ粒子在穿過物質時，會與原子碰撞並擊出其中的電子，即使原子成為正離子。這就是這些射線被稱為電離輻射的原因。

除了電離原子外，這種輻射還會破壞分子。對於人類和所有其他生物來說，這是輻射最危險的特徵。想象一下，數千顆微小的子彈穿過你的身體，並在它們的路徑上造成破壞。雖然人們在暴露於核輻射時不會感到任何疼痛，但它會損害身體的細胞，從而使人患病甚至死亡。疾病可能會在人們暴露於核輻射數年後才顯現出來。例如，電離粒子可以隨機改變 DNA（儲存所有關於特定細胞如何在體內運作的資訊的長鏈有機分子）。結果，一些具有錯誤 DNA 的細胞可能成為癌細胞。

幸運的是，我們的身體能夠修復輻射造成的某些損傷。事實上，我們不斷受到來自外太空以及地球內部的輻射轟擊，但仍然能夠生存。然而，如果損傷的數量變得太大，身體將無法再應對它們。

已經確定了對人體安全的人體輻射規範和可接受限值。如果你要與放射性物質接觸或在放射性物質附近工作，請確保監測暴露劑量並遵守限值。

你應該明白，沒有任何服裝可以保護你免受γ射線！只有厚厚的混凝土或金屬牆壁才能阻止它們。人們在處理放射性物質時穿的特殊服裝和麵具，並非保護他們免受射線，而是保護他們免受這些物質的汙染。想象一下，如果幾顆放射性塵埃汙染了你的日常衣服，或者你吸入了放射性原子。它們會一直陪伴在你身邊，即使你睡著時也會向你發射子彈。

在許多情況下，保護自己免受輻射的一種非常有效的方法是保持一定的距離。來自核源的輻射均勻地向所有方向傳播。因此，每秒透過單位面積（例如 1cm²）的危險粒子數量 n，等於 1 秒內發射的粒子總數 N 除以球體的表面積

$n={\frac {N}{4\pi r^{2}}}\$,

其中 $r$ 是我們進行觀測的距離。從這個簡單的公式可以看出，輻射強度隨著距離的平方而下降。換句話說，如果將距離增加一倍，你所受到的輻射量將減少四倍。

衰變規律

不穩定的原子核會自發衰變。一個給定的原子核可能在下一刻、明天甚至下一個世紀衰變。沒有人能預測它何時會發生。儘管這種情況看似混亂且不科學，但這一切都遵循著嚴格的規律。

原子核作為微觀物體，遵循量子機率規律。雖然我們無法預測其衰變的確切時刻，但我們可以計算出原子核在特定時間間隔內衰變的機率。原子核的衰變是由於其內部動力學引起的，而不是因為它們變得老化或以某種方式腐爛。

為了說明這一點，讓我們假設昨天早上我們發現一個特定的原子核在 24 小時內衰變的機率為 50%。然而，今天早上我們發現它仍然存活。這一事實並不意味著它在接下來的 24 小時內衰變的機率會增加。根本不會！它仍然保持不變，為 50%，因為原子核保持不變，它沒有任何問題。這種情況可以持續數百年。

事實上，我們從未處理過單個原子核，而是處理過大量相同的原子核。對於這類量子物件的集合（系綜），機率規律會變成統計規律。讓我們假設在上面的例子中，我們有 100 萬個相同的原子核，而不是隻有一個。那麼，到今天早上，這些原子核中只有一半會存活下來，因為它們在 24 小時內衰變的機率為 50%。在剩下的 50 萬個原子核中，到明天早上會有 25 萬個會衰變，然後在接下來的 24 小時後，只剩下 12.5 萬個，以此類推。

仍然存活的不穩定原子核的數量會隨著時間的推移而不斷減少，其變化趨勢如圖 15.2 所示。

圖：15.2 T1/2 是指一半初始數量的不穩定粒子衰變所需的時間，被稱為它們的半衰期。

如果最初，在時間 $t=0$，它們的數目為 $N_{0}$，那麼在一定的時間間隔 $T_{1/2}$ 之後，只有這些原子核的一半會保留下來，即 ${\frac {1}{2}}N_{0}$。剩餘一半的原子核的另一半將在另一個相同的時間間隔內衰變。所以，經過時間 $2T_{1/2}$，我們只有最初數量的四分之一，以此類推。時間間隔 $T_{1/2}$，在此期間一半不穩定原子核衰變，被稱為它們的半衰期。它對於每個不穩定原子核來說都是特定的，並且從幾分之一秒到數千年、數百萬年不等。表 15.2 給出了幾個這種壽命的例子。

表 15.2： 幾種不穩定同位素的半衰期。

同位素	T1/2	衰變模式
${}_{84}^{214}$Po	$1.64\times 10^{-4}$ s	$\alpha ,\gamma$
${}_{36}^{89}$ Kr	3.16 分鐘	$\beta ^{-},\gamma$
${}_{86}^{222}$ Rn	3.83 天	$\alpha ,\gamma$
${}_{38}^{90}$Sr	28.5 年	$\beta _{}^{-}$
${}_{88}^{226}$ Ra	$1.6\times 10^{3}$	$\alpha ,\gamma$
${}_{6}^{14}$C	$5.73\times 10^{3}$	$\beta _{}^{-}$
${}_{92}^{238}$U	$4.47\times 10^{9}$	$\alpha ,\gamma$
${}_{49}^{115}$In	$4.41\times 10^{14}$	$\beta _{}^{-}$

放射性年代測定

檢查衰變產物的數量使得放射性年代測定成為可能。最著名的就是碳測年，一種只適用於曾經活過的物質的放射性年代測定方法，這些物質被認為與大氣處於平衡狀態，透過光合作用從空氣中吸收二氧化碳。

宇宙射線質子轟擊高層大氣中的原子核，產生中子，中子反過來轟擊大氣中的主要成分氮。這種中子轟擊產生了放射性同位素${}_{6}^{14}$C。放射性碳-14 與氧氣結合形成二氧化碳，並被納入生物迴圈。

同位素${}_{6}^{14}$C 在生物體內衰變（見表 15.2），但會從空氣和食物中得到補充。因此，當生物體活著時，這種同位素在體內的濃度保持不變。生物體死亡後，來自呼吸和食物的補充停止，但死體內的同位素繼續衰變。因此，${}_{6}^{14}$C 的濃度會根據圖 15.2 所示的曲線逐漸降低。圖中的時間$t=0$對應於死亡時刻，而$N_{0}$ 是${}_{6}^{14}$C 在生物體內的平衡濃度。

因此，透過測量曾經活著的物質的放射性發射，並將它的放射性與今天活著的生物的放射性平衡水平進行比較，就可以估算出時間差。例如，如果一塊木材的放射性發射率（由${}_{6}^{14}$C的衰變引起）比活樹低一半，那麼我們可以得出結論，我們處於$t=T_{1/2}$的點上，即它正好經過了一個半衰期。根據表15.2，這意味著這塊木頭所來自的樹木大約是在5730年前被砍伐的。

這就是物理學家幫助考古學家對各種有機材料進行年代測定的方法。