對放射性元素衰變的感悟

戈雪

【摘要】高中物理選修3-5中的十九章原子核中第二節(jié)，講課的時候有很多同學(xué)對原子核的衰變很感興趣。覺得如果改變了原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以把其他的元素直接變成金子呢？而課上已給出答案，但課后反思時有所感悟。

【關(guān)鍵詞】衰變 元素 能源

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）20-0247-01

這篇小文章我以歌德的一句話引入再合適不過了“點燃你的思緒，讓想象力如熾熱的火焰般在形象比喻的領(lǐng)域里，肆意奔放”。經(jīng)濟社會人們都以現(xiàn)實的利益為先，在物理3-5教科書中的第70頁中開篇講述了從古論今人們都在追求“點石成金”之術(shù)，但都以失敗告終。而人為做不到的事情通過大自然某種途徑卻可以，這就是天然的放射性元素的“衰變”。從教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大自然力量不可估計。從宏觀的物質(zhì)變化到微觀的原子核衰變，一切都在悄然生息的發(fā)生和有序的控制中。

教學(xué)中給學(xué)生講述了衰變的概念：放射性元素衰變是從一種元素變成另一種元素。在元素周期表中排列順序在大于83號以后原子核大多都不穩(wěn)定，會自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N新核。1896年法國的貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾的礦物能發(fā)射出看不見的射線，1897年盧瑟福在測量鈾礦物發(fā)射的射線時證明此射線有兩種穿透能力，后來居里夫婦對其進行了深入的研究發(fā)現(xiàn)了鐳和釙這兩種新的元素。鐳和釙這兩種元素多數(shù)在我們生活中是很常見的，比如修路時用的瀝青，還有石油這都是我們身邊的能源，而能源問題又是每個國家最關(guān)心的問題，如果可用能源一旦枯竭我們的生活會變成什么樣？新能源什么時候會替補上來？會對我們生活的環(huán)境有所改善嗎？這些都可能讓人想繼續(xù)研究元素衰變會變成什么？在衰變中有什么產(chǎn)生呢？

衰變的種類：α衰變、β衰變、γ衰變、β+衰變、EC衰變、IT衰變、n衰變、P衰變、SF等，但高中只要求學(xué)生掌握前兩種就可以。

α衰變是原子核放出一個α粒子（24He）質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，成為一個新核即新核在元素周期表中位置比原來核的位置向前移兩位。例如：92238U→90234Th+24He

β衰變是原子核放出一個電子，新生成的核與原來核質(zhì)量數(shù)相同，電荷數(shù)增加1，即新核在元素周期表中位置比原來的位置向后移一位例如：90234Th→91234Pa+0-1e

以上兩組數(shù)據(jù)表明原子核衰變時，電荷數(shù)（Z）和質(zhì)量數(shù)（A）都守恒。當然在得出這個規(guī)律的時候并不是只有這兩組數(shù)據(jù)。這里要特別注意：方程式中的質(zhì)量數(shù)守恒不等于質(zhì)量守恒（在衰變中質(zhì)量是有虧損的，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)量虧損方程：△E=△mc2進行計算）其實細心的人可能會發(fā)現(xiàn)講課中的原子核是由質(zhì)子和中子組成，內(nèi)部根本就沒有電子和α粒子（24He），那這兩種衰變釋放的這兩種粒子是從哪里來的？讓學(xué)生進行思考。其實電子是衰變過程中原子核內(nèi)部一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)?1H時產(chǎn)生的.每發(fā)生一次β衰變原子核內(nèi)減少一個中子，減少的那個中子轉(zhuǎn)變?yōu)?1H和0-1e，其中質(zhì)子留在原子核內(nèi)部使其電荷數(shù)增加電子發(fā)射出去。原子核每發(fā)生一次α衰變同時減少兩個質(zhì)子和兩個中子，而2個質(zhì)子和2個中子能十分緊密地結(jié)合在一起，在一定條件下它們會作為一個整體從較大的原子核中拋射出去，形成α射線，核反應(yīng)方程：211H+210n→24He

有的同學(xué)會產(chǎn)生疑問，核反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)有什么區(qū)別？核反應(yīng)指在原子核內(nèi)部，核子數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，而化學(xué)反應(yīng)是在原子核外最外層電子數(shù)發(fā)生變化，兩者存在本質(zhì)不同，核反應(yīng)不可逆。

核反應(yīng)的生成物一定要以實驗事實為基礎(chǔ)，不能依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰生成物來寫核反應(yīng)方程。放射性元素的衰變不論是α衰變還是β衰變都會伴隨γ射線的放出，γ射線是光子不帶電沒有靜止質(zhì)量。它的放出不改變原子核的電荷，對質(zhì)量的影響極其微小。這就說明原子核的衰變是同時發(fā)生的，一起會釋放出三種射線，課本中還指出了原子核能量的量子化。

如果把這些放射性元素中的某種元素單獨收集起來，通過觀察和實驗驗證會發(fā)現(xiàn)這種單一的元素會逐漸減少。不同的元素減少的多少和快慢是有一定規(guī)律的，這就是課本中提到的半衰期。放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間就叫做這種元素的半衰期。在放射衰變的過程中遵循：N=N0e-λt式子中的N0是時間t=0時的原子核數(shù)目，N是經(jīng)過t時后還存留的原子核數(shù)目。這是一個統(tǒng)計規(guī)律，在足夠多的原子核中每一個核在什么時候發(fā)生變化是不能預(yù)知的。因為放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。因為不論人為的改變什么外界條件來都不會影響原子核的結(jié)構(gòu)。那這就說明了人類想人工干預(yù)原子核的衰變，把某種元素改變成“金子”是不可能的。

參考文獻：

[1]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-5[M].長春：人民教育出版社，2016年7月