第二节　核的衰变及其方式

一、有关的几个基本概念

1.衰变（decay）

衰变是不稳定的核通过发射粒子或光子放出核能成为其他核的过程。

2.母核和子核

衰变前的不稳定核称为母核；衰变产生的核称为子核。

3.放射性核素和放射性同位素

放射性核素是指具有一定的衰变特性（如衰变方式，发射类型）的核素。把某一元素的全部放射性核素统称为该元素的放射性同位素。

4.核衰变的自发性（spontaneity）是指

（1）不可能预测某个核在何时衰变。

（2）核外发生的任何事件都不会对核的衰变产生丝毫影响。

一种核素是否衰变，与其核结构和核能态有关。质子或中子过多的核，有放出多余的质子和中子，或使质子和中子相互转换的趋势，而处于较高能态的核也有向较低核能态转换的趋势。因此，核衰变是由原子核内部因素决定的，不受核外因素的影响。

天然放射性核素：Z＞83（如232 U）自然界中天然存在。

人工放射性核素：用人工方法通过核反应产生。

二、核衰变的形成

（一）β-衰变

不稳定的核发射出一个电子，一个中微子，一定的能量。本身的原子序数增加1变为别的核素。

上式称为衰变公式（standard nuclear notation of decay），式中：

X表示衰变前的核素，称为母核；

Y表示衰变后的核素，称为子核；

Q表示衰变能，单位是MeV；

ν：中微子，不带电，无静止质量，很难和物质发生相互作用。

β-衰变的本质简单地说就是核内的一个中子变成一个质子和一个电子。用公式表示为：

如14C的衰变：

衰变图（decay scheme diagram）：衰变也可用衰变图表示，图1-2为14 C的衰变图。在衰变图中，箭头由左上向右下（↘）表示质子数增加；由右上向左下（↙）表示质子数减少；由上向下（↓）表示质子数不变；水平线间的距离与能量成正比；有时还用粗线标明最可能的衰变方式（图 1-3）。

能量Q的分配：β-和ν占绝大部分，其余可忽略不计，Q在β-和ν之间随机分配。

β-的能谱特点：

1.β-的能量（动能）在0到之间连续分布。

2.能量为最大的β-粒子很少。

3.能量约为的β-粒子最多。

在β-衰变中，一个下夸克变成一个上夸克，发射一个W-玻色子（W-boson，一种中间玻色子），W-玻色子衰变为一个电子（β-粒子）和一个反中微子。

（二）（β-，γ）衰变

在有些情况下，β-产生的子核不是处在基态，而是处在激发态或亚稳态。子核通过发射γ射线变到更稳定的状态。这个过程称为（β-，γ）衰变。用公式表示为：

其中的能量分配情况为：

Q1由β-和ν带走；

Q2由γ光子带走。

（β-，γ）衰变的一个例子是133 Xe，通过β-发射衰变到133Cs的三个激发态之一，然后跃迁到基态或能量较低的激发态，并发射γ射线。如果是跃迁到另一个激发态，则还要通过发射γ射线跃迁到基态或能量较低的激发态。因此，在（β-，γ）衰变中，可能有多次γ射线发射，如图1-4所示。

γ射线的能谱特点：在γ跃迁中，能量完全由γ射线带走。这个能量是子核的激发态与基态或激发态与较低能量的激发态之间的能量差。因此γ射线的能量是不连续的，从γ射线的能量的分布可以分析是何种核素发射的γ射线。在已知核素种类的情况下，也可通过测量其特定的γ射线来确定其数量及分布。图1-5为133 Xe的γ1和γ2射线的能量分布情况。

（三）同质异能衰变和内转换

1.同质异能衰变

处于同质异能态的核素通过发射γ射线，跃迁到基态或较低能态，称为同质异能衰变。从本质上看，同质异能衰变只是一次γ跃迁，与其他情况下的γ跃迁相同。但是，我们既然认为处于同质异能态的核素不同于处于基态的核素，则它的变化只能定义成衰变。

2.内转换

处于激发态或亚稳态的原子核把跃迁能量传递给本原子的一个核外轨道电子，使其脱离原子。转换电子的能量（动能）等于跃迁能量减去电子所在原子壳层的结合能，因而是不连续的，与β-粒子的能谱不同。除转换电子外，内转换还会引起特征X射线的发射或俄歇效应。

（四）轨道电子俘获和电子俘获-γ衰变

原子核俘获一个本原子的核外轨道电子，与核内的一个质子结合，形成一个中子。轨道电子俘获（EC）又被称为反β-衰变。电子俘获使原子壳层出现空缺，引起特征X线发射或俄歇效应。衰变后的子核如果处于激发态，则通过γ跃迁回到基态或较低能态。

轨道电子俘获的公式表示为：

电子俘获-γ衰变（EC，γ）的公式表示为：

如125 I的衰变（图1-6）：

（五）β+衰变和（β+，γ）衰变

不稳定的核发射出一个正电子，一个中微子，一定的能量。本身的原子序数减少1变为别的核素。衰变后的子核如果处于激发态，则通过γ跃迁回到基态或较低能态。

或

如18 F的衰变，用衰变公式表示为：

15O的衰变，用衰变图表示，如图1-7所示。

β+粒子称为正电子，它在离开原子核后与周围原子发生碰撞，最后动能耗尽停止下来，与一个电子发生湮灭反应。生成两个能量各为511keV的γ光子向相对180°的方向飞出。

利用这一特点开发了正电子发射断层（PET）。

在β+衰变中，一个上夸克变成一个下夸克，发射一个W+玻色子（W+boson），W+玻色子衰变为一个正电子（β+粒子）和一个中微子。

（六）α衰变和核裂变

1.α衰变

核衰变时放出α粒子的衰变称为α衰变（alpha decay）。经α衰变后的核素，质量数减少4，原子序数减少2，放出的α粒子实质是氦核，发射时其能量也是不连续的。

用公式表示为：

或：

如226 Ra的衰变（图1-8）：

2.核裂变（nuclear fission）

重核自发地分裂，生成两个较轻核和中子，放出大量的能量。两个轻核大致按6∶4的比例分别得到裂变重核的核子。

按产生射线或粒子的不同将衰变分类如下：

（1）产生α射线：

α衰变。

（2）产生 β 射线：

β-衰变，β+衰变。

（3）产生 γ 射线：

（α，γ）衰变，（β-，γ）衰变，（β+，γ）衰变，同质异能衰变，（EC，γ）。

（4）不产生三种射线，而产生电子或X射线：

1）轨道电子俘获（单纯EC）：产生特征X射线或俄歇电子。2）内转换：产生转换电子、特征X射线或俄歇电子。