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，講課的時候有很多同學對原子核的衰變很感興趣。覺得如果改變了原子核內部結構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域里，肆意奔放”。經濟社會人們都以現實的利益為先，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，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”。從教學中發現大自然力量不可估計。從宏觀的物質變化到微觀的原子核衰變，一切都在悄然生息的發生和有序的控制中。

教學中給學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定，會自發的轉變為另一種新核。1896年法國的貝克勒爾發現鈾和含鈾的礦物能發射出看不見的射線，1897年盧瑟福在測量鈾礦物發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現了鐳和釙這兩種新的元素。鐳和釙這兩種元素多數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？會對我們生活的環境有所改善嗎？這些都可能讓人想繼續研究元素衰變會變成什么？在衰變中有什么產生呢？

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）質量數減少4，電荷數減少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量數相同，電荷數增加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

以上兩組數據表明原子核衰變時，電荷數（Z）和質量數（A）都守恒。當然在得出這個規律的時候并不是只有這兩組數據。這里要特別注意：方程式中的質量數守恒不等于質量守恒（在衰變中質量是有虧損的，根據愛因斯坦的質量虧損方程：△E=△mc2進行計算）其實細心的人可能會發現講課中的原子核是由質子和中子組成，內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？讓學生進行思考。其實電子是衰變過程中原子核內部一個中子轉變為11H時產生的.每發生一次β衰變原子核內減少一個中子，減少的那個中子轉變為11H和0-1e，其中質子留在原子核內部使其電荷數增加電子發射出去。原子核每發生一次α衰變同時減少兩個質子和兩個中子，而2個質子和2個中子能十分緊密地結合在一起，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，核反應方程：211H+210n→24He

有的同學會產生疑問，核反應和化學反應有什么區別？核反應指在原子核內部，核子數發生相應的變化，而化學反應是在原子核外最外層電子數發生變化，兩者存在本質不同，核反應不可逆。

核反應的生成物一定要以實驗事實為基礎，不能依據兩個守恒規律杜撰生成物來寫核反應方程。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量。它的放出不改變原子核的電荷，對質量的影響極其微小。這就說明原子核的衰變是同時發生的，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現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發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時的原子核數目，N是經過t時后還存留的原子核數目。這是一個統計規律，在足夠多的原子核中每一個核在什么時候發生變化是不能預知的。因為放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態和外部條件沒有關系。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構。那這就說明了人類想人工干預原子核的衰變，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