Nuclear Decay (核衰变)
Radioactivity (放射性)
Historical Discoveries (历史发现)
- 1895: Wilhelm Rontgen 发现 X-rays (X射线,1901年诺贝尔奖)
- 1896: Henri Becquerel, Pierre Curie 和 Marie Curie 发现铀的放射性 (1903年诺贝尔奖)
- 1897: Ernest Rutherford 识别 α-rays 和 β-rays (α射线与β射线,1908年诺贝尔奖)
- 1898-99: Marie Curie 发现钋(Polonium)和镭(Radium) (1911年诺贝尔奖)
- 1900: γ-ray (γ射线)的观测
- 1909: Ernest Rutherford 确立α射线是氦核,β射线是电子,γ射线是光子
Fundamental Process (基本过程)
放射性衰变(Radioactive decay)是不稳定原子核自发发射辐射(能量或粒子)以达到更稳定状态的过程。主要衰变类型包括:
- Alpha decay (α衰变)
- Beta decay (β衰变)
- Gamma decay (γ衰变)
示例衰变方程:
86220Rn→84216Po+α
Stochastic Nature (随机性本质)
放射性衰变具有固有概率性:
- 单个原子的确切衰变时间不可预测
- 单位时间衰变概率由衰变常数(decay constant) λ 定义且恒定
- 未衰变原子核没有"记忆"效应,其衰变概率始终保持不变
Decay Rate (衰变速率)
- Decay Constant (λ, 衰变常数): 单位时间衰变概率
−NdNdt1=λ⇒NdN=−λdt⇒N=N0e−λt
- Half-life (T1/2, 半衰期): 半数原子核衰变所需时间
N=2N0=N0e−λT1/2⇒e−λT1/2=21
T1/2=λln2
- Mean Lifetime (τ, 平均寿命):
τ=λ1
推导过程:τ=−N01∫N00tdN=N0∫0∞tλNdt=λ∫0∞te−λtdt=λ1
Radioactive Activity (放射性活度)
Activity (A, 活度): 单位时间衰变次数,可实验测量
A=−dtdN=λN
Relationship to Half-life (与半衰期的关系)
λ=NA⇒T1/2=λln2
Example Calculation (示例计算)
对于 1mg 238U 活度 A=740min−1:
- 阿伏伽德罗常数 NA=6.023×1023mol−1
- 238U 摩尔质量 = 238g/mol
- 初始原子数:
N0=2380.001×6.023×1023=2.53×1018
- 半衰期:
T1/2=Aln2⋅N0=7400.693×2.53×1018min=4.5×109years
- 平均寿命:
τ=λ1=ln2T1/2≈6.49×109years
Radiocarbon Dating (放射性碳定年法)
Principles (原理)
- 大气 14C/12C 比例:1.3×10−12 (生物存活期间恒定)
- 生物死亡后,14C 以 T1/2=5730 年衰变;比例呈可预测性下降
Example Calculation (示例计算)
100g 碳样品活度 A=900min−1:
- 初始 14C 原子数:
N0=12100×6.023×1023×1.3×10−12=6.52×1012
- 现存 14C 原子数:
N=ln2AT1/2=ln2900×5730×365×24×60=3.91×1012
- 样品年代:
t=−ln2T1/2ln(N0N)=−ln25730ln(6.52×10123.91×1012)=4227years
Alpha Decay (α衰变)
Process (过程)
ZAX→Z−2A−4Y+α(α=24He)
Energy Conservation (能量守恒)
释放能量 Q (产物动能):
Q=(MX−MY−Mα)c2
Momentum Conservation (动量守恒)
pY+pα=0⇒Tα=QMY+MαMY
Example: 92238U→90234Th+α
Binding Energy Relation (结合能关系)
Q=BY+Bα−BX
Beta Decay (β衰变)
Types (类型)
- β⁻ Decay (β⁻衰变): n→p+e−+νˉe
ZAX→Z+1AY+e−+νˉe
能量释放:Q=(MX−MY)c2
- β⁺ Decay (β⁺衰变): p→n+e++νe
ZAX→Z−1AY+e++νe
能量释放:Q=(MX−MY−2me)c2
- Electron Capture (EC, 电子俘获): p+e−→n+νe
ZAX+e−→Z−1AY+νe
能量释放:Q=(MX−MY)c2−Eb(Eb=被俘获电子结合能)
Example: 14C→14N+e−+νˉe
- 质量:MC=14.003242u, MN=14.003074u
- Q=(14.003242−14.003074)×931.494MeV/u=156.6keV