放射性衰變系列

2006/12/29 10:59:00

釙和鐳的發(fā)現(xiàn),，給仔細考察放射性礦物的工作以巨大的推動力,。許多化學家都希望能從這類礦物中得到新的發(fā)現(xiàn)，新發(fā)現(xiàn)也確實接踵而來,。

    1899年,，德比爾納發(fā)現(xiàn)元素錒；1900年,，多恩發(fā)現(xiàn)新惰性氣體氡,；克魯克斯發(fā)現(xiàn)鈾X；1901年,，德馬凱發(fā)現(xiàn)鑀(后證實是同位素釷230),；1902年，盧瑟福和索迪發(fā)現(xiàn)釷X……,。

    這許許多多的放射性物質(zhì),，包括居里夫婦發(fā)現(xiàn)的釙和鐳在內(nèi)，總是與鈾或釷一起存在于礦物之中,，形影不離,。這里不禁要問，它們與鈾或釷之間究竟有什么關(guān)系呢,？

    要解決這個問題,，首先要弄清楚放射性現(xiàn)象的本質(zhì)是什么,。事實上，在探索新放射性元素的同時,，揭露放射性現(xiàn)象本質(zhì)的工作也在相輔相成,、緊張而有成效地開展著。

    英國物理學家盧瑟福在1899年就發(fā)現(xiàn),，放射性物質(zhì)放出的射線不是單一的,，而可以分出帶正電荷的α射線和帶負電荷的β射線，前者穿透性較弱,，后者穿透性較強,。后來又分出一種穿透性很強的不帶電荷的γ射線。如果讓射線通過磁場或電場,，那么這三種射線就分得一清二楚了：偏轉(zhuǎn)角度很大的是β射線,；偏向另一方、偏轉(zhuǎn)角度較小的是α射線,；不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是γ射線,。

    1900年，多恩在鐳制劑中發(fā)現(xiàn)惰性氣體氡,，這是一件非同尋常的事,。根據(jù)這一事實，盧瑟福和索迪于1902年提出了一個大膽的假說,。他們認為,，放射性現(xiàn)象是一種元素的原子自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子的結(jié)果，這個假說很快就得到了證實,。1903年,，索迪等做了一個實驗：將氡焊封在細頸玻璃管內(nèi)，然后用光譜法測量,。他們觀測到管內(nèi)的氡不斷消失,，而氦則逐漸增加。原子衰變理論就這樣建立起來了,，它動搖了多少世紀以來作為經(jīng)典化學基石的“原子不可分,、化學元素不可變”的觀念。

    衰變理論指出了一種放射性元素的原子會衰變成另一種元素的原子,，但如果進一步問,，究竟衰變成了什么元素的原子呢？衰變理論并沒有給出答案,。十年以后建立了位移律,，終于回答了這個問題。

    在放射性物質(zhì)的研究工作中,，通常把發(fā)生衰變的物質(zhì)稱為母體,，把衰變后生成的物質(zhì)稱為子體,。1908年，索迪歸納了大量α衰變母體及其子體的化學性質(zhì),，發(fā)現(xiàn)母體物質(zhì)發(fā)生α衰變后，其化學價總是減少二價,，例如六價的鈾變成了四價的鈾X,，四價的釷變成了二價的介釷I，二價的鐳變成了零價的惰性氣體氡等等,。于是,，他總結(jié)出一條規(guī)則：某一元素作α衰變時，生成的子體是周期表中向左移兩格的那個元素的原子,。1913年,，一些科學工作者又總結(jié)出另一條規(guī)則：某一元素作β衰變時，生成的子體是周期表中向右移一格的那個元素的原子,。這兩條規(guī)則合起來就是通常所說的位移律,，它把衰變時放出的射線的性質(zhì)和原子發(fā)生的變化有機地聯(lián)系起來了。

    在這段時間內(nèi),，還發(fā)現(xiàn)某些不同的放射性物質(zhì),，如鑀和釷、介釷I和鐳等,，它們的性質(zhì)竟驚人地相似,，如果偶爾把它們混在一起后，用化學方法就無法把它們分開,。我們知道,，不同的元素一般是可以用化學的方法分離的，不能用化學方法分離的一般是同一種元素,。因此,，勢必得出如下結(jié)論：它們雖是不同的放射性物質(zhì)，但屬于同一種元素,，于是提出了同位素的概念,。所謂同位素就是化學性質(zhì)相同的一類原子，它們的原子量不同,，但原子序數(shù)相同,，在周期表中占據(jù)同一個位置。

    有了衰變理論,、同位素概念和位移律,，那許許多多已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的和進一步發(fā)現(xiàn)的放射性物質(zhì)之間的關(guān)系，就比較容易搞清楚了,。很快就建立起了鈾和釷兩個放射性衰變系列,。

    為了便于討論,，我們在這里先把原子核和射線方面的有關(guān)知識簡要介紹一下。原子由原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成,，原子核又由質(zhì)子和中子組成,。電子帶1個負電荷，質(zhì)于帶1個正電荷,，中子不帶電荷,。核電荷數(shù)(即質(zhì)子數(shù))在數(shù)值上等于元素的原子序數(shù)。質(zhì)子的質(zhì)量數(shù)為1,，中子的質(zhì)量數(shù)也為1,，電子很輕很輕，其質(zhì)量一般忽略不計,。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和就是原子核或原子的質(zhì)量數(shù),。α射線又稱α粒子，它是氦原子核,，由兩個質(zhì)子和兩個中子組成,，質(zhì)量數(shù)為4，帶2個正電荷,。β射線又稱β粒子,，它是電子，帶1個負電荷,。如果原子發(fā)生α衰變,，那就是從原子核內(nèi)放出一個α粒子，因此核電荷數(shù)(原子序數(shù))減少2,，質(zhì)量數(shù)減少4,；如果原子發(fā)生β衰變，放出一個電子,，那就是相當于核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變成了一個質(zhì)子,，因此核電荷數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變,。

    放射性原子不但按一定的衰變方式進行衰變,，而且衰變的速率也是一定的。某種放射性同位素衰變掉一半所需要的時間,，稱為該放射性同位素的半衰期,。放射系中，始祖同位素的半衰期很長,，鈾-238的半衰期為45億年,，這與地球的年齡大致相同。釷-232的半衰期更長，達140億年,，正是由于這個緣故,，才使它們得以在地球上留存。

    不過,，放射系中其它成員的半衰期要短得多,。最長的不過幾十萬年；最短的還不到百萬分之一秒,。顯然,，它們是不可能在地球上單獨存在的。但是,，放射系中的每個成員都不但會衰變掉，而且同時也會由于上一個成員的衰變而得到補充,，因此只要放射系的始祖元素存在,，各中間成員也就決不會消失。這就象水庫里的水不會枯竭一樣：水庫里的水不斷流出去,，同時又不斷由上游的河水得到補充,。當放射系中各中間成員衰變掉的量與生成的量相等時，即各成員之間的比值保持恒定不變時,，我們就把這種狀態(tài)稱為放射性平衡,。

    鈾和釷兩個放射系已經(jīng)滿意地建立起來了，許多放射物質(zhì)與鈾,、釷伴生,，確實是不無道理的，原來它們都是始祖元素鈾或釷的子孫后代,�,？墒菃栴}并沒有完全解決，錒在鈾礦中的存在一直是一個不夠清楚的問題,。

    經(jīng)初步測定,，錒的半衰期為二、三十年,。因此,，它之所以能存在于自然界，必須依存于某一個長壽命的放射性同位素,。另外,，在含鈾量不同的鈾礦物中，錒量和鈾量之間總有一個恒定的比值,。由此看來,，錒象是鈾的后代。

    但情況又不盡然。測量結(jié)果表明,，作為鈾的后代的鐳,，它與鈾平衡時的放射性強度，遠比錒(或錒的任一后代)與鈾平衡時的放射性強度來得大,。兩者的比值約為97：3,。因此錒不可能是鈾的主鏈成員。

    根據(jù)這一事實,，1906年盧瑟福提出了如下的假說：錒及其后代(稱為錒放射系)可能是鈾放射系中某一成員的分支衰變產(chǎn)生的支系,，即某一成員可能發(fā)生兩種形式的衰變(α衰變和β衰變)，百分之九十七變成了鐳放射系(鐳及其后代),，百分之三變成了錒放射系,。這既符合衰變理論，又能解釋錒總以恒定的比值存在于鈾礦中這一事實,。

    后面我們將看到,，盧瑟福的這個假說是錯誤的。但是盧瑟福關(guān)于分支衰變的想法,，卻在法揚斯研究鐳C的放射性時得到了光輝的證實,。

    1917年皮卡德提出，錒放射系與鈾放射系可能根本無關(guān),，它的始祖是鈾的另一個長壽命同位素,，因此錒放射系總能在鈾礦中發(fā)現(xiàn)，而且與鈾放射系的放射性保持著某一恒定的比值,。他認為支持這一假說的論據(jù)有兩個：

    (1)按照蓋革·努塔爾經(jīng)驗定律,，放射性同位素的α射線能量和半衰期之間存在著一定的關(guān)系，在雙對數(shù)固上表示成一些直線,。鈾放射系和釷放射系各分屬一條直線,，而錒放射系則為另一直線。如果錒放射系是鈾放射系的分支,，則代表錒放射系的直線應與代表鈾放射系的直線相重合,，或在一端與鈾放射系的直線相交。事實上卻是錒放射系與鈾放射系為兩條平行的直線,。

    (2)鈾的原子量為238.14(這里的原子量數(shù)值均為當時的測定值),，鐳的原子量為225.97，兩者相差12.17,。而根據(jù)位移律來計算,，鐳是由鈾放出三個α粒子變來的，那么三個α粒子的質(zhì)量總和僅為12.01,。鈾原子量所以顯得較大,，可能是由于其中存在一個質(zhì)量數(shù)更大的同位素的緣故,。皮卡德將這個假定的鈾同位素稱為錒鈾(AcU)。

    盧瑟福和皮卡德假說之間的取舍,，按理是可以通過錒放射系成員原子量的測定來決定的,。可是由于錒放射系的放射性僅為鈾放射系的3％,，且各個成員的半衰期均很短,，因此測定原子量困難很大。錒的前身鏷發(fā)現(xiàn)以后,，測定鏷原子量應該是可能的,，因為它在鈾礦中的含量可以與鐳相比擬。但是由于鏷的性質(zhì)怪癖,，大量制取鏷一直未能成功,。

    這個問題的解決應該歸功于質(zhì)譜分析新技術(shù)的采用。1927年,，阿斯頓用質(zhì)譜儀測定了普通鉛礦中各種鉛同位素含量的比值,，得到的結(jié)果是鉛206：鉛207：鉛208＝100：75：175。1929年,，他又測定了某鈾礦物中各種鉛同位素含量的比值，得到的結(jié)果是鉛206：鉛207：鉛208＝100：10.7：4.5,，此比值與普通鉛礦顯著不同,。

    當時已經(jīng)知道，鈾放射系,、釷放射系和錒放射系的最終衰變產(chǎn)物都是鉛,。鉛206是鈾放射系的最終衰變產(chǎn)物，所以這一鈾礦物中鉛206的含量特別多,。另外此鈾礦物中也含有釷,，因此也應該有較多的釷放射系最終衰變產(chǎn)物鉛208。但奇怪的是鉛208反而比鉛207少,。

    由此得出的結(jié)論只能是：鉛207是由于鈾礦中另一放射性起源生成的,，它自然應該是錒放射系的最終衰變產(chǎn)物了。盧瑟福在阿斯頓的文章后面加了一條意見,，指出錒放射系應該是獨立的,。

    皮卡德的假說獲得了證實�,？墒撬�的假說所依賴的根據(jù)是很不充分的,。首先，鈾并沒有更重的天然同位素,；其次,，α射線的能量和半衰期之間的關(guān)系在當時也沒有足夠的精確度可以進行上述論證。

    這一過程表明，科學研究中大膽地假設是十分重要的,。有了比較充分的事實根據(jù)或理論根據(jù),，從而提出一些假說，這樣當然會使假說最終被證實的可能性變大,。但是如果根據(jù)蛛絲馬跡提出一些假設,，只要與當時所知道的事實沒有矛盾，仍然應該說是