天津师范大学物理与电子信息学院 王桐瑞 09506013 1 放射性、衰变
1.1 放射性
放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线，（如α射线、β射线、γ射线等）而衰变形成稳定的元素而停止放射（衰变产物），这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数在83（铋）或以上的元素都具有放射性，但某些原子序数小于83的元素（如锝）也具有放射性。 1.2 衰变
放射性衰变都有一定的周期，并且一般不因环境而改变，这也就是放射性可用于确定年代的原因。由于一个原子的衰变是自然地发生，即不能预知何时会发生，因此会以机率来表示。
假设每颗原子衰变的机率大致相同，例如半衰期为一小时的原子，一小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分之一，两小时后会是四分之一，三小时后会是八分之一。
原子的衰变会产生出另一种元素，并会放出α粒子、β粒子或中微子，在发生衰变后，该原子也会释出伽马射线。衰变后的实物粒子静止质量的总合会少于衰变前实物粒子静止质量的总和，根据质能方程，能量可以表现出质量。当物体的能量增加E，其质量则增加E/C²，当物体的能量减少E，其质量也减少E/C²，如果一个原子核衰变后放出实物粒子，假设该原子核在衰变前相对于某一贯性参照物静止，衰变后的新原子核和所放出的实物粒子相对于该惯性参照物运动，即对于该惯性参照物而言，新原子核和所放出的实物粒子具有动能，当新原子核或所放出的实物粒子与其他粒子发生碰撞，它便会失去能量。因此，衰变前和衰变后质量和能量都是守恒的，粒子的静止质量则不守恒。如果该原子核放出光子，同样的，光子也具有质量，但没有静止质量。通常衰变所产生的产物多也是带放射性，因此会有一连串的衰变过程，直至该原子衰变至一稳定的同位素。 发生核衰变的放射性元素有的是在自然界中出现的天然放射性同位素，如碳14，但其衰变只会经过一次β衰变转为氮14原子，并不会一连串地发生。也有很多是经过粒子对撞等方法人工制造的元素。
2 衰变类型
放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变一是自身达到更稳定的状态。
2.1衰变类型列表
下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数为A、原子序数为Z的原子核在表中描述为（A，Z），“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如，（A − 1，Z）意为“子核质量数比母核少1（即少一个核子），而原子序数比母核多1（即多一个质子）”。
衰变类型 | 参与的粒子 | 子核 |
2.1.1 伴随核子发射的衰变类型： |
α—衰变 | 原子核中放射出一个阿尔法粒子（A = 4，Z = 2）的衰变类型 | （A − 4，Z − 2） |
质子发射 | 原子核中放射出一个质子（p）的衰变类型 | （A − 1，Z − 1） |
中子发射 | 原子核中放射出一个中子（n）的衰变类型 | （A − 1，Z） | 龚曲此里
双质子发射 | 过氧化氢酶活性测定原子核中同时放射出两个质子的衰变类型 | （A − 2，Z − 2） |
自发裂变 | 原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子 | |
簇衰变 | 原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子（A1，Z1） | （A − A1，Z − Z1）+ （A1，Z1） |
2.1.2 各种β衰变类型： |
β—衰变 | 原子核中放射出一个电子（e−）和一个反电子中微子（νe）的衰变类型 | （A，Z + 1） |
正电子发射（β+衰变） | 刘功臣 原子核中放射出一个正电子（e+）和一个电子中微子（νe）的衰变类型 | （A，Z − 1） |
电子捕获 | 原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子的衰变类型（衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在） | （A，Z − 1） |
双β衰变 | 原子核放射出两个电子和两个反中微子的衰变类型 | （A，Z + 2） |
双电子俘获 | 原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子的衰变类型（衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在） | （水解酸化A，Z − 2） |
伴随正电子发射的电子俘获 | 原子核吸收一个轨道电子，再放射出一个正电子及两个中微子的衰变类型 | （A，Z − 2） | 北京2008油画
双正电子发射 | 原子核中放射出两个正电子和两个中微子的衰变类型 | （A，Z − 2） |
2.1.3 同种原子核间的转换： |
同质异构转换 | 激发态原子核放射出高能光子（γ射线）的衰变类型 | （A，Z） |
内部转换 | 激发态原子核将能量转移至轨道电子上，轨道电子再脱离原子的衰变类型 | （A，Z） |
| | |
2.2 衰变分类
2.2.1 传统的衰变
1) α衰变
α衰变，是一种放射性衰变（核衰变）；发生α衰变时，一颗α粒子会从原子核中射出（附注：α粒子即是氦4核，He2+，即一颗由2颗质子和2颗中子组成的原子核，又名阿尔法粒子）； α衰变发生后，原子核的质量数会减少4个单位，其原子序也会减少了已经发生的未来2个单位。
下面之反应式式（I）是α衰变的一个例子：
92238U—→90234Th + 24He
式（I）也可写成式（II）：
92238U—→90234Th + α
α衰变是一种核裂变，当中涉及量子物理学中的隧穿效应，和β衰变不同的是α衰变是由强核力力场产生和控制。
一颗α粒子带有5MeV伏特的动能（约等于一颗α粒子的总能量的0.13%），其移动速度是每秒15,000公里，即是只达到5%光速（光速是时速1,079,252,848.8公里）；由于α粒子相对大的质量，其+2的电荷，以及相对慢的移动速度，它们实在太容易就会和其他原子核和粒子反应及失去其能量，α粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸收。地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏的矿物，如铀和钍的α衰变产生的。
2) β衰变
β衰变是放射性原子核放射电子（β粒子）和中微子而转变为另一种核的过程。
放出正电子的称为“正β衰变”，放出电子的称为“负β衰变”。在正β衰变中，核内的一个质
子转变成中子，同时释放一个正电子和一个中微子；在负β衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反中微子。此外电子俘获也是β衰变的一种，称为电子俘获β衰变。
因为β粒子就是电子，而电子的质量比起核的质量来要小很多，所以一个原子核放出一个β粒子后，它的质量只略为减少。
β衰变的规律是：新核的质量数不变，电荷数增加1，新核在元素周期表中的位置要向后移一位。β衰变中放出的电子能量是连续分布的，但对每一种衰变方式有一个最大的限度，可达几兆电子伏特以上，这部分能量由中微子带走。
1957年，吴健雄博士用钴-60的β衰变实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒。
3) γ放射线
γ射线是原子衰变裂解时放出的射线之一。此种电磁波波长极短，穿透力很强，又携带高能量，容易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病。它可以杀死细胞，因此也可以作医疗之用，杀死癌细胞。
1900年由法国科学家Paul Ulrich Villard发现，将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。1913年，γ射线被证实为是电磁波，由原子核内部自受激态至基态时所放出来的，范围波长为0.1 埃，和X射线极为相似，具有比X射线还要强的穿透能力。γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应。
4) Cluster decay
2.2.2 进阶衰变
1) 双β衰变
2) 双电子捕获
3) 内部转换
4) 同质易构转换
2.2.3 发射过程
1) 中子发射
中子发射是原子排除多余中子的一种放射性衰变的形式，只是很单纯的将中子从核中抛出。同位素氦-5和铍-13是中子发射的两个例子，但是氦-5的衰变也可以是α衰变。许多重的同位素，最著名的是锎-252，可以经由不同的放射性衰变过程，一种自发性分裂，放射出中子。中子在核分裂的过程中会被吸收，也会被发射，核连锁反应就是中子的传播引起的。
2) 正电子发射
3) 质子发射
2.2.4 捕获
1) 电子捕获
电子捕获（又称逆β衰变）是一种放射性衰变，原子核从轨道抓取一电子与质子结合，成为中子和反电子中微子，质量数A不变，原子序Z-1。
p+ + e- —→ n + νe
比如：
1326Al + e- —→ 1226Mg + νe
2859Ni + e- —→ 2759Co + νe
1940K + e- —→ 1840Ar + νe
47Be + e- —→ 37Li + νe
2) 中子捕获、R、S、P、Rp
2.2.5 分裂
1) 自然的分裂
2) 散裂
3) 宇宙射线散裂
宇宙射线散裂是自然发生的一种核分裂和核合成形式，它经由宇宙射线撞击物质产生新的元素。宇宙射线是来自地球之外的高能粒子，主要是飘荡在空间中的电子和α粒子。当宇宙射线（主要是质子）撞击到物质，包括其他的宇宙射线，就会造成散裂。碰撞的结果是被撞的大的核子会逐出核子（质子和中子），这种过程不仅在宇宙的深处进行，宇宙射线的撞击也在我们的上层大气层内进行。
宇宙射线散裂制造出轻的元素，像是锂和硼，这个过程是在1970年代偶然发现的。太初核合成的模型认为氘的总量太大，与宇宙扩散的速率不能一致，因此对在大霹雳之后是否仍有产生氘的过程在继续进行，产生极大的兴趣。
宇宙射线散裂是被调查的能制造氘的一种过程，但是它的结果是散裂不可能制造出氘，并且剩余的氘含量可以用假设存在的重子暗物质来解释。然而，对散裂的研究显示，它可
以产生锂和硼。铝、铍、碳（碳-14）、氯、碘和氖的同位素都可以经由宇宙射线散裂产生。
4) 光致蜕变
光致蜕变是极端高能量的γ射线和原子核的交互作用，并且使原子核进入受激态，立刻衰变成为两或更多个子核的物理过程。一个简单的例子是一颗质子或中子有效的被接踵而来的γ射线从原子核中敲出时，而极端的例子则是γ射线导致自发性的核分裂反应。这种过程根本上是与核融合相反的，原本是氢的元素在高温下结合在一起形成重元素并释放出能量。光致蜕变是从比铁轻的元素吸热（能量吸收）而从比铁重的元素放热放出能量。光致蜕变至少在超新星中对一些重元素和富含质子的元素经由p-过程的核合成有所贡献。
2.2.6 核合成
恒星核合成、太初核合成、超新星核合成
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