輻射衰變的動力學The Kinetics of Radioactive Decay

化學原理啟迪505

Emporio Armani | Spring Summer 2015 Full Fashion Show | Menswear

1.     由特定幾種核種組成的樣本，每一種核種都有一定的比例衰變。假設某個樣本，含有某種核種的原子1000個，每小時產生10個衰變反應，這意味著，每過1個小時的跨距，100個核種就有1個衰變。

2.     假設，這種核種的衰變比例固定是如此，我們預測，當這種核種的樣本由2000個原子組成，每小時會產生20個衰變。

3.     「放射性核種」的衰變速率rate of decay，是每單位時間所改變的核種數量的負數：（─ΔN/Δt）。

4.     「放射性核種」的衰變速率，直接與特定樣本的「核種nuclides數量（N）」成正比：

速率Rate＝─ΔN/Δt ∞ N

注：會使用到負號─是因為核種的數量，在衰變後是下降的。

5.     現在我們要輸入比例常數，以獲得下列方程式：

速率Rate＝─ΔN/Δt＝─dN/dt＝RN

6.     從前面的章節，我們知道這是一級反應程序的速率定律。積分一級反應速率定律是：

In（N/N0）＝─kt

注：N0是指核種的原始數目（t＝0），N代表在時間t還保留下來的核種數目。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》

放射性蛻變的種類（三） Types of Radioactive DecayⅢ

化學原理啟迪504

Corneliani | Spring Summer 2015 | Menswear

1.     輻射衰變的種類摘要如下：

程序：β粒子(電子)放射β-particle electron production

原子序A改變：0

質子數Z改變：＋1

中子/質子比例改變：下降

範例：錒²²⁷₈₉Ac→釷²²⁷₉₀Th＋⁰_－1e

程序：正電子放射 Positron production

原子序A改變：0

質子數Z改變：－1

中子/質子比例改變：增加

範例：¹³₇N→¹³₆C＋⁰₁e

程序：電子捕捉Electron capture

原子序A改變：0

質子數Z改變：－1

中子/質子比例改變：增加

範例：砷⁷³₃₃As＋⁰_－1e→鍺⁷³₃₂Ge

程序：α粒子放射α-particle production

原子序A改變：－4

質子數Z改變：－2

中子/質子比例改變：增加

範例：釙²¹⁰₈₄Po→鉛²⁰⁶₈₂Pb＋⁴₂He

釙²¹⁰₈₄Po 的中子126, 質子84, 中子/質子比=1.5

鉛²⁰⁶₈₂Pb的中子124, 質子82, 中子/質子比=1.512

程序：γ射線放射γ-ray production

原子序A改變：0

質子數Z改變：0

中子/質子比例改變：－

範例：激態原子核→基態原子核＋⁰₀γ

程序：自發核分裂 spontaneous fission

原子序A改變：－

質子數Z改變：－

中子/質子比例改變：－

範例：鐦²⁵⁴₉₈Cf→較輕的核種＋中子

2.     通常放射性核種無法經由單一的衰變/蛻變程序，進入到穩定狀態。放射性原子核通常經過一系列的衰變反應，直到生成穩定的核種。有名的例子是從²³⁸ ₉₂U啟動的一系列衰變反應，最終變為²⁰⁶ ₈₂Pb。

3.     鈾235 ²³⁵₉₂U有類似的系列反應：

²³⁵₉₂U→²⁰⁷ ₈₂Pb

4.     ²³²₉₀Th的系列衰變反應：

²³² ₉₀Th→系列衰變反應→²⁰⁸ ₈₂Pb

5.     下圖為²³⁸₉₂U衰變成²⁰⁶ ₈₂Pb的系列反應

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》；圖片來源∕slideshare.net

放射性蛻變的種類（二） Types of Radioactive DecayⅡ

化學原理啟迪503

Giorgio Armani | Spring Summer 2015 Fashion Show | Menswear

1.     伽瑪射線gamma ray或r ray是高能量的光子。通常，r-射線的產生，會伴隨著「核衰變/蛻變」與「粒子反應」。例如，²³⁸₉₂U放射出r-射線時，也伴隨著α粒子衰變：

²³⁸₉₂U→⁴₂He＋²³⁴₉₀Th＋2⁰₀r

2.     在這個核衰變程序裡，除了產生「α粒子」，有時也會製造出2個能量不同的「r-射線」。「r-射線」的放射是單向的（只會從原子核放射到外面）。

3.     處在激態的「原子核」，將過剩的能量，轉成「r-射線」放射出來後，便回到低能量的基態。

4.     在穩定區域以下核種會發生正電子/正子放射positron production，這些核種的「中子/質子」比太小。（「中子」數量太少，放射出「正電子」，可將部分「質子」轉換成「中子」，減少「質子」的數量。）

5.     「正電子」的質量與電子一樣，但是電荷極性相反。（「正電子」的質量跟電子一樣很輕，與原子核的質子、中子相比，微不足道，因此正電子的質量可視為0）。

6.     放射「正電子」的原子核衰變，例如，鈉-22：

²²₁₁Na→⁰₁e+²²₁₀Ne（氖）

7.     特別留意，這個反應的淨效應是「質子」變成「中子」，這使得產物核種的「中子/質子」比，高於原始核種的「中子/質子」比。

8.     除了極性相反，「正子」與「電子」還有許多功能上的不同。「正子」是「電子」的「反粒子antiparticle」。當1個「正電子」碰撞到1個「電子」，它們變成電磁波，以高能量的「光子」形式放射出來：

⁰_－1e＋⁰₁e→2⁰₀γ

9.     這個程序，是「物質」與「反物質」碰撞的特徵，稱為湮滅annihilation，這是另一種形式的物質交換。

10. 電子捕捉electron capture，這個程序是指，「內價電軌域」的「電子」被「原子核」所捕捉，描述如下程序：

²⁰¹ ₈₀Hg ＋⁰_－1e→²⁰¹₇₉Au＋⁰₀γ

內殼層電子：⁰_－1e

11. 煉金師曾一度對這個反應程序非常有興趣，但很不幸地，汞變成金的反應速率太慢，沒有實用價值。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》