放射性衰變系列

2006/12/29 10:59:00

釙和鐳的發(fā)現(xiàn)，給仔細(xì)考察放射性礦物的工作以巨大的推動力。許多化學(xué)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(shí)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(shí)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(gè)問題，首先要弄清楚放射性現(xiàn)象的本質(zhì)是什么。事實(shí)上，在探索新放射性元素的同時(shí)，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(xué)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(fù)電荷的β射線，前者穿透性較弱，后者穿透性較強(qiáng)。后來又分出一種穿透性很強(qiáng)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(shí)，盧瑟福和索迪于1902年提出了一個(gè)大膽的假說。他們認(rèn)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(gè)假說很快就得到了證實(shí)。1903年，索迪等做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將氡焊封在細(xì)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(jì)以來作為經(jīng)典化學(xué)基石的“原子不可分、化學(xué)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(jìn)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(gè)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(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)母體物質(zhì)發(fā)生α衰變后，其化學(xué)價(jià)總是減少二價(jià)，例如六價(jià)的鈾變成了四價(jià)的鈾X，四價(jià)的釷變成了二價(jià)的介釷I，二價(jià)的鐳變成了零價(jià)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(shí)，生成的子體是周期表中向左移兩格的那個(gè)元素的原子。1913年，一些科學(xué)工作者又總結(jié)出另一條規(guī)則：某一元素作β衰變時(shí)，生成的子體是周期表中向右移一格的那個(gè)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(shí)放出的射線的性質(zhì)和原子發(fā)生的變化有機(jī)地聯(lián)系起來了。

    在這段時(shí)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(xué)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(xué)的方法分離的，不能用化學(xué)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(xué)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(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)負(fù)電荷，質(zhì)于帶1個(gè)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(jì)。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(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，質(zhì)量數(shù)為4，帶2個(gè)正電荷。β射線又稱β粒子，它是電子，帶1個(gè)負(fù)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(gè)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(gè)電子，那就是相當(dāng)于核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變成了一個(gè)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(jìn)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(shí)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(dá)140億年，正是由于這個(gè)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(dú)存在的。但是，放射系中的每個(gè)成員都不但會衰變掉，而且同時(shí)也會由于上一個(gè)成員的衰變而得到補(bǔ)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(shí)又不斷由上游的河水得到補(bǔ)充。當(dāng)放射系中各中間成員衰變掉的量與生成的量相等時(shí)，即各成員之間的比值保持恒定不變時(shí)，我們就把這種狀態(tài)稱為放射性平衡。

    鈾和釷兩個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)的放射性強(qiáng)度，遠(yuǎn)比錒(或錒的任一后代)與鈾平衡時(shí)的放射性強(qiáng)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(shí)，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(shí)。

    后面我們將看到，盧瑟福的這個(gè)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(yáng)斯研究鐳C的放射性時(shí)得到了光輝的證實(shí)。

    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(gè)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(rèn)為支持這一假說的論據(jù)有兩個(gè)：

    (1)按照蓋革·努塔爾經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(shí)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(dāng)時(shí)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(jì)算，鐳是由鈾放出三個(gè)α粒子變來的，那么三個(gè)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(gè)質(zhì)量數(shù)更大的同位素的緣故。皮卡德將這個(gè)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�？墒怯捎阱H放射系的放射性僅為鈾放射系的3％，且各個(gè)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(yīng)該是可能的，因?yàn)樗�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(gè)問題的解決應(yīng)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(dāng)時(shí)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(yīng)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(yīng)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(yīng)該是獨(dú)立的。

    皮卡德的假說獲得了證實(shí)。可是他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(dāng)時(shí)也沒有足夠的精確度可以進(jìn)行上述論證。

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