放射性α衰变

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引言

在核衰变过程中，通常释放阿尔法粒子的元素会随着时间的推移逐渐衰变，这些衰变产物被称为放射性α衰变产物。

结构上相当于氦原子核的阿尔法粒子主要用希腊字母表示：$\alpha$.

这些阿尔法粒子主要由两个中子和两个质子组成。在放射性α衰变中，会自发地释放出一种带正电的粒子，它与氦4核相同，本文主要讨论这种阿尔法粒子。

什么是放射性衰变？

放射性衰变是指不稳定原子核自发地转变为更稳定、能量更低的原子核的现象。

放射性衰变主要有三种类型：伽马衰变、阿尔法衰变和贝塔衰变。任何天然或人工产生的物体发射辐射的现象都被称为放射性。放射性衰变以电离辐射的形式释放能量，并会损害人类基因DNA和生物组织。电离辐射主要包括β粒子、γ射线和α粒子。

放射性α衰变

放射性衰变以电离辐射的形式释放能量，并会损害人类基因DNA和生物组织。一些放射性衰变产物，例如钴-60（一种发射γ射线的同位素），其γ射线常用于癌症治疗，半衰期约为五年半（Yang et al. 2018）。

在放射性α衰变中，会自发地释放出一种带正电的粒子，它与氦4核相同，这种粒子被称为阿尔法粒子，它包含两个中子和两个质子。这种α衰变是由著名科学家欧内斯特·卢瑟福爵士于1899年发现的。

α衰变的发生

α衰变的形成表明，在铂和铀等重核中，存在因核爆炸而产生的主要放射性沉降物。与其他放射性衰变形式相比，α粒子通常质量更大。这种大质量的α粒子很容易被一张纸片阻挡，甚至无法穿透人体皮肤（Akrawy et al. 2017）。

如果钚-239发射α粒子，它将形成氦-4原子（α粒子）。

图1：α衰变

4 MeV也被认为是一种主要的α粒子，它只能在真空中或空气中移动约1英寸。

其他类型的放射性衰变

原子核中存在三种主要的相互作用力：β力、γ力、和α力。其中，γ力被认为是电磁力，β力被认为是弱力，α力被认为是原子核中最强的力（Manjunatha et al. 2018）。在这三种情况下，放射性发射通过调整中子和质子的比例来增强原子核的稳定性。

α粒子的穿透能力

在所有放射性衰变粒子中，

• α粒子具有较低的穿透能力。
• β粒子具有较低的电离能力，并且与α粒子相比，β粒子更小。
• γ射线不能被认为是粒子，但它具有高能量的电磁辐射形式，并且不带电荷也不具有质量（Kellett et al. 2017）。

放射性中还存在指数衰变定律，需要大家理解。在元素周期表中，存在各种原子处于不稳定状态，后来转变为不同的元素。

图2：α放射性

由于这些不稳定元素的电子不断变化，元素的特性也会发生变化。在环境中，放射性衰变会产生三种发射，科学家无法将其识别为已知的元素：伽马粒子、阿尔法粒子、和贝塔粒子（atomicarchive，2022）。这种放射性衰变发生在统计指数速率过程中，其中衰变原子存在于无限小的时间间隔内，并且与原子数N成正比。

结论

非常高的射频和放射性衰变会通过提高人体温度来加热生物组织而对其造成损害。根据放射性衰变定律，可以说明，单位时间内原子核衰变的概率将保持恒定，与时间无关。核衰变速率也可以用半衰期来衡量。可以分解并发射粒子的原子核被称为放射性原子核。

常见问题

Q1. 什么是α粒子？

A1. 在自然界中，放射性衰变会产生三种发射，科学家无法将其识别为已知的元素：伽马粒子、阿尔法粒子、和贝塔粒子。除了伽马射线、贝塔粒子、中子和正电子发射外，还有阿尔法粒子。这些粒子被认为是一种特殊的辐射，被称为阿尔法辐射。这种阿尔法辐射主要由放射性元素发射。

Q2. 你如何理解α辐射和α粒子的穿透能力？

A2. α粒子带正电，α辐射从这些α粒子中发射出来，速度较慢，质量较重，质量为4 amu，射出速度为12,400英里/秒。与伽马射线和贝塔粒子相比，这些α粒子的穿透能力非常低，甚至无法穿透人体的皮肤层。

Q3. 人们可能面临α辐射的哪些危险？

A3. 由于α辐射的穿透能力低于伽马射线，这就是为什么这种辐射对人类无害的主要原因。α辐射不能穿透人体皮肤，但它会损坏人眼角膜。α发射体也可以被认为是放射性元素，可以通过吸入、伤口、摄入进入人体，并损害生物组织甚至大脑。

参考文献

期刊

Akrawy, D. T., & Poenaru, D. N. (2017). Alpha decay calculations with a new formula. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 44(10), 105105. 检索自：https://arxiv.org/pdf/1702.05598

Kellett, M. A., & Bersillon, O. (2017). The Decay Data Evaluation Project (DDEP) and the JEFF-3.3 radioactive decay data library: Combining international collaborative efforts on evaluated decay data. In EPJ Web of Conferences (Vol. 146, p. 02009). EDP Sciences. 检索自：https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2017/15/epjconf-nd2016_02009.pdf

Manjunatha, H. C., & Sowmya, N. (2018). Competition between spontaneous fission ternary fission cluster decay and alpha decay in the super heavy nuclei of Z= 126. Nuclear Physics A, 969, 68-82. 检索自：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375947417304141

Yang, H. B., Ma, L., Zhang, Z. Y., Yang, C. L., Gan, Z. G., Zhang, M. M., ... & Xiao, G. Q. (2018). Alpha decay properties of the semi-magic nucleus 219Np. Physics Letters B, 777, 212-216. 检索自：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037026931730994

网站

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flexbooks, 2022. 关于：α衰变。检索自：https://flexbooks.ck12.org [检索日期：2022年6月10日]

Physicsopenlab, 2022. 关于：α放射性。检索自：https://physicsopenlab.org/2016/02/11/alpha-%CE%B1-radioactivity/ [检索日期：2022年6月10日]