天然放射現象是指放射性元素自發地放出射線的現象。天然放射現象是1896年法國物理學家貝克勒耳發現的，該研究使人們認識到原子核具有複雜的結構。
基本介紹
釋義,放射性現象的本質,放射性元素衰變類型及其規律,
釋義
天然放射現象是指放射性元素自發地放出射線的現象。天然放射現象是1896年法國物理學家貝克勒耳發現的，該研究使人們認識到原子核具有複雜的結構。
放射性現象的本質
英國物理學家盧瑟福在1899年就發現，放射性物質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，後者穿透性較強。後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：偏轉角度很大的是β射線；偏向另一方、偏轉角度較小的是α射線；不發生偏轉的是γ射線。
1900年，多恩在鐳製劑中發現惰性氣體氡，這是一件非同尋常的事。根據這一事實，盧瑟福和索迪於1902年提出了一個大膽的假說。他們認為，放射性現象是一種元素的原子自發地轉變為另一種元素的原子的結果，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，然後用光譜法測量。他們觀測到管內的氡不斷消失，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，究竟衰變成了什麼元素的原子呢？衰變理論並沒有給出答案。十年以後建立了位移律，終於回答了這個問題。
在放射性物質的研究工作中，通常把發生衰變的物質稱為母體，把衰變後生成的物質稱為子體。1908年，索迪歸納了大量α衰變母體及其子體的化學性質，發現母體物質發生α衰變後，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。於是，他總結出一條規則：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出另一條規則：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和原子發生的變化有機地聯繫起來了。
在這段時間內，還發現某些不同的放射性物質，如鑀和釷、介釷I和鐳等，它們的性質竟驚人地相似，如果偶爾把它們混在一起後，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，勢必得出如下結論：它們雖是不同的放射性物質，但屬於同一種元素，於是提出了同位素的概念。所謂同位素就是化學性質相同的一類原子，它們的原子量不同，但原子序數相同，在周期表中占據同一個位置。
為了便於討論，我們在這裡先把原子核和射線方面的有關知識簡要介紹一下。原子由原子核和繞核旋轉的電子組成，原子核又由質子和中子組成。電子帶1個負電荷，質於帶1個正電荷，中子不帶電荷。核電荷數(即質子數)在數值上等於元素的原子序數。質子的質量數為1，中子的質量數也為1，電子很輕很輕，其質量一般忽略不計。質子數和中子數之和就是原子核或原子的質量數。α射線又稱α粒子，它是氦原子核，由兩個質子和兩個中子組成，質量數為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。如果原子發生α衰變，那就是從原子核內放出一個α粒子，因此核電荷數(原子序數)減少2，質量數減少4；如果原子發生β衰變，放出一個電子，那就是相當於核內一個中子轉變成了一個質子，因此核電荷數增加1，質量數不變。
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，正是由於這個緣故，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，而且同時也會由於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恆定不變時，我們就把這種狀態稱為放射性平衡。
根據這一事實，1906年盧瑟福提出了如下的假說：錒及其後代(稱為錒放射系)可能是鈾放射系中某一成員的分支衰變產生的支系，即某一成員可能發生兩種形式的衰變(α衰變和β衰變)，百分之九十七變成了鐳放射系(鐳及其後代)，百分之三變成了錒放射系。這既符合衰變理論，又能解釋錒總以恆定的比值存在於鈾礦中這一事實。
(1)按照蓋革·努塔爾經驗定律，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係，在雙對數圖上表示成一些直線。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係為兩條平行的直線。
這個問題的解決應該歸功於質譜分析新技術的採用。1927年，阿斯頓用質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。
當時已經知道，鈾放射系、釷放射系和錒放射系的最終衰變產物都是鉛。鉛206是鈾放射系的最終衰變產物，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物鉛208。但奇怪的是鉛208反而比鉛207少。
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或理論根據，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，仍然應該說是可貴的，因為它為尋找真理開闢了可能走通的新途徑。值得回憶的是，貝克勒耳也正是沿著波因凱的錯誤假說，而作出了放射性現象這一重大發現。當然，最後善於擯棄假說中的不合理部分，這更是科學工作者取得成功的關鍵一環。
知道了錒放射系的最終衰變產物是鉛207，於是可以推得錒的原子量為227，而假定的錒鈾的原子量應該為235(或239)。1935年，登普斯特用火花離子源法對鈾進行了質譜分析，發現了錒鈾(鈾235)的譜線。至此才最後確定了錒放射系的始祖同位素，肯定了其質量數為235。歷時長達30年之久的錒放射系的起源問題終於找到了答案，這是放射系研究史中最為曲折的問題之一。由於這個放射系的始祖同位素是錒鈾，所以通常把它叫乍錒鈾放射系。
以後又發現了鎿放射系，它是一個人工放射系，該放射系因為沒有半衰期足夠長的始祖同位素，所以已在地球上消失。值得指出的是，這個人工放射系中的一個成員——鎿233，與鈾235和鈽239一樣，是原子能工業中的一種重要的裂變物質。
放射性元素衰變類型及其規律
定義：原子核由於放出某種粒子而轉變成新核的變化，叫做原子核的衰變；衰變類型：放射性元素放射出a、β、γ三種射線，放出a射線的衰變稱為a衰變，放出β射線的稱為β衰變。衰變規律：遵守質量數守恆和電荷數守恆a衰變：新核的質量數比原來的質量數減少4，電荷數減少2，因此新核在元素周期表中的位置β衰變：β射線為β粒子，即為電子，電子的質量遠小於新核的質量，可以認為電子質量為零，所以發生β衰變後，質量數不變，質子數加1，新核是周期表中向右移一格的那個元素的原子。γ，是波長很短的電磁波，為一種光子，其電荷量和質量均可以看做為零，所以原子放出γ射線後，不會變成其他核。衰變本質：原子核內的兩個質子和中子作為一個整體，結合比較緊密，有時候會作為一個整體從原子核內拋射出來，形成a射線，即a衰變；核內的中子可以轉化為質子和電子，釋放出電子形成β射線，即是β衰變。放射性元素髮生a、β衰變時，產生的新核往往處於激髮狀態，這時它要向低能量狀態躍遷，輻射出光子，產生γ射線。
