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放射性
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放射性或輻射性[1]是指某核種的原子核不穩定,會自發性地放出游離輻射(如α射線、β射線、γ射線等)而衰變成另一種核種(衰變產物),這種特性稱為放射性。衡量放射性強度的國際單位為貝克勒(Bq),傳統單位則為居禮(Ci)。
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原子核不穩定、具有放射性的核種稱為放射性核種或放射性同位素,其衰變時放出的能量稱為衰變能量。至於原子核足夠穩定,不會或無法觀測到其發生衰變的核種,則稱作穩定核種或穩定同位素。每種元素都有著許多種放射性同位素,若某元素的所有同位素都具有放射性,則我們稱該元素為放射性元素,原子序數為83(鉍)以上的元素都屬於放射性元素,而原子序數小於83的元素都具有至少一種穩定的同位素(鍀和鉕除外)。[2]
有趣的是,絕大多數穩定核種的質子或中子數都至少有一個是偶數,質子和中子數皆為奇數的穩定核種非常稀少;而週期表中原子序為偶數的元素,其穩定同位素的數量通常也比相鄰的奇數者來得多;此外,從原子序84(釙)開始一直到97(鉳)之間的放射性元素中,原子序是偶數者,其最長壽同位素的半衰期也都比相鄰的奇數者長。這是由於原子核中的質子或中子互相成對時,能互相抵銷彼此的自旋角動量,使得原子核具有較大的穩定度,因此核子數為偶數的核素形成穩定核的可能性本身便比奇數者來得高。除了核子是否成對外,原子核中具有特定數目的質子或中子時,將有利於形成特別穩定的配置結構,稱為魔數(皆為偶數)。[3][2]
對單一原子來說,放射性衰變依照量子力學是隨機過程,無法預測特定一個原子是否會衰變[4][5][6]。不過原子衰變的機率不會隨著原子存在的時間長短而改變。對大量的原子而言,可以用量測衰變常數計算其衰變速率及半衰期。放射性核種的半衰期沒有已知的時間上下限,範圍可以到55個數量級,短至幾乎瞬間,長至宇宙年齡的一兆倍。穩定性愈高的放射性核種,其半衰期愈長,放射性愈低。在所有元素的放射性同位素中,有650種的半衰期超過一小時,而有數千種的半衰期更短。
發生衰變的放射性核種稱為母核種(parent nuclide)或母同位素(parent isotope),其衰變後產生的核種稱作子核種(daughter nuclide)或子同位素(daughter isotope)。子核種有可能是穩定核種,但也可能同樣具有放射性,會繼續衰變形成下一個子核種。大部分放射性核種並不直接衰變成穩定核種,而是經過一連串的衰變反應,最終達至穩定核種為止,稱作衰變鏈。
放射性衰變有許多種不同的類型。衰變過程中若原子核的中子數或質子數發生了改變,則稱此衰變為核嬗變。若為中子數的改變,則核嬗變後的產物為同種元素的另一種同位素;若為質子數的改變,則核嬗變後的產物為另一種不同的化學元素。
最常見的衰變種類是α衰變和β衰變。α衰變是原子核放出α粒子(氦原子核),是發射核子的衰變中最常見的。不過有些原子核也會放出質子(質子發射)或中子(中子發射),或者釋放比α粒子更重的原子核(自發分裂或簇衰變)。β衰變是原子核釋放β粒子(電子或正電子)及微中子,並將質子轉變為中子(或是將中子轉變為質子)[7] 。原子核的質子也可能捕獲軌道上的電子,使質子轉變為中子,此為電子捕獲。上述的衰變種類都屬於核嬗變。
此外,也有一些核衰變不會改變原子核的組成,產生新的核種,例如γ衰變為激發態原子核的能量以γ射線的方式釋出,而內轉換(英語:Internal conversion)則是激發態原子核將能量轉移至軌道電子上,軌道電子再脫離原子的現象。這類衰變通常並不單獨發生,而往往伴隨在α衰變、β衰變或電子捕獲之後而起。[2]
目前地球上有34個天然存在的放射性原始核種(英語:Primordial nuclide),分屬於28個化學元素。它們的形成可以追溯到太陽系誕生之前,由於它們都具有非常長的半衰期,因此直至今日仍能以相當的量存在於地球上。著名的例子包括鈾、釷等放射性元素,以及鉀-40、釤-147等非放射性元素的長壽放射性同位素。除了以上34種長壽放射性核種外,地球上也存在著約50個非原生的、壽命較短的放射性核種。其中一部分是放射性原始核種衰變後的產物(例如鐳-226、氡-222及釙-210等),部分則是宇宙射線散裂產生的宇生放射性核種(英語:Cosmogenic nuclide)(例如氚、碳-14及磷-32等),如碳-14就是由宇宙射線撞擊氮-14所產生。
放射性核種也可透過粒子加速器或核反應爐來人工合成。使用人工合成的方式能製造出許多自然界中不存在的放射性核種,稱為人造同位素,它們的壽命通常較短,且不處於自然界的3條主要衰變鏈中,因此只能以人工合成的方式生成。所有同位素皆為人造同位素的元素稱作人工合成元素或人造元素,例如鑀、鐨等。