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放射性
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放射性或辐射性[1]是指某核素的原子核不稳定,会自发性地放出电离辐射(如α射线、β射线、γ射线等)而衰变成另一种核素(衰变产物),这种特性称为放射性。衡量放射性强度的国际单位为贝克勒尔(Bq),传统单位则为居里(Ci)。
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原子核不稳定、具有放射性的核素称为放射性核素或放射性同位素,其衰变时放出的能量称为衰变能量。至于原子核足够稳定,不会或无法观测到其发生衰变的核素,则称作稳定核素或稳定同位素。每种元素都有着许多种放射性同位素,若某元素的所有同位素都具有放射性,则我们称该元素为放射性元素,原子序数为83(铋)以上的元素都属于放射性元素,而原子序数小于83的元素都具有至少一种稳定的同位素(锝和钷除外)。[2]
有趣的是,绝大多数稳定核素的质子或中子数都至少有一个是偶数,质子和中子数皆为奇数的稳定核素非常稀少;而周期表中原子序为偶数的元素,其稳定同位素的数量通常也比相邻的奇数者来得多;此外,从原子序84(钋)开始一直到97(锫)之间的放射性元素中,原子序是偶数者,其最长寿同位素的半衰期也都比相邻的奇数者长。这是由于原子核中的质子或中子互相成对时,能互相抵销彼此的自旋角动量,使得原子核具有较大的稳定度,因此核子数为偶数的核素形成稳定核的可能性本身便比奇数者来得高。除了核子是否成对外,原子核中具有特定数目的质子或中子时,将有利于形成特别稳定的配置结构,称为魔数(皆为偶数)。[3][2]
对单一原子来说,放射性衰变依照量子力学是随机过程,无法预测特定一个原子是否会衰变[4][5][6]。不过原子衰变的概率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言,可以用量测衰变常数计算其衰变速率及半衰期。放射性核素的半衰期没有已知的时间上下限,范围可以到55个数量级,短至几乎瞬间,长至宇宙年龄的一兆倍。稳定性愈高的放射性核素,其半衰期愈长,放射性愈低。在所有元素的放射性同位素中,有650种的半衰期超过一小时,而有数千种的半衰期更短。
发生衰变的放射性核素称为母核素(parent nuclide)或母同位素(parent isotope),其衰变后产生的核素称作子核素(daughter nuclide)或子同位素(daughter isotope)。子核素有可能是稳定核素,但也可能同样具有放射性,会继续衰变形成下一个子核素。大部分放射性核素并不直接衰变成稳定核素,而是经过一连串的衰变反应,最终达至稳定核素为止,称作衰变链。
放射性衰变有许多种不同的类型。衰变过程中若原子核的中子数或质子数发生了改变,则称此衰变为核嬗变。若为中子数的改变,则核嬗变后的产物为同种元素的另一种同位素;若为质子数的改变,则核嬗变后的产物为另一种不同的化学元素。
最常见的衰变种类是α衰变和β衰变。α衰变是原子核放出α粒子(氦原子核),是发射核子的衰变中最常见的。不过有些原子核也会放出质子(质子发射)或中子(中子发射),或者释放比α粒子更重的原子核(自发裂变或簇衰变)。β衰变是原子核释放β粒子(电子或正电子)及中微子,并将质子转变为中子(或是将中子转变为质子)[7] 。原子核的质子也可能捕获轨道上的电子,使质子转变为中子,此为电子捕获。上述的衰变种类都属于核嬗变。
此外,也有一些核衰变不会改变原子核的组成,产生新的核素,例如γ衰变为激发态原子核的能量以γ射线的方式释出,而内转换(英语:Internal conversion)则是激发态原子核将能量转移至轨道电子上,轨道电子再脱离原子的现象。这类衰变通常并不单独发生,而往往伴随在α衰变、β衰变或电子捕获之后而起。[2]
目前地球上有34个天然存在的放射性原始核素(英语:Primordial nuclide),分属于28个化学元素。它们的形成可以追溯到太阳系诞生之前,由于它们都具有非常长的半衰期,因此直至今日仍能以相当的量存在于地球上。著名的例子包括铀、钍等放射性元素,以及钾-40、钐-147等非放射性元素的长寿放射性同位素。除了以上34种长寿放射性核素外,地球上也存在着约50个非原生的、寿命较短的放射性核素。其中一部分是放射性原始核素衰变后的产物(例如镭-226、氡-222及钋-210等),部分则是宇宙射线散裂产生的宇生放射性核素(英语:Cosmogenic nuclide)(例如氚、碳-14及磷-32等),如碳-14就是由宇宙射线撞击氮-14所产生。
放射性核素也可透过粒子加速器或核反应堆来人工合成。使用人工合成的方式能制造出许多自然界中不存在的放射性核素,称为人造同位素,它们的寿命通常较短,且不处于自然界的3条主要衰变链中,因此只能以人工合成的方式生成。所有同位素皆为人造同位素的元素称作人工合成元素或人造元素,例如锿、镄等。