放射性衰變係列(liè)

2006/12/29 10:59:00

釙和鐳的發(fā)現，給仔(zī)細(xì)

考察放(fàng)射性礦物的工作以巨大的(dí)推動力(lì)。許多化學家都希望能從這類礦物中得到新的發現🦿，新(xīn)發(fā)現也確(què)實接踵而來(lái)。

    1899年，德比爾納發現元(yuán)素錒；1900年(nián)，多恩發現新(xīn)惰性氣體氡(dōng)；克魯克斯發現鈾X；1901年🥑，德馬凱發現鑀(後證實(shí)是同位素釷(tǔ)230)；1902年，盧瑟福(fú)
和索迪發現釷X……。

    這許許多多的放射性物質，包括居裏夫婦發現的釙和(hé)
鐳在內
，總是與(yǔ)鈾或(huò)釷一(yī)
起存(cún)在於(yú)礦物之中(zhōng)，形影不離(lí)
。這裏不禁要(yào)問
，它(tā)
們與(yǔ)鈾或釷之間究竟有什麼關係(xì)
呢？

    要解(jiě)決這個問題🚿，首先要弄清楚放射性現象(xiàng)

的本質是什麼。事實上(shàng)
，在(zài)探索新放射性(xìng)
元素的同時，揭(jiē)露放射性現(xiàn)
象本質的工作也在相輔相成(chéng)
，緊張(zhāng)而有成效地開(kāi)展著(zhuó)。

    英國(guó)物(wù)理學家(jiā)盧瑟福在1899年就發現

，放(fàng)射性物質放出的(dí)射綫不是單一的，而可以(yǐ)分出(chū)帶正電荷的α射綫(xiàn)和帶負電荷的β射綫，前者穿透性較弱
，後者穿透性(xìng)較(jiào)強。後來又分(fēn)
出一種穿(chuān)透性很強(qiáng)的不帶電荷的γ射綫(xiàn)。如果讓射綫通過磁場或電場
，那麼(mó)這(zhè)三種射綫就分得一清二(èr)楚了：偏轉角度很大的(dí)是β射綫
；偏(piān)向另一方，偏轉(zhuǎn)
角度較小(xiǎo)的(dí)是α射綫；不發生(shēng)偏轉的(dí)是γ射(shè)綫。

    1900年，多恩在鐳製劑(jì)中發現惰性氣體(tǐ)氡，這(zhè)是一(yī)件非同(tóng)尋常的事。根據這一事實，盧瑟(sè)
福和索迪(dí)
於(yú)1902年(nián)提出了一個大膽(dǎn)
的假(jiǎ)說
💫。他們認為，放(fàng)射性(xìng)
現象是一(yī)種元素的(dí)原(yuán)子(zǐ)自發地轉變(biàn)為另(lìng)一種元素的原(yuán)子(zǐ)的(dí)結果
，這(zhè)
個假說很快就得到了證實。1903年，索迪(dí)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(liáng)。他(tā)們觀測到管內的氡(dōng)不斷(duàn)
消失，而氦則逐漸(jiàn)增加。原子衰(shuāi)變理論就(jiù)這樣建立起來(lái)了
，它(tā)動搖了(liǎo)多少世紀以(yǐ)來作為經典化學基石的“原子不(bù)
可(kě)分，化學(xué)
元素(sù)不可變”的觀念。

    衰(shuāi)
變理論指出了一種放射性元(yuán)素的原子會衰變成另一種元素的原子，但如果進一步問(wèn)

，究竟衰變成了什(shí)麼元素的原(yuán)子呢？衰變理論並沒有(yǒu)給出答案。十年(nián)以後建(jiàn)立了位移律(lǜ)🐕，終於回答了這個問題。

    在放射性物質的(dí)研(yán)究工作中(zhōng)，通常把發生衰(shuāi)變的物質稱(chēng)
為母(mǔ)體(tǐ)，把衰變後生成(chéng)
的物(wù)質稱(chēng)為子(zǐ)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(xiàn)母體物質發生α衰變後🃪，其化學(xué)
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(léi)變(biàn)成(chéng)了(liǎo)零價的惰性氣體氡等等
。於是，他(tā)
總結出一條規則🤑：某一元素作α衰變時
😨，生成的子體是周(zhōu)
期表中向左移(yí)兩格的那個元素的原子🖙。1913年
，一(yī)些科學工作者又總結出另一條(tiáo)規(guī)則：某(mǒu)
一元素作β衰變時，生成的子(zǐ)體是(shì)周期表中向右移一(yī)格的那個(gè)元素的原子。這兩條規則合起(qǐ)來就是(shì)通常所(suǒ)
說的位移(yí)律，它把衰變時放出的(dí)射(shè)綫的性質(zhì)和原子發生的變化有機地(dì)聯係起來了(liǎo)。

    在(zài)這段時間內(nèi)，還發現某些不同的放射性物質，如鑀和釷，介釷(tǔ)I和鐳等
👑，它們的性質(zhì)竟(jìng)驚人地相似，如果偶爾把它們混在一起後，用(yòng)化(huà)
學方法就無法把它們(mén)分(fēn)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(yòng)化學方法分離的一般是同一種(zhǒng)元素🀡。因此，勢必得出如(rú)
下結(jié)論：它們雖是不同的放射性物質(zhì)，但屬於(yú)同一種元(yuán)素，於是提出了同位素的概(gài)
念。所謂同位素就是化(huà)學性質相同的一類原子
🌍，它們的原子(zǐ)
量(liáng)不同，但原子序數相同🗙，在周期表中占據同一個位置。

    有了(liǎo)衰變理論，同位素概(gài)
念和位移律，那許許多(duō)多已經發現的(dí)和進一步發現的(dí)放射性物質(zhì)之間的關係(xì)🐠，就比較(jiào)容(róng)易搞清楚了🃳。很快就建立起(qǐ)了鈾和釷兩個放射性衰(shuāi)變係列
。

    為(wéi)
了便於討論(lùn)
，我們在這裏先把原子核(hé)和射綫方麵(miàn)的有關知識簡要介紹一下。原子由原子核(hé)和繞(rào)核旋轉的(dí)電子組成
，原子核又由質子和(hé)中子組成。電子帶1個負電荷
，質於帶1個正電荷，中子(zǐ)不帶電荷。核電荷(hé)
數(即質子數)在數值(zhí)
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(yě)為1，電子很輕很輕，其質量一般忽略不計。質子數(shù)和中子數之和(hé)就(jiù)是原子核或原(yuán)
子的質量數。α射綫又稱α粒子
，它是氦原子核，由兩個質子和兩個(gè)中(zhōng)子組(zǔ)成
，質量數為4🚁，帶2個正電荷。β射綫又稱β粒子🚳，它是電子，帶1個負電荷🚣。如果原子(zǐ)發生α衰變，那就是從(cóng)原子核內放出一個α粒子，因(yīn)此核電荷數(原子序數)減(jiǎn)少(shǎo)2，質量(liáng)
數減少4；如果原(yuán)子(zǐ)發生β衰變😈，放出一個電子，那就(jiù)是相當於核內一個中子(zǐ)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(yuán)子不但按一定(dìng)的衰變方式進行衰變
，而且衰變的速(sù)
率也是一定的(dí)
。某種放射(shè)性(xìng)同位素衰變掉一半所需要的時間，稱(chēng)為(wéi)該放射(shè)性同位素(sù)的半(bàn)衰期。放(fàng)射係中🌒，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(líng)
大致相同🃛。釷-232的半衰(shuāi)期更長，達140億年(nián)🃜，正是由於這個緣(yuán)故，才使它(tā)們得以(yǐ)在地球上留存。

    不過，放射係中其它成員的半衰期要短(duǎn)得多(duō)。最長的不過幾(jī)十萬年；最短的還不到(dào)百萬分之一秒。顯然(rán)，它們是不可能(néng)在地球上單獨存在(zài)
的(dí)。但是
，放射係中的每個成員都不但會衰變掉(diào)
，而且同時(shí)也會由(yóu)於上(shàng)一(yī)個成員(yuán)的衰變而得到補(bǔ)充，因此隻要(yào)放射係(xì)的始祖(zǔ)元(yuán)素存(cún)在🤬，各中(zhōng)間成員也就(jiù)決不(bù)會(huì)消失。這(zhè)就象水庫裏的水不(bù)
會枯竭一樣：水庫(kù)裏的水不斷(duàn)流出(chū)去，同時又不斷由上遊的河水得到補充(chōng)🂻。當(dāng)放射係(xì)中各(gè)中(zhōng)間(jiān)成員衰變掉(diào)的量與生成的量相等時，即各成員之間的比值(zhí)
保持(chí)恒(héng)定不變時，我們就把這(zhè)種狀態稱為放(fàng)射性平衡。

    鈾和釷兩個放射係已經(jīng)滿意地建立起來(lái)了，許多放射物質與鈾
，釷伴(bàn)生，確實是不無道理(lǐ)的🥜，原來它們(mén)都(dū)是始祖元素(sù)鈾或(huò)釷的子孫(sūn)後代👦

。可(kě)是問題並沒有完全解決，錒在鈾礦中的(dí)存在一直是一(yī)個不夠(gòu)清楚的問題🧿。

    經初步測定，錒的半衰期為二，三十年

。因此，它(tā)
之所(suǒ)以(yǐ)能存在(zài)於自然界
，必(bì)須依存於(yú)某一個長壽命的放射性同位(wèi)素。另外，在(zài)含鈾量不同(tóng)
的鈾礦物中🦻，錒量和鈾量之間總有一個(gè)恒定(dìng)的比值(zhí)。由此看來
，錒象是鈾的後代。

    但情(qíng)
況又不盡然。測量結果表明，作為鈾的後代的(dí)鐳

，它與鈾(yóu)平衡時的(dí)放射性強度(dù)，遠比錒(或錒的任(rèn)
一後代)與(yǔ)

鈾平衡時的(dí)放射性強度來得大。兩(liǎng)者的比(bǐ)值約為97
：3。因此錒不(bù)可能是鈾(yóu)的主鏈(liàn)成員。

    根據這(zhè)一事(shì)實
，1906年盧瑟福提出了如下的假說：錒及其(qí)後代(稱為錒放射係)可能是鈾放射(shè)係(xì)中某(mǒu)一成(chéng)員(yuán)的分支衰變產生的支係，即某一成員可能發生兩種(zhǒng)形式(shì)的衰變(α衰變和β衰變)，百分之九十七(qī)變成了(liǎo)鐳放射係(鐳及其後代)，百分之(zhī)三變成(chéng)了錒(ā)放(fàng)射係
。這(zhè)既符合衰變理論🐍，又能解釋錒總以恒定的比(bǐ)值存(cún)
在於鈾礦中這(zhè)一事實
。

    後麵我(wǒ)們(mén)將看(kàn)到🂪，盧瑟福的這個假說(shuō)
是錯誤的。但是盧瑟福關於(yú)分支衰變的想法，卻在法揚(yáng)
斯研究(jiū)鐳C的放射性(xìng)時得到了光輝的證實📯。

    1917年(nián)
皮卡(qiǎ)德(dé)提出(chū)
，錒放射係與鈾(yóu)放(fàng)射係可能根本無關，它(tā)的始祖是鈾的另一個長壽命同位素🖰
，因此錒放射(shè)係總能在鈾礦中發(fā)現，而且與鈾放射係的放射(shè)性保持著某一恒定的比值。他(tā)認為支持這一假說的論據有兩個：

    (1)按照蓋(gài)革·努塔爾經驗定律，放射性同位素的α射綫能(néng)量和半衰期之(zhī)間存在著一定的關係，在雙對數(shù)固上表示成一些直綫。鈾放射係和(hé)釷放(fàng)射係各分屬一(yī)條直綫
，而(ér)錒放射係則為另一直綫。如果錒放射係(xì)是鈾(yóu)放射係的分支，則(zé)代表錒放射係的直綫(xiàn)應與(yǔ)代表鈾放射係(xì)的直綫相重合，或在一端與鈾(yóu)放射係(xì)的直綫相交(jiāo)
。事實上卻是(shì)
錒放射係與鈾放(fàng)
射係為兩(liǎng)條平行的直綫。

    (2)鈾(yóu)的原子量為238.14(這裏的原子量數值均為當時的測定值)，鐳的(dí)原子量(liáng)
為(wéi)225.97，兩(liǎng)者(zhě)相差12.17。而根據位移律來計(jì)算(suàn)💵，鐳(léi)是由鈾放出三個α粒子(zǐ)變來的，那麼三(sān)個α粒子的質量總和僅為12.01
。鈾原子量所(suǒ)以(yǐ)
顯得較大
，可能是由於其中存(cún)在一個質量數更大的同位素(sù)的(dí)緣故。皮卡德將這個假定的鈾同位素稱為錒鈾(yóu)(AcU)
💐。

    盧瑟(sè)福和(hé)皮卡德假說之間的取舍，按理是可以通過錒放射(shè)係成員(yuán)原子(zǐ)量的測定來決(jué)定的。可是由(yóu)於錒放射(shè)係的放射(shè)性僅為鈾放(fàng)射係的3％，且(qiě)各個成(chéng)員的半衰期均(jūn)很短🧘，因此測定原子量(liáng)困難很大。錒的前身鏷發現以(yǐ)後
，測定鏷原子量應該是可能的，因為它在鈾礦中的含量可以與鐳相(xiāng)比擬。但是由於鏷的性質怪癖🧡，大量製取鏷一直未能成功。

    這(zhè)個(gè)問題的解決應該歸功於(yú)
質譜分析新技術的采(cǎi)
用。1927年，阿斯頓用質譜儀測定(dìng)
了普通鉛礦中各(gè)
種鉛同位素含量的比值
，得到的結果是鉛(qiān)206：鉛207🗜：鉛208＝100：75：175。1929年，他又測定了某(mǒu)鈾礦物中各種鉛同位(wèi)素含量的比值，得到的結果是鉛206：鉛(qiān)
207：鉛208＝100：10.7
：4.5，此比值(zhí)
與普(pǔ)通鉛礦(kuàng)顯著不同。

    當時已(yǐ)經知道
，鈾放射係🙁
，釷(tǔ)放射係和錒放(fàng)射係的最(zuì)終衰(shuāi)變產物都(dū)是鉛。鉛206是鈾放射係的最終(zhōng)衰變產物，所以這一(yī)鈾礦(kuàng)物中(zhōng)鉛206的含量特別多。另外(wài)此鈾礦(kuàng)
物中(zhōng)也含有釷🦊，因此也應該有較(jiào)多的釷放射係最終衰變產物鉛208
。但奇怪(guài)的是(shì)鉛208反而比(bǐ)鉛(qiān)207少。

    由此得(dé)出的結論隻能是(shì)：鉛(qiān)
207是由於鈾礦中另一(yī)放(fàng)射性起源生成的，它自然應(yīng)該是錒放射係的最終衰變(biàn)
產物了。盧瑟(sè)福(fú)在(zài)阿斯頓的文章(zhāng)後麵加(jiā)了(liǎo)一(yī)條意見，指出(chū)錒(ā)放射係(xì)應該是獨立的。

    皮卡德的假說獲(huò)得了證實💷。可是他的假說所依賴(lài)的根據(jù)是很不充分的(dí)。首先(xiān)，鈾並沒有更重的天然(rán)同位素；其次，α射綫的(dí)
能量和半衰期之間的關(guān)係在當時也沒有足夠的精確度(dù)可以進行上述論證。

    這(zhè)一過程表明，科學研究中大膽地假(jiǎ)設是十分重要的(dí)。有了比較充分的(dí)事實根據或理(lǐ)論根據
，從而提出(chū)一些假(jiǎ)說
，這樣當然(rán)會使假(jiǎ)說最終被證實的可能性變大。但是如果(guǒ)根據蛛絲馬跡提出一些假設
，隻要與當時所(suǒ)知道的(dí)事實(shí)沒有矛盾(dùn)
，仍然應該說是