原子核衰变

　　原子核衰变，简称核衰变，是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。原子核衰变有3种：α衰变、β衰变、γ衰变。

原子核衰变原因

　　其根本原因在于核内的核力与库仑力不是处于平衡状态。无论是质子还是中子，它们之间存在核力，属吸引力。质子与质子之间存在库仑力，当然众所周知，属于排斥力。

　　如果质子过多，那么排斥力大于吸引力，当然不稳定。通过质子变成中子等效应，降低排斥力，增加吸引力，Z终使二者达到平衡。这就是(级联)衰变过程。同样，如果中子过多，吸引力过大于排斥力，二力不平衡，也影响系统的稳定。所以要衰变，减少中子数或增加质子数。

　　综上所述，当核内质子数与中子数搭配协调时，体系才稳定。否则就衰变，向稳定过渡。这就好比一个社会，男女比例不可以太失调。另外，当核内有过多的质子和中子时(比如质量数超过200时)，即使二力平衡也不稳定。这就好比搭积木，积木越多框架越不稳定。也好比一个国家，比如以前的苏联，国家太大了，就不好治理。

原子核衰变种类

　　α衰变

　　α衰变，是一种放射性衰变(核衰变);发生α衰变时，一颗α粒子会从原子核中射出;α衰变发生后，原子核的质量数会减少4个单位，其原子序数也会减少了2个单位。α衰变是一种核裂变，当中涉及量子物理学中的隧穿效应，和β衰变不同的是α衰变是由强核力力场产生和控制。

　　设衰变前的原子核(称母核)为X(Z，A)，这里Z为原子序数，A为质量数，衰变后的原子核(称子核)为Y(Z-2，A-4)，则α衰变可表示为

　　X(Z，A)→Y(Z-2，A-4)+α

　　一颗α粒子带有5兆电子伏特的动能，其移动速度是每秒15000公里，即是只达到5%光速;由于α粒子相对大的质量，其+2的电荷，以及相对慢的移动速度，它们实在太容易就会和其他原子核和粒子反应及失去其能量，α粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸收。

　　地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏的矿物，如铀和钍的α衰变产生的。

　　β衰变

　　β衰变是一种放射性衰变。在此过程中，一个原子核释放一个β粒子(电子或者正电子)，分为β+衰变(释放正电子)和β-衰变(释放电子)。

　　β-衰变中，弱相互作用把一个中子转变成一个质子，一个电子和一个反电子中微子。其实质是一个下夸克通过释放一个W-玻色子转变成一个上夸克。W-玻色子随后衰变成一个电子和一个反电子中微子。

　　β+衰变中，一个质子吸收能量转变成一个中子，一个正电子和一个电子中微子。其实质是一个上夸克通过释放一个W+玻色子转变成一个下夸克。W+玻色子随后衰变成一个正电子和一个电子中微子。与β-衰变不同，β+衰变不能单独发生，因为它必须吸收能量。在所有β+衰变能够发生的情况下，通常还伴随有电子捕获反应。

　　γ衰变

　　γ衰变是放射性元素衰变的一种形式。反应时放出伽玛射线(是电磁波的一种，不是粒子)。由于此衰变不涉及质量或电荷变化，故此并没有特别重要的化学反应式。

　　γ射线是电磁辐射，具有在电磁辐射的频谱中Z高的频率和能量，而且在电磁辐射的频谱中波长Z短，即是属于高能光子。由于其高能量，活细胞吸收它们时能造成严重破坏。

　　屏蔽γ射线都需要大量的质量。材料用于屏蔽要顾及到质量和密度。高能量的γ射线，要求较厚的材料作屏蔽。屏蔽γ射线的材料通常有相当的厚度，以减低γ射线的强度。举例来说，γ射线需要1厘米的铅降低其强度至50%，6厘米的混凝土也可以将其强度降低一半。

　　三种衰变比较

　　α粒子即氦核，是发生α衰变时直接从核内放出的，而β粒子是负电子，核内并不存在，它是核内中子转变为质子时放出的。重核在发生α衰变或β衰变时，核子在核内的分布情况发生变化，核内的能量要减少，核趋于稳定，这时如果还有较高的能量，就会在放出α粒子或β粒子的同时再放出一个γ粒子(即光子)，这种情况和原子能级的跃迁类似。

　　我们知道，当原子由高能级跃迁到低能级时。能量就以光子的形式辐射出来，同样，当核内核子分布情况由高能级变为低能级时。能量就以γ光子的形式辐射出来，从上面的分析可知，α衰变与β衰变不是同时在同一核内产生的，而γ衰变则常伴随α衰变或β衰变同时产生。

原子核衰变的应用

　　通过原子核衰变的半衰期来鉴定年代，是考古的常用方法。

　　我们知道碳有三种同位素，¹⁴C，¹³C，和¹²C。其中碳14是由宇宙射线轰击大气圈外层得氮原子而形成的，碳14形成了以后被氧化形成二氧化碳，进入大气圈，水圈，生物圈等等圈层。

　　碳14的半衰期为5730年，也就是说经过5730年后原来碳14的含量只剩下一半了，再过5730年后就只剩一半的一半，虽然碳14不断地在衰减，但是新的碳14也在大气圈外层源源不断地产生，基本上可以“收支平衡”，使得大气圈内地碳14总体含量保持不变13。56dpm/g carbon。

　　大家可以想象一下，植物通过光和作用吸收二氧化碳，动物吃植物，还要呼吸。所以每个活着地生命体内的碳元素总在与外界进行交换，从而也保持了空气中基本的水平。

　　一旦生命体死去了以后，它再也无法吸收新的碳14，而体内的碳14又在衰减。前面我们讲过放射性元素的衰变是时间的函数，碳14也不例外。不论刮风还是下雨，经过5730年后一半的碳14就会衰变为氮并释放出β粒子(一个电子)。所以我们就可以根据死亡生命体内碳14的含量得出其死亡的年龄。

　　经过5个半衰期之后，也就是不到三万年，碳14就会衰减到一半的一半的一半的一半的一半，大概只有原来的1%了，再往后碳就变成死碳了，也就是说很难找到碳14的踪迹。因此碳十四测年的范围就很窄了只有大概五万年而已。