衰变模式

**放射性**或**輻射性**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。衡量放射性強弱的國際單位為貝克勒（Bq），傳統單位則為居禮（Ci）。

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（鎝和鉕除外）。

有趣的是，週期表中原子序數為偶數的元素，其穩定同位素的數量通常比相鄰的奇數者來得多，而從原子序 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，因此原子序數（即質子數）為偶數的元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）。

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。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，則稱此衰變為核轉換。若為中子數的改變，則核轉換後的產物為同種元素的另一種同位素；若為質子數的改變，則核轉換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） 。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轉換。

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，而內轉換則是激發態原子核將能量轉移至軌域電子上，軌域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。

目前地球上有 34 個天然存在的放射性原始核種，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（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，稱為合成同位素或人造同位素，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。所有同位素皆為合成同位素的元素稱作人工合成元素或人造元素，例如鑀、鐨等。

## 發現史

放射性是由法國科學家亨利・貝克勒在 1896 年研究磷光材料時發現，磷光材料在暴露在日光下後，在黑暗中會發光，他認為 X 射線碰撞陰極射線管後發出的光和磷光有關。他將照片底片捲在黑色紙張內．上面放置許多不同的磷光材料，一直到用鈾鹽時底片才有影像，即使底片被黑色紙張包覆在內．底片仍顯現出黑色的感光圖像。這種穿透性質的放射線被稱為「貝克勒射線」。

後來很快就發現上述的感光和磷光無關．因為使用非磷光材料的鈾鹽甚至鈾金屬，也會有一樣的效果。因此推斷有一種不可見的放射線可以穿過黑色紙張，使底片感光而變黑。

一開始人們認為這種放射線類似於剛發現的 X 光。而貝克勒、歐尼斯特・拉塞福、保羅・維拉爾、皮耶・居禮、瑪麗・居禮等人的研究發現這種放射線比 X 光複雜。拉塞福是第一個發現具有這種放射線性質的元素會依循著指數形式衰減的人。拉塞福和他的學生弗雷德里克・索迪最早發現元素的衰變過程會使其原子嬗變成另一種元素的原子。隨後，弗雷德里克・索迪和卡西米爾・法揚斯提出索迪 - 法揚斯放射位移定律，用於描述 α 衰變及 β 衰變的產物。

早期的研究者也發現除了鈾之外，一些其他的化學元素也具有這種放射線性質，例如釷等。皮耶・居禮和瑪麗・居禮發現瀝青鈾礦的放射線劑量遠高於理論值，因此推斷其中含有放射性遠強於鈾的未知元素，並經過反覆實驗後成功從中分離出兩種新元素：釙和鐳。鐳一方面具有放射性，而且化學性質類似鋇，增加了分離的難度，瑪麗・居禮也因分離了這二種元素而獲得諾貝爾化學獎。

居禮夫婦對放射性的研究隊科學和醫學界有著重大影響。他們發現了釙和鐳之後，創造了「放射性」（radioactivity）一詞來定義這種重元素發射高能游離輻射的性質（後來該詞的定義被擴展到所有元素）。他們對放射性的研究和鐳的發現開啟了使用鐳治療癌症的時代，不但是核能的首個和平用途，更是現代核醫學的開端。

## 放射性單位

國際單位制（SI 制）的放射性強度單位為貝可勒爾（Bq），得名自科學家亨利・貝克勒爾，1 貝克勒定義為一秒有一個原子衰變。

較早期放射性活度的單位為居禮（Ci），定義為其一克的鐳 226 放射性活度。現在一居禮定義為每秒 3.7×1010 個原子衰變，因此 1 居禮 （Ci） = 3.7×1010 Bq。在放射保護的應用上，美國核能管理委員會允許使用居禮及國際單位制單位
，但歐盟的歐洲測量單位指令要求在公共衛生方面，自 1985 年 12 月 31 日起不能使用居禮單位。

## 衰變

放射性衰變是指不穩定的原子核放射出游離輻射並轉換其核子組成或能階的現象。放射性衰變通常都有一定的週期，並且一般不因物理或化學環境而改變，這也就是放射性可用於確定年代的原因。由於一個原子的衰變是自然地發生，即不能預知何時會發生，因此會以機率來表示。假設每顆原子衰變的機率大致相同，例如半衰期為一小時的原子，一小時後其未衰變的原子會剩下原來的二分之一，兩小時後會是四分之一，三小時後會是八分之一。

放射性衰變根據過程和產物的不同分為非常多種類型，某些原子的放射性衰變會生成另一種核種的原子，並釋放出 α 粒子、β 粒子或微中子等粒子，在發生衰變後，處於激發態的原子還會釋出 γ 射線。每種放射性核種通常都有其固定的衰變模式，但有些核種有可能發生多種形式的衰變，稱為分支衰變（branching decay），例如鉀 - 40 有 89.28% 的機率發生 β-衰變形成鈣 - 40，10.72% 發生電子俘獲形成氬 - 40。

通常衰變所生成的產物大多也帶有放射性，因此會進行一連串的衰變過程，直至該原子衰變成一穩定的核種，稱作衰變鏈。但像碳 - 14、鉀 - 40 等核種則只會經過一次衰變便形成穩定核種，並不會一連串地發生衰變。

衰變後的實物粒子靜止質量的總合會少於衰變前實物粒子靜止質量的總和，根據質能方程式，能量可以表現出質量。當物體的能量增加 E，其質量則增加 E/C²，當物體的能量減少 E，其質量也減少 E/C²，如果一個原子核衰變後放出實物粒子，假設該原子核在衰變前相對於某一慣性參照物靜止，衰變後的新原子核和所放出的實物粒子相對於該慣性參照物運動，即對於該慣性參照物而言，新原子核和所放出的實物粒子具有動能，當新原子核或所放出的實物粒子與其他粒子發生碰撞，它便會失去能量。因此，衰變前和衰變後質量和能量都是守恆的，粒子的靜止質量則不守恆。如果該原子核放出光子，同樣的，光子也具有質量，但沒有靜止質量。

發生核衰變的放射性核種中，有的是在自然界中天然存在的，如鈾 - 238、碳 - 14 等，也有很多是經過粒子對撞等方法人工合成的核種，如鈷 - 60、鎝 - 99m 等。

### 衰變類型

放射性原子核能以許多不同的形式進行衰變以使自身達到更穩定的狀態，每種放射性核種均有其固定的衰變模式。下表中總結了主要的幾種衰變類型。一個質量數為 _A_、原子序數為 _Z_ 的原子核在表中描述為（_A_, _Z_），「子核」一欄以這種描述方式指出母核衰變後產生的子核與母核的不同。例如，（_A_ − 1，_Z_ + 1）意為「子核質量數比母核少 1（少一個核子），而原子序數比母核多 1（多一個質子）」。

## 天然放射線的來源

自然界中的放射線是由天然放射性核種所放射出，而天然放射性核種有以下三種可能的來源：

* 原始放射性核種：原始核種是指在地球起源時就存在於地殼中的核種，大多是在恆星核合成和超新星爆炸的過程中產生，包括所有穩定核種和一些半衰期極長的放射性核種，其中一些核種的半衰期甚至長達宇宙年齡的數倍，因此直到近年來才檢測出其放射性。地殼中的原始放射性核種經歷數十億年的長久地質年代，母、子體之間已達到平衡，其中最重的三種核種在地殼中的衰變過程組成了現今自然界中三條最主要的衰變鏈，分別是以 238U 為母體的鈾系、以 235U 為母體的錒系和以 232Th 為母體的釷系，這三條衰變鏈的初始核種具有極長的半衰期，且衰變的終點都是鉛的穩定同位素。除了以上三種核種外，其他代表性的原始放射性核種還包括 40K、48Ca 和 209Bi 等，總共約 34 種。
* 次生天然放射性核種：為上述原始放射性核種的衰變產物。它們的半衰期通常較短，但由於處在自然界的三大衰變鏈中，因此能不斷地作為衰變產物生成。例子包括鐳、氡和釙等的天然同位素。由於它們的半衰期較短，單位時間內的放射劑量較大，因此礦場和地下室的放射性危害通常是由這些短壽命核種造成的。
* 宇生放射性核種：來自外太空的宇宙射線與地球上的物質發生碰撞（即宇宙射線散裂）後會產生許多新的核種，稱為宇生核種，包括穩定核種和放射性核種。代表性的宇生放射性核種包括 3H、14C 和 32P 等。

## 放射性的用途

* **醫學**：X 光檢查、癌症化療
* **礦業**：放射性選礦
* **工業**：核能發電、探測焊接點和金屬鑄件的裂縫、工業生產線上的自動品質控制系統、量度電鍍薄膜的厚度、消除靜電
* **農業**：知道肥料的吸收及流失
* **考古**：鑑定古物所屬的年代（放射性定年法）
* **其他**：大氣核試爆、夜光手錶、煙火感應器、螢光指示牌、藝術品

## 相關的警告標誌

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## 參見

## 參考資料

## 外部連結

* 香港天文台 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）