17.1: 放射性同位素

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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回想一下，原子是元素中最小的成分，它保留了该元素的所有化学特性（参见物质）。如前所述，原子在原子核中含有未带电的中子和带正电荷的质子。原子核周围有带负电荷的电子。 原子的原子质量由质子和中子的数量决定，因为电子的质量可以忽略不计。每个质子或中子重 1 个原子质量单位 (AMU)。元素周期表中显示的原子质量值不是整数，因为它们代表该元素原子的平均原子质量（图\(\PageIndex{a}\)）。相同元素的原子不一定具有相同的质量，因为它们的中子数可能不同。

元素周期表中代表氢气和铀的细胞。 — 图\(\PageIndex{a}\)：元素周期表中每个单元格中的整数是原子序数或质子数（1 代表氢气，92 代表铀）。还显示了原子质量数，即质子和中子的平均数（氢气为1.01，铀为238.03）。图片由国家生物技术信息中心（公共领域）裁剪和标记。

同位素是相同元素的不同形式，具有相同数量的质子，但中子数量不同。一些元素，例如碳、钾和铀，具有天然存在的同位素。碳12是最常见的碳同位素，包含六个质子和六个中子。因此，它的质量数为12（六个质子和六个中子），原子序数为6（这使其成为碳）。 Carbon-14 包含六个质子和八个中子。因此，它的质量数为14（六个质子和八个中子），原子序数为6，这意味着它仍然是碳元素。碳的这两种替代形式是同位素。有些同位素是不稳定的，会以粒子和能量的形式发射辐射以形成更稳定的元素。某些形式的辐射是危险的。它们被称为放射性同位素或放射性同位素（图\(\PageIndex{b}\)）。在放射性衰变期间，一种类型的原子可以通过这种方式变成另一种类型的原子（图\(\PageIndex{c}\)）。

protium、deuterium 和 tritium 的模型，它们都是氢的同位素 — 图\(\PageIndex{b}\)：氢的同位素。所有这些原子都有一个质子（标有 “p ⁺” 的粉色圆圈），但是 protium 没有中子，氘有一个中子（标记为 “n” 的橙色圆圈），钍有两个中子。质子和中子位于原子（原子核）的中心。一个电子（标有 “e ^-” 的蓝色圆圈）围绕每个原子核旋转。图片来自国家同位素开发中心/美国能源部同位素计划（公共领域）。

碳 14 原子衰变为氮 14，释放辐射 — 图\(\PageIndex{c}\)：碳的**放射性同位素**（carbon-14）有六个质子和八个中子。它会分解成稳定的氮同位素（nitrogen-14），它有七个质子和七个中子。放射性衰变释放辐射（本例中出现的特定类型的辐射称为 β 减衰变，β-。）碳14以可预测的速度衰变，其中一半每5730年衰变一次。因为生物中含有丰富的碳, 这种可预测的衰变速率通常用于对化石进行定年. 图片来自 CDC（公共领域）。

《半条命》

半衰期是原始放射性同位素的一半衰变所需的时间（图\(\PageIndex{d}\)）。例如，铀-238的半衰期约为45亿年。 45亿年后，铀-238最初量的一半（50％）将留下来。其余的将分解为钍234（它也是放射性的，会迅速分解为一系列放射性同位素，直到最终变成稳定的铅206；图\(\PageIndex{e-f}\)）。在两个半衰期（90亿年）之后，只剩下50％的一半（原始半衰期的25％）。在三个半衰期之后，将只剩下原始铀238的12.5％。

每个半衰期后剩余的原始样本分数的图表。 — 图\(\PageIndex{d}\)：每过半衰期，50% 的放射性同位素会衰变。半衰期过后，剩下 50%（1/2；0.5）的放射性同位素。在两个半衰期之后，只剩下 25% 的原始放射性同位素。三个半衰期后，为 12.5%；四个半衰期 = 6.25%；五个半衰期 = 3.125%。图片由 Fraknoi、Morrison 和 Wolff/OpenStax（CC-BY）提供。在 openstax.org 上免费访问。

由许多质子和中子组成的 U-238 原子核通过释放两个质子和两个中子而衰变为 Th-235。 — 图\(\PageIndex{e}\)：当不稳定的铀-238衰变时，它会发射一个 alpha (α) 粒子，即两个质子和两个中子。这使它变成了一个新的元素（钍-234）。图片由 OpenStax (CC-BY) 提供。在 openstaxcollege.org 上免费下载。

铀238的衰变链由一系列用箭头连接的同位素表示 — 图\(\PageIndex{f}\)：铀238的衰变链。每个同位素的质量、原子序数和半衰期按顺序列在原子符号的右侧。每个箭头都标有释放的辐射类型：α（α）辐射，即两个质子和两个中子，或β（β）辐射，这是一种高能电子。衰变从铀持续到以稳定（非放射性）同位素铅（Pb-206）结束。图片由户阪（CC-BY）提供。

行动中的进化:碳定年

Carbon-^14（14 C）是一种天然存在的放射性同位素，由宇宙射线在大气中产生。这是一个连续的过程，因此总会创建更多 ¹⁴ C。随着活生物体的发育，其体内 ¹⁴ C的相对水平等于大气中14C的浓度。当生物死亡时，它不再摄入 ¹⁴ 摄氏度，因此该比例将下降。 ¹⁴ C 通过一个叫做 β 衰变的过程衰变为 ¹⁴ N；它在这个缓慢的过程中释放出能量（图\(\PageIndex{c}\)）。大约 5,730 年后，¹⁴ C 的起始浓度中只有一半会转化为 ¹⁴ N。同位素原始浓度的一半衰变为更稳定的形式所需的时间称为其半衰期。

由于 ¹⁴ C 的半衰期很长，因此它被用来老化以前的活物体，例如化石。使用在物体中发现的 ¹⁴ 摄氏度浓度与在大气中检测到的 ¹⁴ 摄氏度的比率，可以确定尚未衰变的同位素量。根据这个数额，可以计算出化石的年龄约为50,000年（\(\PageIndex{g}\)下图）。半衰期较长的同位素，例如钾40，用于计算较旧化石的年龄。通过使用碳定年法，科学家可以重建生活在过去 50,000 年内的生物的生态和生物地理学。

核裂变反应

核裂变反应是指涉及分裂原子核的反应（图\(\PageIndex{h}\)）。它们可以通过用中子爆炸放射性元素来诱发。与自然放射性衰变一样，诱发的核裂变反应会释放能量。核裂变时释放的热能可用于发电。这是核能的基础。目前，铀235（²³⁵ U；原子质量为235的铀同位素）目前被用作核裂变反应的燃料（图\(\PageIndex{h}\)）。

核裂变显示原子核分裂。核聚变显示两个较小的原子核结合在一起。 — 图\(\PageIndex{h}\)：核裂变和聚变是从原子产生能量的物理过程。核裂变涉及分裂原子核，但核聚变涉及将较小的原子核组合成较大的原子核。图片由莎拉·哈曼/美国能源部（公共领域）提供。

一簇红色和蓝色的球体代表 U-235 核，它被中子（红色球体）击中并分裂 — 图\(\PageIndex{i}\)：铀235（²³ 5 U）的裂变可以通过用中子轰击来诱发。这会产生 U-236，它不稳定，会分裂成裂变碎片和额外的中子。因此，能量被释放。红色球体是中子，蓝球是质子。图片由不列颠哥伦比亚省开放教科书（CC-BY）提供。

归因

由 Melissa Ha 修改 Matthew R. Fisher 的《环境生物学》中的物质（根据 CC-BY 许可）