γ射线：产生过程与荧光产额的关系

图1-6 荧光产额与元素原子序数的一般关系

γ射线是波长很短的电磁波，为线状谱射线。γ射线穿透物体的能力很强，有的甚至可以穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小。简单说，γ射线是放射性同位素的原子核发生衰变过程中，处于激发态的核在向低能级的激发态或基态跃迁过程中产生的辐射。显然，γ射线的产生过程不同于X射线的产生过程。不同的原子核具有不同的能级结构，所以不同的放射性元素辐射的γ射线具有不同的能量。

核素（原子核）自发地放射出射线而转变为另一种核素（原子核）的现象，称为放射性衰变。在衰变的过程中电荷数和质量数保持守恒。放射性衰变的主要方式是α衰变、β衰变及γ衰变，此外还有轨道电子俘获（ε或EC）、自发裂变（SF）等。

α衰变是指原子核放出α粒子的衰变过程。α粒子带有两个单位的正电荷，质量数为4，实际就是氦原子核。它穿透物体的能力很小，在空气中也只能飞行几个厘米，但具有很强的电离能力。以X表示原来的核，以Y表示衰变后的核，则α的衰变过程可写成

β衰变是指原子核放出β粒子的衰变过程。β粒子是负电子流或正电子流，它具有较大的穿透能力，甚至可以穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。放出负电子流的称为“β-衰变”，放出正电子流的称为“β⁺衰变”。在β^-衰变中，核内的一个中子转变为质子。在β⁺衰变中，核内的一个质子转变为中子。β衰变可写成如下形式：

对β^-衰变：

对β⁺衰变：

在β衰变中放出的电子的能量在一个范围内是连续分布的，有一个确定的最大能量。

当一种放射性元素发生连续衰变时，有的过程是α衰变，有的过程是β衰变，在这些衰变过程中常伴随辐射γ射线。这是由于放射性元素的核，经过上述衰变后变成处于激发态的核，当它返回正常态时将辐射γ射线，这个过程称为γ衰变（也称为γ跃迁）。

原子核从激发态向低能态或基态跃迁，除了发射γ射线外，还可以通过发射电子的方式完成。在发射电子的方式中，处于激发态的原子核把激发能传给轨道电子，使轨道电子发射出来，同时实现原子核的能态跃迁。这个过程称为内转换，发射的电子称为内转换电子。

轨道电子俘获是指原子核从核外的轨道电子中俘获一个轨道电子的衰变过程。俘获轨道电子后原子核的一个质子转变成中子，生成质量数与母核相同但原子序数前移一位的新核。在轨道电子俘获后，由于在内层轨道上出现电子空位，因此轨道电子俘获一般伴随特征X射线发射或俄歇电子发射。通常认为轨道电子俘获是β衰变中的一种过程。

放射性原子核的衰变过程是自发进行的，但衰变过程遵循一定的统计规律。实验表明，对于同种放射性元素，它的每个原子核发生衰变的可能性是相同的，但不是同时发生衰变，在很短的时间间隔内，衰变的原子数与存在的原子数成正比。即在很短的时间Δt内如果有ΔN个原子核发生衰变，则它们满足下面的关系：

ΔN=-λNΔt

式中的负号表示衰变后原子核数减少。对此式积分，则得到放射性衰变规律，即(www.xing528.com)

N=N₀e^-λt （1-4）

式中 N₀——初始时刻（t=0）放射性物质未发生衰变的原子核的数量；

N——t时刻放射性物质尚未发生衰变的原子核的数量；

t——经过的衰变时间；

λ——衰变常数。

可见，原子核的减少服从指数衰减规律，即放射性衰变服从指数衰减规律。

衰变常数是表征原子核衰变快慢的物理量，其物理意义是单位时间内原子核发生衰变的概率。不同种类的原子核衰变常数不同，也就是说，它们衰变的速率不同。

实际应用中，经常采用半衰期描述放射性衰变的快慢。半衰期表示放射性原子核数目减少至原来数目一半时所需的时间，通常采用符号T₁/2表示半衰期。按照半衰期的定义可以得到

放射性衰变是一个自发进行的过程，放射性元素的衰变方式和速率由原子核本身的性质决定，与原子核所处的物理状态或化学状态无关，外界条件（如温度、压力等）也不能改变它的衰变方式和速率。

图1-7是Co-60、Cs-137和Tm-170的衰变方式。从图中可见，Co-60的衰变过程是先经过一次β衰变，然后再经过两次γ衰变，变为稳定的Ni-60。Cs-137的衰变过程则有两种：一种是只经过一次β衰变就变为稳定的Ba-137；另一种是先经过一次β衰变，再经过一次γ衰变变为稳定的Ba-137。Tm-170的衰变过程也有两种：一种是只经过一次β衰变（76%）就变为稳定的Yb-170；另一种是先经过一次β衰变（24%），再经过一次γ衰变变为稳定的Yb-170（或者再经过一次发射特征X射线变为稳定的Yb-170）。

不同放射性元素的半衰期差别也很大，例如，放射性元素Co-60的半衰期为5.3年，而放射性元素Ir-192的半衰期仅为74天。这些都是它们固有的，不能通过某些方法、手段加以控制或改变。

图1-7 放射性衰变方式

从上面叙述的一些放射性同位素的衰变过程可以清楚看到，两个不同放射性同位素的源，即使活度相等，它们辐射的射线强度也并不一定相等。例如，同为100Ci（1Ci=3.7×10¹⁰Bq）的Co-60和Tm-170源，Co-60源在一个核衰变中放出两个γ射线光子，而Tm-170源在一个核衰变中仅有24%的可能放出一个γ射线光子。