深入理解原子结构：从基态到放射性衰变

【学习目标】

1.了解原子与原子的结构。

2.熟悉核外电子的运动规律。

3.掌握原子核的衰变规律。

一、元素与原子

世界上的一切物质都是由元素构成的。迄今为止，已发现的元素有100多种，其中天然的有90多种，人工制造的有10多种。

元素是在元素周期表中按原子序数排列着的原子，这些原子从元素周期表的角度讲可称为元素，所以说，元素是原子的表现形式，原子是元素的具体存在。为便于表达和书写，每种元素都用元素符号表示，如碳C、铁Fe、钴Co等。元素的名称用元素符号和质量数来表示，如C12（C是碳元素的符号，其质量数为12）。

原子是体现元素性质的最小微粒，在化学反应中，原子的种类和性质不会发生变化。

原子质量非常小，用它的实际质量来表示很不方便。国际上以碳原子质量的1/12作为原子质量单位，用符号u表示，其他原子的质量与u的比值，作为这种原子的相对原子质量，相对原子质量曾称原子量。照此规定，碳元素的相对原子质量为12，氢元素的相对原子质量为1，氧元素的相对原子质量为16。

原子由一个原子核和若干个核外电子组成。原子核带正电荷，位于原子中心，核外电子带负电荷，在原子核周围高速运动。原子核所带正电荷数（核电荷数）与核外电子所带负电荷数相同，所以整个原子呈电中性。

原子核由质子和中子组成。质子带一个单位正电荷，中子不带电荷，原子核中有几个质子就有几个核电荷数。

核外电子的质量极小，每个电子带有一个单位负电荷。因此，在数值上有下列关系：

质子数=核电荷数=核外电子数=原子序数

质子和中子的质量大致都相当于1u，电子质量约是质子质量的1/1836，计算相对原子质量时电子质量忽略不计，由此得到下列关系：

相对原子质量=质子数+中子数

相对原子质量用A表示，质子数用Z表示，中子数用N表示，其数量关系为A=Z+N。例如Co60，相对原子质量A为60，质子数Z为27，中子数N为33。

核素是指具有一定质子数、中子数并处于特定能量状态的原子或原子核。一种元素可包含多种核素。同一种元素的原子必定具有相同的核电荷数，但中子数可以不同。也就说在元素周期表中，一个元素占一个位置，但同一位置上原子的性质并不一定相同。例如，氢元素有三种原子氕、氘、氚，它们均含有1个电子，1个质子，但中子数分别为0、1、2，相对原子质量分别为1、2、3。我们把这些处于同一位置但有不同性质的各种原子互称为同位素，即具有相同质子数和不同中子数的同一元素的原子互称为同位素。

二、核外电子的运动规律

1913年，丹麦科学家玻尔提出了原子轨道和能级的概念，揭示了核外电子的运动规律。

玻尔的原子理论假说可概括叙述如下：原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行，各条轨道有不同的能量状态，称为能级，各能级的能值都是确定的。正常情况下电子总是在能量最低的轨道上运行，这时的原子状态称为基态。

当原子从外界吸收一定能量时，电子就由最低能量轨道跳到较高能级轨道，这一过程称为跃迁，此时原子的状态，称为激发态。激发态是一种不稳定的状态，所以电子将再次跃迁回较低能级轨道，电子从较高能级E_n跃迁回到较低能级E_m时，两个能级的能量值差就会以光子的形式辐射出来，即

hν=E_n-E_m（1-1）

式中 hν——光子的能量，MeV；(www.xing528.com)

E_n——较高能级的能量值，MeV；

E_m——较低能级的能量值，MeV。

任何不稳定状态的原子必将自动回到稳定状态即回到基态，该过程将释放出高于基态的能量，即产生辐射。原子可以一次回到基态，也可以逐次回到基态。

三、放射性与放射性衰变

1896年法国物理学家贝克勒尔发现铀和含铀的矿物能发射出看不见的射线，这种射线能使胶片感光，能使气体电离。物质发射这种射线的性质称为放射性，具有这种性质的元素称为放射性元素。自然界存在的放射性元素称为天然放射性元素。原子序数高于83的天然存在的元素都具有放射性。某些元素的同位素也具有放射性，称为放射性同位素。

原子核由于放出某种粒子或射线而转变为新核的变化，称为原子核的衰变。原子核自发地放射出射线转变为另一种原子核的现象，称为放射性衰变。放射性衰变有多种形式，其中最主要的有以下三种。

（1）α衰变 原子核放出α粒子的衰变过程称为α衰变。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弱，在空气中也只能飞行几厘米，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衰变过程可写成如下形式：

（2）β衰变 原子核放出β粒子的衰变过程称为β衰变。β粒子是负电子或正电子流，它具有较强的穿透能力，甚至可以穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。放出负电子的称为β-衰变，放出正电子的称为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：

（3）γ衰变 当放射性原子核发生α衰变或β衰变时，往往衰变到原子核的激发态，处于激发态的原子核是不稳定的，它要向低激发态跃迁，同时放出γ射线，这种现象称为γ跃迁或γ衰变。γ射线是波长很短的电磁波，穿透物体的能力很强，甚至可以穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用却很弱。γ射线的释放不影响原子核的核子数，衰变前后核的质量数和电荷数均不发生改变。并非每一个α衰变和β衰变都释放γ射线。

放射性原子核的衰变过程是自发的，但该过程却遵循一定的统计规律。衰变过程中，尚未发生衰变的原子核的数目可表示为

N=N₀e^-λt（1-2）

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目；

N——t时刻放射性物质未发生衰变的原子核的数目；

t——经过的衰变时间；

λ——衰变常数，单位时间内原子核的衰变速率。

可见，原子核衰变服从指数规律。

衰变常数描述放射性元素衰变的快慢，其值越大，放射性元素衰变越快。不同的放射性元素其衰变常数不同，即各种放射性元素有自己固有的衰变速率。

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因衰变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，当t=T₁/2时，放射性原子核的数目应减少至开始时数目的一半，即

从此式可得

两边取自然对数，由于ln2=0.693

最后得T₁/2=0.693/λ（1-3）

放射性衰变具有下面的特点：放射性元素衰变的方式和速率是由原子核本身决定的，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。