放射性衰变是自发进行的,源自原子核深处,没有任何外部原因。加热、冷却、挤压或让物质发生化学结合,都无法改变它,这与普通化学反应大不相同。
它也是随机的:对任何一个原子核,我们能说的只是它在给定时间内衰变的概率,而绝不能说出确切的时刻。并排的两个相同原子核,衰变时间可能相隔多年。你可以从盖革计数器不规则的响声中看到这种随机性,它从不以均匀的间隔到来。
然而秩序从大数中浮现。当有数十亿个原子核时,每秒衰变的比例是稳定的,这就是为什么尽管每一次事件都无法预测,却存在明确的半衰期。
在 SPM 中,你应把衰变描述为自发而随机的,并把它与大样本那不规则的计数率和平滑的衰变曲线联系起来。
常见误解
- 加热放射源会使它衰变得更快 -> 衰变不受温度、压力或化学状态影响。
- 我们能准确预测某个原子核何时衰变 -> 我们只能给出概率;确切时刻无法预测。
- 随机意味着计数率完全无法预测 -> 单个事件是随机的,但大样本以稳定、可预测的平均速率衰变。
背后的物理原理
放射性衰变是一种核过程:不稳定的原子核会自行放出一个阿尔法粒子、一个贝塔粒子或一束伽马射线。由于触发源来自原子核内部,没有任何外界因素能控制它。
它有两个定义性特征:自发(外界无法启动它)与随机(你无法说出下一个衰变的是哪个核)。
对单个原子核,你只能说出它在给定时间内衰变的概率。对大量样本,每秒都有固定比例衰变,于是未衰变核的数目会在一个固定的时间间隔内减半,这段时间称为半衰期,符号 T½。
放射性活度以贝可(Bq)为单位,1 Bq = 每秒 1 次衰变。
计算示范:某样本有 8.0 × 10²⁰ 个未衰变核,T½ = 6 小时。经过 12 小时,即 2 个半衰期,则 N = 8.0 × 10²⁰ × (½)² = 2.0 × 10²⁰ 个核。
单个事件无法预测,但总体却遵循一条平滑的曲线。
在日常生活中看它
把盖革-米勒计数器靠近一个弱放射源,你会听到不规则的咔嗒声。这些声音从不以均匀的节拍到来;有时几声接连响起,随后又是一段停顿。
这种不规律的节奏就是你能直接听到的随机性,因为每一声咔嗒都标记着一个核在无人能安排的瞬间发生衰变。
同样的随机性支撑着烟雾探测器,它使用一小块镅源,其稳定的平均放射使探测器保持戒备;也支撑着碳定年法,它依赖古老木材和骨骼中碳-14 的固定半衰期。这两种情形都没有人去预测某一次衰变,然而数以万亿计的核的平均行为却可靠到足以信赖。
还要注意,把放射源放在阳光下、冰箱里或化学浸液中都不会改变任何东西。温度、压强和化学反应都不会触动衰变速率,这与燃烧或生锈截然不同,说明这一过程深藏于原子核内部。
它在 SPM 中如何出现
在 SPM 物理(4531)试卷二中,这一概念常以命令词描述和解释来考查:描述放射性衰变是一个自发而随机的过程,并解释为什么盖革-米勒管的计数率忽高忽低,而整个样本的衰变曲线却是平滑的。
你还须说明半衰期的意义,并从活度或核数目对时间的图线中确定它,逐次读出减半的时间。常见的结构式题目会给出起始计数和半衰期,要求你计算经过整数个半衰期后剩余的量。
相邻的内容标准涵盖三种射线(阿尔法、贝塔和伽马)及其性质、放射性同位素的用途,以及放射安全。用词要精确:说衰变是自发且随机的,切勿声称任何外界因素能使它加快或减慢。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)