最后更新: 2026-06-22 19:02 查看: 361 次纠错评论(0) 课件开VIP

放射现象、X射线、α射线、β射线、γ射线与半衰期★★★★★

我们已经知道，原子核的直径一般不到原子直径的万分之一，那么这是否就是最小的物质组成单元呢？在这小小的原子核内部，会不会仍然有着复杂的结构？人们对这些问题的深入研究，是从天然放射现象的发现开始

## 放射性的发现

### X射线
1895年11月8日，伦琴在研究阴极射线管时，意外发现即便用黑纸将管子完全包裹，约两米外涂有氰亚铂酸钡的荧光屏依然会发光。他敏锐地意识到这并非已知的阴极射线（其空气传播距离很短），而是一种性质未知的新射线，因此用代表未知数的数学符号“X”为其命名

![图片](/uploads/2026-06/56049e.jpg){WIDTH=100PX}
 伦琴
 
 1895年12月22日，伦琴为他的妻子拍摄了世界上第一张X射线照片，清晰地呈现了手掌的骨骼轮廓和无名指上的结婚戒指。这张照片直观地展示了X射线强大的穿透力，引起了巨大的轰动。
 
  ![图片](/uploads/2026-06/370937.jpg){WIDTH=100PX}
  
 X射线是一种**波长极短的电磁波**（波长大约在0.01至50埃之间），其频率和能量远高于可见光，因此能穿透许多不透明的材料。
 
 
  
  
### $\alpha$射线
1896 年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物都能发出一种看不见的射线，这种射线可以使包在黑纸里的照相底片感光．

![图片](/uploads/2026-04/79a8a5.jpg){width=100px}
 贝可勒尔

贝克勒尔稍后发现，放在避光抽屉中的含铀矿石依然能使照相底片感光，而且照相底片上出现了非常清晰的含铀矿石的廓影（图 15–2）。贝克勒尔意识到，是铀或含铀矿石发出的某种未知的不可见射线使包在黑纸中的照相底片感光，但是贝可勒尔不知道发出来的射线是什么。之后居里夫妇分离出钋、镭，放射性强度远高于铀，为后续射线分类提供强放射源。

![图片](/uploads/2026-06/e3f990.jpg)
 图 15–2 铀辐射照片
 
 
玛丽•居里（即居里夫人）研究了这种射线，并将这种物质放射出射线的性质叫作**放射性**，具有放射性的元素叫作**放射性元素**。

![图片](/uploads/2026-04/09a712.jpg){width=100px}
 居里夫人

### 卢瑟福的金箔实验
贝克勒尔和居里夫人的研究传到了加拿大，当时卢瑟福正在加拿大麦吉尔大学研究这些放射性元素放出的射线。

![图片](/uploads/2026-06/ee501e.jpg){width=100px}
 卢瑟福
 
1. 卢瑟福的实验包括：
- **实验**：他把铀或镭放在一个铅制的小容器里，只留一个小孔让射线射出，然后在射线路径上放一张纸片，并用磁场去偏转这些射线。
- **发现**：他发现射线在磁场中分成了两股——一股朝一个方向强烈弯曲（后来知道是带正电的α），另一股朝相反方向微弱弯曲（带负电的β），还有一股根本不弯（后来知道的γ）。 
- **命名**：因为当时不知道它们的本质，卢瑟福就按照希腊字母顺序，把**偏转大的叫α射线**，偏转小的叫β射线。这是“阿尔法”这个名字第一次出现在科学史上。

2. 艰难的“身份确认（1903年）
既然发现了两种射线，大家最想知道的就是：**α粒子到底是什么？**

- **初步猜测**：早期实验数据很混乱，因为α粒子穿透力很弱，当时的技术又测不准它的荷质比（电荷与质量的比例）。卢瑟福最初甚至怀疑过α粒子是不是一种“带正电的氢分子”。
- **决定性实验**：卢瑟福和他的助手**弗雷德里克·索迪**发现，当镭衰变时，会不断产生一种新的惰性气体（后来叫氡气）。他们通过光谱分析发现，这种气体和氦的光谱完全一致。这强烈暗示：**α粒子很可能就是失去了电子的氦原子**。

3. 最漂亮的“实锤”——金箔实验（1909年）
这是证实α粒子本质最著名的实验，也是卢瑟福一生最伟大的杰作。

- **实验设计**：他把α放射源（镭）放在一个铅盒里，让α粒子束射向极薄的金箔（只有几百个原子厚）。在金箔后面放一个荧光屏，用来观察粒子穿过后落在哪里。
- **意料之中的结果**：绝大多数α粒子像炮弹穿过薄纸一样，直直地穿过了金箔，在屏幕正后方形成亮斑。
- **意料之外的发现**：卢瑟福的学生**盖革**和**马斯登**注意到，偶尔有**极少数（约八千分之一）**的α粒子竟然被金箔**弹了回来**，角度大于90度。
- **卢瑟福的震惊**：卢瑟福后来形容这个发现时说：“这就像你朝一张薄纸开了一炮，结果炮弹居然被弹回来打中了你一样不可思议。”

**正是这次“被弹回”的现象，让卢瑟福断定：** α粒子一定是一个质量较大、带正电的实体粒子（而不是虚无的波），否则它不可能把质量比它重得多的金原子核“撞飞”并反弹。同时，这也反推出原子内部绝大部分是空心的，从而诞生了著名的**原子核式结构模型**。

4. 最终定论（1919年）
直到1919年，卢瑟福用α粒子作为“炮弹”去轰击氮气，结果居然把氮原子核打出了质子（氢核）。这时，人们才最终盖棺定论：**α粒子就是氦核（2个质子+2个中子）**。

> α射线的本质是氦原子核 $\boldsymbol{^4_2He^{2+}}$

放射性并不是少数几种元素才有的。研究发现，原子序数大于 83 的所有元素都有放射性．原子序数小于等于 83 的元素，有的也具有放射性．这些能自发地放出射线的元素叫作**天然放射性元素** 。

研究表明，如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。也就是说，放射性与元素存在的状态无关。我们知道，元素的化学性质取决于原子核外的电子，因此可以断定，射线来源于原子核，也就是说，原子核是有内部结构的．

关于放射性无法通过物理课进行更深度解析，请参考 [高中化学](https://kb.kmath.cn/kbase/detail.aspx?id=3577)  已经援助周期表了解

![img-text](/uploads/2025-10/b9ce7d.jpg)

### $\beta$射线

**贝塔射线是由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）于1896年发现的，但他当时并不知道它是什么，直到1899年才将其正式命名为“贝塔射线”。** 核心历史要点包括
**1. 发现的开端（1896年）**
卢瑟福当时在剑桥大学卡文迪许实验室做研究，他正在系统性地研究亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）前一年刚发现的“铀射线”。卢瑟福通过让铀射线穿过铝箔，发现它会被分成两种不同的成分：

-   一种**极易被吸收**（穿透力很弱），他称之为 **α射线**（阿尔法射线）。
-   一种**穿透力较强**（能穿过更厚的铝箔），他称之为 **β射线**（贝塔射线）。

**2. 正式命名（1899年）**
卢瑟福在发表关于铀辐射的论文时，正式使用了“α”和“β”这两个希腊字母来区分这两种射线。这个命名法一直被沿用至今。

**3. 本质的揭示（1900年）**
虽然发现了β射线，但卢瑟福最初不知道它是什么。直到1900年，法国物理学家**保罗·维拉德**（Paul Villard）在研究镭的辐射时发现了穿透力极强的γ射线（伽马射线），而同一年，卢瑟福的学生**弗雷德里克·索迪**（Frederick Soddy）以及后来的研究证明，β射线在磁场中的偏转方向和速度与**阴极射线（即电子）**完全相同。

最终由**沃尔特·考夫曼**（Walter Kaufmann）等物理学家精确测量证实：**β射线其实就是高速运动的电子流**，只是来源不同（来自原子核内部的放射性衰变，而不是核外电子）。

> **补充一个容易混淆的冷知识：** 很多人误以为“发现β射线”和“发现电子”是同一件事。其实不然：
-   **电子**是约瑟夫·约翰·汤姆逊（J.J. Thomson）在**1897年**通过阴极射线管发现的。
-   **β射线**是卢瑟福在**1896年**从放射性物质中发现的。
-   **直到1900年以后**，人们才发现β射线和汤姆逊发现的电子是同一种粒子。

### γ射线
 **γ射线是由法国物理学家保罗·维拉德（Paul Villard）于1900年发现的，但“γ射线”这个名字是由欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）在1903年正式命名的。**  几个关键节点：

**1. 发现者与发现过程（1900年）**
当时卢瑟福已经发现了α和β射线，并认为放射性物质只发出这两种射线。但保罗·维拉德在研究镭（Radium）的辐射时，进行了一个关键实验：

-   他让镭发出的射线通过一个很强的磁场。
-   他发现，除了被磁场偏转的α射线（偏向一侧）和β射线（偏向另一侧）之外，**还有一种射线完全不受磁场影响，笔直地穿了过去**。
-   维拉德意识到这是一种穿透力极强的新射线，并在当年（1900年）的巴黎科学院会议上报告了这一发现。

**2. 正式命名（1903年）**
虽然维拉德发现了它，但他当时并没有给它起特定的希腊字母名字。直到**1903年**，卢瑟福在系统整理这些放射性射线时，为了延续自己之前的命名体系（α、β），将这种穿透力最强的射线正式命名为**γ射线（伽马射线）**。

**3. 本质的揭示（后续多年）**
发现之后，物理学家们花了很多年才搞清楚它到底是什么：
-   最初有人认为它是极高速的粒子，但因为它在磁场中不偏转，说明它不带电。
-   直到**1914年**，卢瑟福和安德拉德通过晶体衍射实验，才最终证实**γ射线是一种波长极短、能量极高的电磁波（光子）**，其本质与X射线类似，但能量更高、波长更短，来源于原子核内部的能级跃迁。

很多人误以为γ射线是居里夫人或者贝克勒尔发现的，其实不是。而且请注意这三者的发现时间线：

-   **1896年**：贝克勒尔发现天然放射性（铀射线）——这是起点。
-   **1896年**：卢瑟福发现α和β射线（但当时只是区分了两种成分）。
-   **1900年**：维拉德发现γ射线（不受磁场影响的那部分）。
-   **1903年**：卢瑟福给γ射线命名。

## X射线、α射线、β射线、γ射线 对比

下面列出了X射线、α射线、β射线、γ射线 对比，考试常考的记忆要点
$\alpha$ 射线带正电，本质是氦元素
$\beta$ 射线带负电，负电子
$\gamma$射线不带电，本质是光子
$x$射线是电磁波，是光子，不带电。
[![img-text](/uploads/2026-06/xray.png)](/uploads/2026-06/xray.png)

$\alpha$ 射线是高速运动的氦原子核粒子流，射出时的速率可达 $0.1 c_{\circ} \alpha$ 射线有很强的电离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光的作用增强，但它的穿透能力很弱，在空气中只能飞行几厘米，一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住。
$\beta$ 射线是高速运动的电子流，射出时的速率可达 $0.99 c$ ，穿透能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱。
$\gamma$ 射线是波长很短的电磁波，穿透能力很强，能穿透几厘米厚的铅板，但电离作用很弱。

三种射线的穿透能力如图 5－3 所示。

![图片](/uploads/2026-06/56748a.jpg)
 
> 电离空气，通俗地说，就是给空气中的气体分子“充电”，让它们带上正电或负电，从而变成带电的粒子。

空气主要是由氮气（N₂）和氧气（O₂）等中性分子组成的。这些分子里的质子（带正电）和电子（带负电）数量相等，所以对外不显电性，是“电中性”的。

电离，就是把中性的分子“撕开”或“击飞”一个电子。这需要外部能量，常见的能量来源有：

当一个中性分子失去一个电子，它就变成了正离子（带正电）。而被撞飞的那个电子，很快会粘到另一个中性分子上，使那个分子变成负离子（带负电）。

例如闪电：云层和地面之间的高压把空气电离，形成一条导电的“等离子体通道”，闪电就是空气被电离后剧烈放电的表现。
静电：冬天脱毛衣时，摩擦产生的电压虽然不高，但足以电离极微量的空气，伴随“噼啪”声和小火花。

## 如何理解放射性元素对人体的伤害性

我们考虑一个瓶子里**装满**了花生，在我们看来，装满的意思是，瓶子里不能在盛放更多的花生。
但是，因为花生之间有间隙，所有，我们仍然可以往瓶子里装**大米**。这里能盛放大米的关键就是花生很大而大米很小，大米可以填充花生的缝隙。

![图片](/uploads/2026-06/91f25a.jpg)

**理解人类**
人们被称作“碳基生物”，核心原因是：
你身体里所有复杂有机分子的基本骨架都是由碳原子构成的。
你的DNA携带遗传信息，其双螺旋结构的主链是碳链。
你的蛋白质（肌肉、酶、抗体）是由氨基酸组成的，而氨基酸的核心骨架是碳链。
你的脂肪储存能量、构成细胞膜，其长链也是碳氢链。
就连给你供能的葡萄糖，化学式是C₆H₁₂O₆，六个碳原子串起整个分子。

虽然我们是碳基，但按元素质量算，你身体里含量最多的是氧（约65%），因为身体大部分是水（H₂O）。但氧无法构成复杂分子骨架，它只是“填充物”。所以，按“结构骨架”算碳是主角，按“重量”算氧是主角。

①碳原子C的直径是 0.15纳米，假设C的质量为1
②a粒子的至今是 0.000001678 纳米，a的质量0.33
③b粒子的直径是 0.0000000000001 纳米， b质量是0.00004
④γ射线是电磁波，波长是0.01纳米， γ的质量是0

有了上面四组数据我们就很容易理解，放射性元素的一些性质了。

**为什么射线能穿透人体？**
想象一下，人体是由碳组成，C就像上面例子里的花生，而a射线就像大米，因为a射线的尺寸比碳C原子小的多，所有在我们看起来非常结实的身体，在a射线看起来，其实人体由很多空隙，所有a射线可以轻易穿透人体。

**为什么射线对人体由伤害？**
在射线穿透人体时，部分射线会和人体的碳，氧原子碰撞，简单的说，就是射线会破坏人体的DNA，导致人体发生癌变。

**如何阻挡射线**
α射线最大特点是质量大，跑不远，所有，一张A4纸就能挡住。但是，因为a射线带正电，一旦进入人体，对人体伤害最大。

b射线可以使用几毫米的铝板挡住。

r射线尺寸虽然不是最新的，但是他质量是0，但是电磁波，这使得他穿透能力最强，能穿透“混凝土墙”或“铅砖”。因此必须要加厚墙体厚度。

## 本章总结-三种射线
1898 年至 1902 年间，卢瑟福等人先后从含铀物质的射线中发现了三种穿透能力不同的成分，卢瑟福将这三种射线分别命名为 α 射线、β 射线和 γ 射线。

根据三种射线在电场或磁场中的偏转情况发现，**α 射线是带正电的 α 粒子流，α 粒子就是氦原子核；β 射线是带负电的 β 粒子流，β 粒子就是电子；γ 射线是中性 γ 粒子流，γ 粒子就是光子**。

如图 15–4 所示，α 射线的穿透能力很弱，几乎不能穿透一张纸，在空气中也只能行进几厘米，但电离能力很强，很容易使空气发生电离，使照相底片发生感光的作用也很强。β 射线的穿透能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但电离能力较弱。γ 射线的电离能力最弱，穿透能力最强，可以穿透几厘米的铅板。

![图片](/uploads/2025-06/1876bc.svg){width=400px}
 
图 15–4 三种射线穿透能力的比较

`例`（1）原子核 ${ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ 经放射性衰变（1）变为原子核 ${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$ ，继而经放射性衰变（2）变为原子核 ${ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}$ ，再经放射性衰变（3）变为原子核234 ${ }_{92}^{24}$ ．放射性衰变（1）、（2）和（3）依次为（ ）

A．$\alpha$ 衰变、 $\beta$ 衰变和 $\beta$ 衰变
B．$\beta$ 衰变、 $\alpha$ 衰变和 $\beta$ 衰变
C．$\beta$ 衰变、 $\beta$ 衰变和 $\alpha$ 衰变
D．$\alpha$ 衰变、 $\beta$ 衰变和 $\alpha$ 衰变
（2）法国科学家贝可勒尔（H．A．Becquerel）在 1896 年发现了天然放射现象．如图反映的是放射性元素铀核衰变的特性曲线．由图可知，铀的半衰期为 $\_\_\_\_$年；请在下式的括号中，填入铀在衰变过程中原子核放出的粒子的符号．

$$
{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{90}^{234} \mathrm{Th}+(\quad)
$$

![图片](/uploads/2026-04/181b8d.jpg)
 
 解析（1）衰变过程中电荷数、质量数守恒，由题意可得衰变方程分别为：
${ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{90}^{234} \mathrm{Th}+{ }_2^4 \mathrm{He}, \quad{ }_{90}^{234} \mathrm{Th} \rightarrow{ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}+-\rho \mathrm{e}, \quad{ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa} \rightarrow{ }_{91}^{234} \mathrm{U}+-\rho \mathrm{e}$ ，所以 A 对。
（2）根据半衰期的定义，由题图坐标轴数据可知，铀的半衰期为1620年；由核反应所遵循的电荷数守恒和质量数守恒可知，衰变过程中放出的粒子的电荷数为 $Z=92-90=2$ ，质量数为 $A=238 -234=4$ ，符号为 ${ }_2^4 \mathrm{He}$ ．

答案（1）A（2） $1620 \quad{ }_2^4 \mathrm{He}$

`例`（多选）放射性元素在衰变过程中，有些放出 $\alpha$ 射线，有些放出 $\beta$ 射线，有些在放出 $\alpha$射线或 $\beta$ 射线的同时，还以射线的形式释放能量．例如 ${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$ 核的衰变过程可表示为 ${ }_{90}^{234} \mathrm{Th} \rightarrow{ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}+-\rho e+\gamma$ ，关于此衰变，下列说法正确的是（ 
A．${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$ 核的质量等于 ${ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}$ 核的质量
B．${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$ 核的质量大于 ${ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}$ 核的质量
C．一个 ${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$ 核衰变成一个 ${ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}$ 核后，中子数减少了 1 
D．$\gamma$ 射线是由 Th 原子的外层电子从高能级向低能级跃迁时释放出的
解析：选 BC．衰变前后有质量亏损，因为有能量释放， Th 核的质量大于 ${ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}$ 核的质量，故 A错误，B 正确．一个 ${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$ 核有 $234-90=144$ 个中子，一个 ${ }_{91}^{234} \mathrm{~Pa}$ 核有 $234-91=143$ 个中子，中子数减少了 1 ，故 C 正确．放射性物质衰变时放出来的 $\gamma$ 光子，来自原子核， D 错误．

不同元素的原子，其原子核的质子数不同，核外电子的数目和分布情况也不同，因此元素的化学性质不同。同种元素的原子，因为其质子数相同，核外电子数相同，所以有相同的化学性质，但是它们的中子数可以不同。这些**具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素**（isotope）。通常说的氕（ ${ }_1^1 \mathrm{H}$ ）、氘（ ${ }_1^2 \mathrm{H}$ ）和氚（ ${ }_1^3 \mathrm{H}$ ）就是氢的一组同位素。

> 氕 念 pie， 氘 念 dao，氚年 chuan

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