会自己变的原子核
选学 · AP 不考： 本章四节都是选学内容，AP 化学考试不考核化学和有机化学。人教版高中把原子核的知识放在物理课（选择性必修第三册）里讲；美国的 Honors 化学课程一般会学这一章。
到目前为止，所有的化学反应都只动了原子的电子：原子核从头到尾没有变，所以元素也不会变。1896 年，贝可勒尔发现铀盐能放出看不见的射线，后来居里夫妇又发现了钋和镭。原来有些原子核不稳定，会自发地放出射线，变成另一种原子核，元素也随之改变。这种现象叫放射性衰变radioactive decay。1.3.4 节提到的碳-14，就是一种有放射性的同位素。
原子核的符号
1.3.3 节学过，原子核由质子和中子组成。在核化学里，把质量数 A 写在元素符号左上角，核电荷数（质子数）Z 写在左下角：
也常写成“铀-238”“碳-14”。衰变中放出的几种粒子也用同样的符号表示：
| 粒子 | 符号 | 质量数 | 电荷数 |
|---|---|---|---|
| α 粒子（氦原子核） | ⁴₂He | 4 | +2 |
| β 粒子（电子） | ⁰₋₁e | 0 | −1 |
| 正电子 | ⁰₊₁e | 0 | +1 |
| 中子 | ¹₀n | 1 | 0 |
| γ 射线（光子） | γ | 0 | 0 |
四种衰变
- α 衰变alpha decay：放出 α 粒子，质量数减少 4，核电荷数减少 2。重核（如铀、镭、氡）常发生 α 衰变。
- β⁻ 衰变beta-minus decay：核内一个中子变成质子，同时放出一个电子。质量数不变，核电荷数增加 1。中子偏多的核（如碳-14）常发生 β⁻ 衰变。
- β⁺ 衰变positron emission：核内一个质子变成中子，同时放出一个正电子。质量数不变，核电荷数减少 1。质子偏多的核（如氟-18）会发生。
- γ 衰变gamma emission：处于激发态的原子核放出 γ 射线，质量数和核电荷数都不变。γ 射线常常伴随其他衰变一起放出。
三种射线的穿透能力差别很大：α 粒子一张纸就能挡住，β 粒子能穿过纸、但几毫米厚的铝板能挡住，γ 射线要用厚的铅板或混凝土才能大大减弱。
核衰变方程
写核衰变方程时，方程两边的质量数之和相等，核电荷数之和也相等。例如：
检查第一个：质量数 238 = 234 + 4，核电荷数 92 = 90 + 2。核电荷数变了，元素就变了：铀变成了钍。
下面选一种放射性核素，按它实际的衰变方式填出子核的质量数和核电荷数，再看它在“中子数–质子数”图上怎样移动：
放射性的应用
- 镅-241 放出 α 粒子，用在烟雾报警器里。
- 氟-18 放出正电子，用于医院的 PET 检查。
- 锝-99m 几乎只放出 γ 射线，半衰期约 6 小时，是最常用的医学显像核素。
- 钴-60 放出的 γ 射线用于放射治疗和食品辐照。
和美国教材的不同
- 中国的高中课程里，衰变、半衰期、核能这些内容在物理课里学，化学课只提到同位素和放射性；美国的化学课本有专门的核化学一章。
- 两边的符号相同：人教版物理课本也把 β 粒子写成 ⁰₋₁e。美国教材有时把 β 粒子写成 ⁰₋₁β，α 粒子写成 ⁴₂α。
- 美国教材还会讲电子俘获（electron capture）：核外的一个内层电子被原子核“吞进去”，和一个质子变成中子，效果和 β⁺ 衰变一样。这里不展开。
例题 1：铀-238 衰变链的前两步
铀-238 先发生 α 衰变，生成的核再发生 β⁻ 衰变。写出两步的核衰变方程。
-
规律。 α 衰变放出 ⁴₂He，质量数减 4，核电荷数减 2；β⁻ 衰变时核内一个中子变成质子，同时放出电子 ⁰₋₁e，质量数不变，核电荷数加 1。
-
α 衰变。 质量数 238 − 4 = 234，核电荷数 92 − 2 = 90，Z = 90 是钍（Th）：
-
β⁻ 衰变。 质量数不变，仍是 234；核电荷数 90 + 1 = 91，Z = 91 是镤（Pa）：
-
检查。 第一步：质量数 238 = 234 + 4，核电荷数 92 = 90 + 2。第二步：质量数 234 = 234 + 0，核电荷数 90 = 91 + (−1)。两步都守恒。
-
常见错误。 以为放出带负电的电子，核电荷数就减 1。正好相反：右边多了一个 −1，新核的核电荷数必须加 1，两边才相等。
例题 2：找出未知粒子
补全下面两个核反应方程中的粒子 X，并说出各是哪种衰变：（1）¹⁴₆C → ¹⁴₇N + X；（2）¹⁸₉F → ¹⁸₈O + X。
-
方法。 设 X 的质量数为 A、核电荷数为 Z，分别用质量数守恒和核电荷数守恒列方程。
-
（1）求 A 和 Z。
X 是 ⁰₋₁e，即 β 粒子（电子），是 β⁻ 衰变。
-
（2）求 A 和 Z。
X 是 ⁰₊₁e，即正电子，是 β⁺ 衰变。
-
想一想。 β⁻ 衰变是中子变成质子，核电荷数加 1（C → N）；β⁺ 衰变是质子变成中子，核电荷数减 1（F → O）。两种衰变质量数都不变。
-
检查。 把 X 代回去：（1）质量数 14 = 14 + 0，核电荷数 6 = 7 + (−1)；（2）18 = 18 + 0，9 = 8 + 1。都守恒。
- ²²⁶Ra → ²²²Rn
质量数减少 4，核电荷数从 88 减到 86。
- ¹³¹I → ¹³¹Xe
质量数不变，核电荷数从 53 增加到 54。
- ²²Na → ²²Ne
质量数不变，核电荷数从 11 减到 10。
- ⁹⁹ᵐTc → ⁹⁹Tc
质量数和核电荷数都不变，只放出 γ 射线。
- ⁶⁰Co → ⁶⁰Ni
核电荷数从 27 增加到 28，质量数不变。
- 质量数减少 4，核电荷数减少 2
放出一个 ⁴₂He。
- 核内一个中子变成质子
同时放出一个电子，核电荷数加 1。
- 核内一个质子变成中子
同时放出一个正电子，核电荷数减 1。
- 原子核只放出能量，元素不变
γ 射线是高能光子，不带电，没有质量数。
常见误区
误区 1：“β 粒子是原子核外的电子跑出来的。” β 粒子来自原子核：核内一个中子变成质子时放出电子。所以 β⁻ 衰变后核电荷数增加 1，元素变了。
误区 2：“把放射性物质变成化合物，就能消除它的放射性。” 化学反应只涉及核外电子，不改变原子核。镭不管是单质还是 RaCl₂，都一样有放射性。
误区 3：“核反应和化学反应一样，元素种类不变。” 核反应改变的是原子核，核电荷数一变，元素就变了。核反应中守恒的是质量数和核电荷数。
即时小测
²³⁸₉₂U 放出一个 α 粒子后，生成的原子核是？
质量数 238 − 4 = 234，核电荷数 92 − 2 = 90，Z = 90 是钍。²³⁴₉₁Pa 是钍再经过一次 β⁻ 衰变的产物。
α、β、γ 三种射线中，穿透能力最强的是？
γ 射线不带电、没有质量，穿透能力最强，要用厚铅板或混凝土阻挡；α 粒子一张纸就能挡住。
小结
- 不稳定的原子核会自发地放出射线，变成另一种原子核，这就是放射性衰变。核素写成 ᴬ_Z X。
- α 衰变：A − 4，Z − 2；β⁻ 衰变：A 不变，Z + 1；β⁺ 衰变：A 不变，Z − 1；γ 衰变：A、Z 都不变。穿透能力 γ > β > α。
- 核衰变方程两边质量数之和相等，核电荷数之和也相等。
通往 AP（以后再看）
AP 化学的课程说明（CED）里没有核化学，考试不会考衰变方程。不过 ᴬ_Z X 的符号、质量数和同位素在 AP 1.2（质谱和同位素）里还会用到。美国的 Honors 化学课程一般要求会写这些方程。
数据来源：核素的衰变方式取自国际原子能机构（IAEA）的核素图 LiveChart。