原子核自发地放出射线并转变成另一种核素或过渡到另一种状态的现象。也称放射性衰变（radioactive decay），简称衰变。衰变不受外界条件（如温度、压力、酸碱度等）的影响。衰变前的核素称母体，衰变后的核素称子体。若子体仍为放射性核素，则还会衰变成第二代子体，……以至发生多次衰变，产生多代子体，直到变为稳定性的核。每个核的衰变机会在一定时间内是均等的，但并非同时发生，其衰变过程遵循随机性规律。衰变放出的射线会与物质相互作用，其作用过程随射线性质而异。

衰变的方式主要有α、β、β^＋、γ衰变及电子俘获（EC）。每种核衰变的过程和状态都可用衰变图表示。不同核衰变的必要条件及放出的射线等都不同。

α衰变

从原子核放射出α射线（粒子）的过程。α粒子由2个质子和2个中子组成，它实质上是氦原子核。因此，凡发生α衰变后产生的子体之核电荷和质量数分别比母体减少2和4单位。α粒子的能量是单一的，但其能量很低，穿透能力很弱，α衰变核素在农业化学研究中无实用价值。

β衰变

从原子核放射出β射线的过程。β粒子实质上是电子，只是从核内放出来的高速电子。因此，β衰变产生的子体的原子序数比母体增加1。发生β衰变的必要条件是母体的质量大于子体的质量。β衰变用下式表示：

原子核衰变

式中和Y分别表示母、子体；表示反中微子，不带电，静质量近似于零。β粒子的动能E_β的值可从零至最大值E_max（Q），从而形成一个连续能谱（图1）。谱线有个最大能量E_max，在其1/3处的β粒子数有一高峰。一般图表上给的E_β均指E_max。较多β衰变的放射性核素只放出β粒子，即转变成另一个基态（稳定）核。例如，农业化学研究中利用的³H、¹⁴C和³²P等，都分别放出β粒子就转变成稳定的³He、¹⁴N及³²S。有不少核素则放出β粒子时，还伴随放出γ射线。例如¹³⁷Cs和¹³¹I在分别放出2组和4组β射线时，还分别放出1组和7组γ射线而转变成基态¹³⁷Ba和¹³¹Xe。

图1 几种常用放射性核素的β能谱曲线

β^＋衰变

从原子核内放射β^＋粒子的过程。β^＋粒子的质量和电量与β粒子的相等，仅电荷符号相反，因此，β^＋粒子实质上就是正电子。β^＋衰变可用下式表示：

原子核衰变

式中 v表示中微子，其性质与反中微子的基本相同，只是其运动方向与自旋方向相反。发生β^＋衰变的必要条件是：母子体的质量差大于1.02兆电子伏（MeV）即电子静质量的2倍。当β^＋粒子损失动能时，会与物质中的电子结合而产生湮没辐射（0.51兆电子伏），即两个正负电子的静质量转化为电磁辐射（也称光化辐射），一般以产生两个光子最普遍。

电子俘获

EC

原子核俘获一个核外绕行电子而使核内一个质子转变成中子和中微子的过程。它可用下式表示：

原子核衰变

由于K壳层电子离核最近，K电子被俘获的几率较其他壳层（L、M、……）的大，所以，电子俘获又常称K俘获。在发生K俘获时，除有些子体处于激发态放出γ射线外，核并不发射其他任何易于探测的射线，但有次级辐射即特征X射线或俄歇电子发射。这些次级辐射来源于能态较高的（如L壳层）电子跃迁到能态较低（如K壳层）空穴时，将两能态能量差转变成特征X射线放射出来。农业化学研究中应用的⁶⁵Zn，在进行电子俘获（98.50%）时，放出1.115兆电子伏γ射线外，并放出8千电子伏的特征X射线。或者这能量差传递给另一L电子，使其发射出来，该电子称为俄歇电子（Auger）。这两种次级辐射都是单色并可探测的，通过探测可判断电子俘获的发生及测知其含量。

γ衰变

原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时放射γ射线的过程。一般γ衰变是伴随α和β衰变一起发生的。γ射线是一种与X射线无本质区别的不带电的电磁波，只是γ射线是从核内发射，其波长较X射线的短。γ衰变对原子序数和质量数均无影响。因此，该衰变又称同质异能跃迁（IT）。有时核并不放出γ射线，而将其能量直接给予轨道电子使其逸出，这过程称内转换。放出的电子称内转换电子。例如，在进行β衰变时，同时连续发射1.17和1.33兆电子伏的γ射线（99.9%），并放出1.16和1.32兆电子伏的内转换电子（分别为1.67%和1.27%），最终转变成。

原子核衰变及其衰变速度由原子核内部的特征所决定，不受外界条件影响。衰变是一个随机过程，但遵循一定的规律。衰变产生的子体有的稳定，称单次衰变；有的不稳定，会连续衰变产生多代子体，称多次衰变。在农业化学研究中，主要利用的是单次衰变核素。

单次衰变定律

单次衰变核素的核数随时间按指数规律衰减，其数学表达式为

原子核衰变

式中 N₀表示t＝0时未衰变的原子核数；N表示经过时间t后未衰变的核数；λ为б例常数，称衰变常数；t为经过的时间。

在实际应用中，往往需知道在单位时间内发生核衰变的原子数，即衰变率-dN/dt，也称放射性活度A（简称活度）。其严格定义：处于特定能态的一定量放射性核素在给定时刻的活度A是dN/dt的商。dN是在时间间隔dt内，由该能态发生衰变的期望值，即A＝-dN/dt。由于-dN/dt∝N。因此，上述单次衰变定律可写成A＝A₀e^-λt。式中A₀和A分别表示在t＝0时和经过时间t时的放射性活度。

衰变常数λ的量纲是时间的倒数。它表示单位时间内，在N个放射性原子中可望发生衰变的机率，即λ＝（-d N/dt）/N。λ值大衰变得快，反之则慢。因此，λ可直接量度放射性核素的不稳定性。每种放射性核素的给定衰变过程都有特定的λ值。λ随核素而不同，且在相当大的范围内变化。半衰期T_1/2也是核素的一种量度。定义为放射性原子数N或衰变率减少到原始一半时所需的时间，也称物理半衰期T _p。T_1/2长表示衰变得慢；短则快。放射性活度与T_1/2的关系如图2所示。T_1/2的单位用秒、分、时、天或年。λ和T_1/2的关系为：

原子核衰变

图2 放射性活度A与半衰期T_1/2的关系

在采用放射性核素作示踪剂时，常需进行放射性衰变校正，尤对T_1/2短的核素，例如³²P。这时可采用公式A＝A₀2^-n（式中n＝t/T_1/2＝1，2，……）。

由于放射性核素在生物体内不仅由于衰变而减少，且同时由于生物排除而减少。生物排除也服从指数规律。因此，放射性核素的有效半衰期T_e和T_1/2与生物排除的半衰期T_b的关系如下：

原子核衰变

活度与衰变相联系，其大小反映某种放射性核素量的多少，所用单位有贝可勒尔（Becquerel）、居里（Curie）。

贝可勒尔

简称贝可。用符号Bq表示。它是国际制（SI）单位。1贝可表示放射性核素在1秒钟内发生1次衰变。即1贝可＝1秒^-1。贝可单位很小，应用时常用千贝可（kBq）、兆贝可（MBq）等。

居里

历史上沿用下来，目前仍与SI单位并用的活度单位。用Ci或C表示。1居里表示放射性核素在1秒内发生3.7×10¹⁰衰变，即1居里＝3.7×10¹⁰秒^-1。居里单位较大，应用时常采用毫居里（mCi）、微居里（μCi）。1居里＝10³毫居里＝10⁶微居里。贝可与居里的关系为：1居里＝3.7×10¹⁰贝可或1贝可＝2.703×10^-11居里。

在实际应用中，还遇到与活度有关的放射性比活度，简称比活度（specific activity）和放射性浓度。前者指单位质量（有时也可用摩尔或毫摩尔）放射性物质中的放射活度，单位为千贝可（兆贝可）/克[kBq（MBq）g^-1]或千贝可（兆贝可）/摩[kBq（MBq）mol^-1]等；后者指在单位体积溶液或气体中所含的放射性活度。单位为贝可（千贝可）/升[Bq（kBq）L^-1]或毫居里（居里）/升[mCi（Ci）L^-1]等。对于空气中的氡，习惯上用爱曼（eman）。1爱曼＝10^-10居里/升＝3.7贝可/升。

原子核衰变放出的射线通过物质时，会与物质相互作用，并使物质发生物理、化学或生理变化。在此过程，射线逐渐损失能量，最终被物质吸收。射线大致分三类：①带电粒子。②电磁辐射。③中子。它们与物质的作用不同。这些作用是制造放射性探测仪器、进行放射性测量及对射线进行防护的依据。

带电粒子

当带电粒子（如α、β、β^＋粒子等）通过物质时，它们相互作用的过程复杂。主要过程是电离和激发、散射。带电粒子通过物质时，将自身的能量传给壳层电子，使其逸出成自由电子，形成正离子和电子组成的离子对，该过程谓之电离；当带电粒子传递给轨道电子的能量小于电子的结合能时，只能使电子从低能态跃迁到高能态，使电子处于激发态。前者也称直接电离或初级电离。直接电离出的高能电子称δ射线（或δ电子、二次电子）。δ射线具有足够的能量，能进一步引起物质电离，谓之次级电离。通常，次级电离占总电离的60%～80%。由于电离和激发作用，带电粒子的能量将不断损失。同时，在带电粒子径迹周围留下许多离子对。随着带电粒子和物质的不断作用，其能量不断损失，在快近径迹末端时，电离б度（在单位径迹上产生的离子对）增加很快，过了峰值急剧下降趋于零。通常，将带电粒子损失其全部能量所通过的距离称为射程。射程的大小与射线的种类、初始能量和物质的性质有关。α粒子是单色的，其电离б度高，射程短；而β粒子能量的连续性使其吸收作用较α粒子复杂得多。同时，其射程较同能量的α粒子长得多。β粒子在物质中的吸收作用大致遵循指数规律（图3）。

图3 β粒子在物质中的吸收曲线

带电粒子通过物质时，与原子核发生库仑作用而改变运动方向的现象称散射。入射粒子经散射后，其散射角大部分较小，但也有可能大于90°，这种现象称反散射（简称反射）。质量很小的电子或β粒子的反射比重粒子（如α粒子）明显得多。原子序数大的物体能使粒子产生多次散射时，反射作用特别显著。由于反射作用会使放射性测量受到干扰。因此，承托放射源的支架和托盘等不宜用高原子序数的材料制作。

此外，带电粒子与物质相互作用还产生三种辐射：①轫致辐射。高速带电粒子掠过原子核受到核库仑力的作用而产生加速度；其部分甚至全部动能转变为连续能谱的电磁辐射。轫致辐射作用随吸收物质的原子序数增加和带电粒子的能量增加而增强，它是高速电子在物质中损失能量的重要方式，在测量和防护³²P（放出的β粒子之能量高）时，不宜用高原子序数的材料制成的器具。②切仑科夫（Cherenkov）辐射。高速带电粒子通过折光系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的传播速度，这时，带电粒子的能量会有一部分以可见光形式释放出来的现象。如³²P的高能量β粒子会产生这种辐射，利用测定此辐射可方便的测量³²P。③湮没辐射。一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量转化成光辐射。例如，一个电子与一个正电子碰撞产生两个（几率大）能量为0.511兆电子伏的光子。大部分正电子是在低能时湮没的。

γ射线

由于γ射线不带电，因此，它不能使径迹中的原子直接电离。它与物质的作用非常复杂，主要有三种效应：①光电效应。当光子与物质的原子作用时，将全部能量交给一个电子，使其逸出成为自由电子而自身被吸收的现象。逸出的电子称光电子，除能量为单色外，其性质类似β粒子。光电效应发生的几率随入射光子的能量、吸收物质的原子序数而变化。通常，当γ光子的能量E_γ较高时，只有在重元素中光电效应才较显著，而对轻元素而言，则只有在Eγ比较低时才较明显。②康谱顿（Compton）效应。γ光子与轨道电子发生弹性碰撞作用，光子将一部分能量供给电子使其射出，而本身以较低能量散射的现象。这种作用也可发生在自由电子上，且在效应中光子不消失。该效应与物质的原子序数成正比，主要发生在中等能量区域。③电子对效应。当光子能量大于1.022兆电子伏（即2个电子静质量相应的能量）时，它和物质作用会产生一对正负电子而光子本身被吸收的现象。产生的正负电子沿各自方向运动，又会引起物质的原子电离或激发。正电子与β^＋一样，当其能量损失后，即和电子结合转化成湮没辐射，放出两个能量均为0.511兆电子伏光子的几率较大。电子对效应主要发生在原子核附近，其发生几率与吸收物质原子序数的平方成正比，且随入射光子的能量之提高而增大。当γ光子的能量很高时（如超过7兆电子伏），则可能引起原子核反应。γ射线通过物质时，由于产生了上述三种效应，因此，其强度将随吸收体厚度的增加呈指数规律减弱。

中子

中子的质量比质子略重。因其为电中性粒子，故几乎不与原子的壳层电子作用，而可进入原子核内，并与核子相互作用，产生两种现象。①散射。无论哪种能量的中子均可与重核或轻核发生弹性散射，因而这种作用是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核越轻，中子转移给它的能量越多。因此，轻元素是快中子的良好减速剂。通常，用碳氢化合物、水、石墨或混凝土作中子的慢化剂或防护材料。在非弹性碰撞时，中子将一部分能量传递给核，使之激发到高能态。原子核退激时再发射一个或几个γ光子。快中子与重核作用时，以非弹性散射占优势，重核的几率比轻核大。当中子的能量低于核的最低激发能态时，主要发生弹性散射。②核反应。原子核俘获中子后，形成一个新的不稳定核，自发的放出α、β、γ射线或发生核裂变（核分裂成质量不等的两个核）而衰变。此外，发射多粒子，如（n，2n）、（n，np）核反应。热中子（≈0.025电子伏）在任何物质中均以俘获为主，裂变反应只在某些重核中发生，发射多粒子则要求高能中子。利用上述核反应可制备放射性核素。此外，利用中子核反应可测定慢中子（E＜1兆电子伏）。例如，在测定土壤含水量，用充BF₃气体的正比计数管，利用¹⁰B（n，α）⁷Li核反应产生的α粒子引起的电离探测慢中子而获得结果的。