# 放射性衰变、半衰期与辐射安全

> CIE IGCSE 物理 · 0625 (2026-2028)
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0625-u5-radioactive-decay-half-life-and/

本指南涵盖CIE IGCSE物理0625 2026-2028教学大纲中放射性衰变、半衰期和辐射安全的全部核心与拓展内容，包含示例解析和面向考试的技巧。

**先修:** [原子结构与电离辐射的类型](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0625-u5-atomic-structure-radiation-types/); [物理图像解读技能](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0625-s1-graph-interpretation-skills/)

## 学习目标

- 描述放射性衰变的自发、随机特性
- 定义半衰期，并完成核心要求的衰变图像计算
- 求解拓展要求的多步骤半衰期问题，得到剩余物质量或时间
- （拓展内容）使用核素符号写出α、β⁻和γ辐射对应的平衡核衰变方程
- 概述并解释考试题目中涉及的辐射安全操作流程
- （拓展内容）解释辐射类型和半衰期如何决定常见用途（烟雾报警器、食品辐照、灭菌、厚度计、癌症治疗）的同位素选择

## 1. 放射性衰变的随机性质（核心内容）

放射性衰变是一种自发的随机过程：你无法预测样品中哪个单独的不稳定原子核会发生衰变，也无法精确预测它衰变的时间。对于足够大量的同一同位素样品，平均衰变率是恒定的，不受温度、压强或化学反应等外部条件的影响。

**放射性衰变** — 不稳定原子核的自发分解过程，释放电离辐射（α、β、γ射线），形成更稳定的原子核。

*例:* 一份铀-238样品会在数千年的时间中衰变形成铅-206，该过程中会释放α辐射。

**例题:** 一名学生声称我们可以精确预测单个碳-14原子核的衰变时间。请参考放射性衰变的性质解释该说法为什么是错误的。

1. 1. 指出放射性衰变的核心性质：它是一个随机过程。
2. 2. 关联到单个原子核：即使我们知道大量样品的平均行为，也无法预测任意单个不稳定原子核的衰变时间。
3. 3. 最终答案：该说法错误，因为放射性衰变是随机的，我们无法预测单个碳-14原子核的衰变时间。

> **考试提示:** 对于分值为2分、要求写出放射性衰变性质的题目，一定要列出*自发*（无需外部触发即可发生）和*随机*（单个原子核的衰变不可预测）两点，才能拿到全部分数。

## 2. 半衰期基础（核心内容）

**半衰期** — 样品中该同位素一半的不稳定原子核发生衰变所需的平均时间（等价于样品的计数率下降至初始值一半所需的时间）。

*记法:* $t_{1/2}$

*例:* 如果一个样品的半衰期为2天，2天后将剩余一半的初始不稳定原子核，4天后剩余四分之一，6天后剩余八分之一，以此类推。

在核心级别要求下，你需要通过给出计数率（或未衰变原子核数量）随时间变化的衰变图像或表格计算半衰期。你可以直接从图像或表格中读取数值，找到计数率下降至一半所花费的时间。核心级别的半衰期计算不涉及本底辐射，因此无需进行减法步骤（对本底辐射的校正属于拓展内容的技能，后续会介绍）。

**例题:** 某衰变图像显示，一份放射性样品的初始计数率为800每分钟计数（cpm），12分钟后为400 cpm，24分钟后为200 cpm。计算该样品的半衰期。

1. 1. 找到计数率下降至初始值一半所花费的时间：$800 \to 400$ cpm，该过程发生在12分钟时。
2. $$t_{1/2} = 12 \text{ minutes}$$
3. 2. 验证：再过12分钟（总时长24分钟），计数率从400 cpm再次减半至200 cpm，确认结果正确。

> **考试提示:** 对于核心级别的半衰期题目，直接从图像或表格中读取数值，找到计数率（或原子核数量）减半所花费的时间即可。本底校正属于拓展内容的技能，不会出现在核心级别的半衰期计算中。

## 3. 多步半衰期计算（仅拓展内容要求）

拓展阶段的学习者需要求解不提供图像的半衰期问题，通过简单的步数计数计算剩余质量、计数率或经过的时间。0625考纲不要求使用指数公式：你只需要每经过一个半衰期就将对应数值除以2，或者从剩余量反向推导时将数值乘以2即可。

**例题:** 某放射性同位素的半衰期为8小时。一份样品初始含有96 g的该不稳定同位素。计算：(a) 32小时后剩余的未衰变同位素质量，以及(b) 未衰变质量下降至3 g所需的总时间。

1. 部分(a)：
2. 1. 计算32小时内的半衰期个数：$32 / 8 = 4$ 个半衰期。
3. 2. 将初始质量连续除以2四次：$96 \to 48 \to 24 \to 12 \to 6$ g。
4. 32小时后的剩余质量 = 6 g。
5. 部分(b)：
6. 1. 计数得到3 g所需的半衰期个数：$6 / 2 = 3$ g，因此还需要1个额外的半衰期，总计5个半衰期。
7. 2. 总时间 = $5 \times 8 = 40$ 小时。

> **info**
>
> 仅拓展内容要求：拓展阶段的半衰期题目可能会给出未扣除本底辐射的原始计数率数据。这种情况下你必须先从每一个读数中减去本底计数率，再使用校正后的计数率计算半衰期。（核心阶段的半衰期题目永远不会涉及本底辐射。）

**例题:** 使用盖革管记录某放射源的计数率。测得本底计数率为20 cpm。初始的原始（未校正）计数率为340 cpm，6小时后下降至180 cpm。计算该放射源的半衰期。

1. 1. 从每个原始读数中减去本底计数率得到校正后的计数率：初始值 $= 340 - 20 = 320$ cpm；6小时后 $= 180 - 20 = 160$ cpm。
2. 2. 校正后的计数率在6小时内减半（$320 \to 160$），因此这就是一个半衰期。
3. $$t_{1/2} = 6 \text{ hours}$$

> **考试提示:** 如果题目给出剩余量要求你计算初始量，每经过一个半衰期就将数值乘以2反向推导即可。当拓展题目给出的数据未做校正时，先从所有读数中减去本底计数率，再计算半衰期。

## 4. 辐射安全操作规范（核心+拓展内容）

电离辐射会损伤活细胞，引发突变、癌症或急性辐射病。所有安全规则都通过限制靠近放射源的时间、增大与放射源的距离、使用屏蔽材料在辐射到达人体前将其吸收这三种方式减少暴露。

- 不使用时将放射源存放在有铅衬里、标识清晰的容器中
- 使用长柄钳或机械臂拿取放射源，增大与人体的距离
- 严禁将放射源指向任何人，严禁在放射性材料附近饮食
- 常规接触放射源的人员需穿戴铅防护服或站在铅屏蔽屏后方
- 限制暴露时间，使总辐射剂量尽可能保持在最低水平

**例题:** 核电站的一名工作人员需要定期处理低放射性废物。请列出他们应当遵守的三项安全防护措施，并解释每项措施如何减少他们受到的辐射暴露。

1. 1. 穿戴铅防护服：铅可以吸收γ和β辐射，减少到达人体细胞的剂量。
2. 2. 使用长柄操作钳：增大工作人员与放射源的距离，大幅降低暴露水平（辐射强度随距离的平方衰减）。
3. 3. 佩戴剂量计徽章：监测总累积暴露量，确保他们不会超过法定的年度安全剂量限值。

> **考试提示:** 当题目要求解释安全防护措施时，一定要将措施与三大原则（时间、距离、屏蔽）之一关联起来才能拿到全分，不要只罗列措施。

## 5. 使用核素符号书写衰变方程（仅拓展内容要求）

拓展类考生必须使用核素符号 $^{A}_{Z}\text{X}$ 书写配平的核衰变方程，其中 $A$ 为核子数，$Z$ 为质子数。在每一个衰变方程中，核子数必须守恒（两侧上方的数值之和相等），质子数也必须守恒（两侧下方的数值之和相等）。利用这一规则你可以求出任意未知的子核素。

α衰变：原子核释放出一个α粒子 ${}^{4}_{2}\alpha$（即氦核），因此核子数减少4，质子数减少2。

**例题:** 铀-238，写作 ${}^{238}_{92}\text{U}$，发生α衰变生成钍（Th），请写出配平后的衰变方程。

1. 1. α粒子为 ${}^{4}_{2}\alpha$，因此将核子数减去4，质子数减去2：$238 - 4 = 234$，$92 - 2 = 90$。
2. $${}^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\alpha$$
3. 2. 验证守恒：核子数 $238 = 234 + 4$；质子数 $92 = 90 + 2$，方程配平。

β⁻衰变（$\beta^-$）：原子核内的一个中子转变为一个质子和一个电子（中子 $\rightarrow$ 质子 + 电子），该电子作为β粒子 ${}^{\ 0}_{-1}\beta$ 被释放出来。衰变后核子数保持不变，质子数增加1。

**例题:** 碳-14，写作 ${}^{14}_{6}\text{C}$，发生β⁻衰变生成氮（N），请写出配平后的衰变方程。

1. 1. β粒子为 ${}^{\ 0}_{-1}\beta$，因此核子数保持不变，质子数增加1：$A$ 仍为 $14$，$Z = 6 + 1 = 7$。
2. $${}^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{\ 0}_{-1}\beta$$
3. 2. 验证守恒：核子数 $14 = 14 + 0$；质子数 $6 = 7 + (-1)$，方程配平。

γ辐射（$\gamma$）：原子核释放出多余的能量，但不会放出任何粒子，因此核子数和质子数均保持不变。衰变前后的核素属于同一种元素，仅能量降低（处于激发态的原子核用星号标记）。

**例题:** 镍-60原子核在之前的衰变后处于激发态（高能态），写作 ${}^{60}_{28}\text{Ni}^{*}$，请写出后续发生γ辐射的方程。

1. 1. γ射线 ${}^{0}_{0}\gamma$ 的核子数和质子数均为0，因此衰变前后两个数值都不发生变化。
2. $${}^{60}_{28}\text{Ni}^{*} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni} + {}^{0}_{0}\gamma$$
3. 2. 验证守恒：核子数 $60 = 60 + 0$；质子数 $28 = 28 + 0$，核素本身没有变化，仅释放出能量。

> **warning**
>
> 对于0625考纲，β衰变始终指 $\beta^-$ 衰变（中子转变为质子）。$\beta^+$ 衰变不属于本大纲要求，你不需要掌握夸克或中微子相关内容。

> **考试提示:** 务必始终检查两侧上方的数值（核子数）之和、下方的数值（质子数）之和分别相等。利用这一守恒规则可以求出任意缺失的核素：α衰变对应减去4和2；β⁻衰变保持 $A$ 不变，$Z$ 加1；γ衰变两个数值均保持不变。

## 6. 选择适用于特定用途的同位素（仅拓展阶段要求）

参加拓展阶段考试的考生必须能够解释：同位素发射的辐射类型以及其半衰期如何决定该同位素是否适用于特定场景。有两项属性需要与任务匹配：(1) 辐射类型——因为α、β、γ三种辐射的电离强度、穿透能力以及被材料吸收的特性各不相同；(2) 半衰期——它决定了放射源保持有效作用的时长，以及其活度衰减的速度。

| 应用场景 | 使用的辐射类型 | 选择该类型的原因 |
| --- | --- | --- |
| 家用火灾（烟雾）报警器 | Alpha (α) | α辐射可以强烈电离空气，使电极之间产生微弱电流；烟雾会吸收α粒子，导致电流下降，触发警报。α在空气中的射程极短，因此在报警器外部不会造成危害。长半衰期意味着放射源可以使用数年无需更换。 |
| 食品辐照杀菌 | Gamma (γ) | γ的穿透能力极强，可以直接穿透密封包装和食品，杀死细菌且不会让食品带有放射性。 |
| 医疗器械消毒 | Gamma (γ) | γ可以穿透密封包装，因此器械可以在封装完成后再进行消毒，杀灭密封容器内部的所有微生物。 |
| 材料厚度测量与控制 | Beta (β) | β辐射会被薄板材部分吸收，因此穿过板材的辐射量取决于板材的厚度。α会被完全吸收（无信号），γ会直接穿透（灵敏度不足），只有β可以对微小的厚度变化做出响应。长半衰期可以保证读数稳定。 |
| 癌症的诊断与治疗 | Gamma (γ) | γ可以穿透人体组织，因此可以从体外对准肿瘤进行照射（治疗），也可以作为示踪剂在体外被检测到（诊断）。 |

半衰期同样需要根据使用场景选择。长半衰期意味着放射源的活度几乎保持恒定，因此放射源可以长期使用无需更换（适用于烟雾报警器和厚度检测仪）。短半衰期意味着活度衰减很快：这对于医用示踪剂十分有用，可以避免患者长时间暴露在辐射下，但缺点是放射源需要频繁更换。因此同位素的选择始终需要在辐射类型（穿透性与吸收特性）和半衰期（放射源需要保持活性的时长）之间取得平衡。

**例题:** 解释为什么家用烟雾报警器中使用长半衰期的α辐射源。

1. 1. α辐射可以强烈电离两个电极之间的空气，允许微弱电流流通。当烟雾进入报警器后，会吸收α粒子，导致电流下降，触发警报。
2. 2. α在空气中的射程极短，会被报警器外壳（以及人体皮肤）阻挡，因此该放射源对房屋内的人员是安全的。
3. 3. 长半衰期意味着放射源的活度在数年内几乎保持恒定，因此报警器可以持续可靠工作，无需频繁更换放射源。

**例题:** 某工厂将铝箔置于放射源和探测器之间来控制铝箔厚度。解释为什么该场景下使用β辐射源而非α或γ辐射源，以及为什么该辐射源需要具备长半衰期。

1. 1. β辐射会被薄铝箔部分吸收，因此到达探测器的辐射量取决于铝箔的厚度。如果铝箔变厚，穿过的β粒子数量就会减少；如果铝箔变薄，穿过的β粒子数量就会增加。
2. 2. α会被铝箔完全吸收（探测器几乎检测不到信号），而γ几乎可以完全穿透任意厚度的铝箔（读数几乎不会变化），因此二者都无法检测到微小的厚度变化。
3. 3. 探测器的信号会反馈给轧辊，以保持铝箔厚度恒定。长半衰期可以保证生产过程中放射源的辐射输出稳定，读数不会随着放射源的衰变发生漂移。

> **考试提示:** 选择同位素时，需要将辐射类型与所需的穿透能力匹配（α极易被阻挡，β会被薄材料部分吸收，γ穿透性极强），同时将半衰期与放射源需要保持活性的时长匹配。作答时必须同时给出与穿透/吸收特性相关、以及与半衰期相关的理由。

## 常见错误

- **错误做法:** （拓展内容）忘记拓展部分的半衰期数据可能是未扣除本底的原始计数
  - 原因: 核心要求的半衰期计算从不涉及本底辐射，但拓展题目（5.2.4补充内容）可能给出未校正的原始数据，必须先扣除本底计数率
  - 正确做法: 核心内容题目可直接使用给出的数值；拓展内容的原始数据，需先从每一个读数中扣除本底计数率，再计算半衰期
- **错误做法:** 使用指数衰变公式$N=N_0e^{-\lambda t}$进行半衰期计算
  - 原因: 该公式不属于CIE IGCSE 0625教学大纲要求范围，即使答案正确也不会得分
  - 正确做法: 所有计算都使用图像解读或简单的半衰期步数计数法
- **错误做法:** 将半衰期定义为样品中所有原子核衰变所需的时间
  - 原因: 半衰期描述的是*一半*不稳定原子核衰变的时间，而非全部
  - 正确做法: 将半衰期定义为不稳定原子核的数量（或计数率）衰减至一半所需的平均时间
- **错误做法:** 声称温度或压强会影响放射性衰变率
  - 原因: 放射性衰变是自发的核过程，完全不受外部条件影响
  - 正确做法: 始终牢记给定同位素的半衰期是恒定的，与外部因素无关
- **错误做法:** 考试题目中仅列出安全防护措施，不解释其作用
  - 原因: 大多数2-3分的安全类题目要求同时给出防护措施和合理的解释才能拿到满分
  - 正确做法: 将每一项防护措施与减少辐射暴露的原理对应：限制受照时间、增大距离、增加屏蔽

## 速查表

| 概念 | 核心要求 | 拓展要求 |
| --- | --- | --- |
| 放射性衰变 | 定义为自发+随机过程；衰变率不受外部因素影响 | 与核心要求一致，补充从单个原子核角度解释随机性 |
| 半衰期 | 直接使用给出的数值从衰变曲线或表格中计算（无需校正本底） | 求解剩余量、时间或半衰期个数的多步骤计算；如果数据未校正，需先扣除本底 |
| 辐射安全 | 列出3项以上防护措施并解释其降低暴露的原理 | 与核心要求一致，可将安全规则应用于特定场景（医疗、工业、核电站） |
| 放射性同位素的用途 | — | 根据辐射类型（穿透性/吸收性）和半衰期选择同位素：烟雾报警器用α源，食品辐照和灭菌用γ源，厚度计用β源，癌症诊断/治疗用γ源 |

## 下一步

本小节完成了CIE IGCSE物理0625核物理单元的全部内容：你现在可以描述衰变的随机特性、计算半衰期、用核素符号写出拓展要求的衰变方程，以及应用辐射安全规则。请使用过往真题练习半衰期计算和衰变方程，提升解题速度和准确率，同时明确区分核心和拓展内容的不同要求。记住本底校正是仅拓展内容要求的技能（核心半衰期题目从不涉及本底），且回答安全类问题时必须将防护措施与减少暴露的原理关联才能拿到满分。

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