近二三百年，特别是19世纪末、20世纪初，人们对原子微观世界的认识不断深入，不断完善，而且建立了比较成功的理论。1919年质子的发现，1932年中子的确认，为人类步入原子内部，打开原子核微观世界的大门起了铺路石的作用。半个多世纪以来，人们在这个领域已经取得了令人瞩目的成果。
一种看不见的射线
19世纪，电磁学和热力学的发展为动力工业和电讯工业的发展开辟了道路。到了19世纪70年代，电已作为巨大的新能源发展起来了。由于电力的广泛应用，把人类从“蒸汽时代”推进到了“电气时代”。电力工业的飞速发展，促使人们对生产实践过程中所出现的放电现象进行了广泛的研究。1858年，人们在研究低压情况下物质放电特性时，观察到阴极会发出射线。当这种辐射打在真空放射管的玻璃壁上时，能够产生绿色的磷光。从阴极发出的射线称为阴极射线，这种放射管称为阴极射线管。
19世纪后期，人们对阴极射线的研究已形成高潮。1895年，德国物理学家伦琴（1845—1923年）在重复研究阴极射线的实验中，发现了一种非常奇特的现象。当放电电压足够高的时候，阴极射线撞击用重金属制成的阳极靶时，比如钨（W）、钼（Mo）等，便会产生一种肉眼看不到的射线。这种射线具有很强的穿透本领，它能使气体电离，使某些结晶体发生荧光，还能使用黑纸包着的照相底片感光，甚至能把衣袋中钱币或者人手的骨胳都显示在底片上。在磁场中，这种射线不发生偏转。射线的行为很像光，但当时又没有发现它们具有光的一些基本特征，诸如反射、折射、干涉、衍射等现象。在这之后的十几年中，尽管人们对这种射线从各方面进行观察、研究，仍然对射线的本性难以做出完全肯定的结论。正因为如此，人们对这种射线赋与“X射线”这样一个具有神秘面纱的名称。
一直到1912年，德国物理学家劳厄（1879—1960年）等人通过实验证实了X射线不是什么别的物质，而是一种波长相当短的电磁波，从而揭开了困惑一时的谜团。后人为了纪念伦琴为此做出的贡献，便以他的名字命名这种射线，称为伦琴射线。但由于X射线这个名称人们已经习惯，因此沿用至今。
由于X射线具有很强的穿透特性，特别是伦琴夫人的手骨X射线照片公布以后，引起了各方面强烈的反响，医学界尤为高度重视。X射线可以作为诊断身体内部疾病的一种有效手段，于是在医学界便引发了一场技术革命，X射线很快在医学上获得了广泛的应用和推广。从X射线的发现到临床使用仅仅经历了短短几个月的时间，周期之短，应用之广，效益之大，前所未有。
鉴于伦琴在发现X射线方面成绩卓著，为人类带来了福音，因此而荣获了诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔奖设立后第一位获此殊誉者。
天然放射性现象
1896年1月，法国著名的实验物理学家贝克勒尔（1852—1908年）得知伦琴发现了X射线，并亲眼见到了伦琴夫人手指骨的X射线照片。这件事对他产生了很大启示。就在这一年，43岁的贝克勒尔开始了他终生的事业——对放射性的研究。正是这一研究方向的选择，经过长期的艰苦努力，执着探求，终于不负有心人，取得世人瞩目的成就，使贝克勒尔一举成为世界著名的放射性领域的先驱者。
放射性现象的发现
1896年3月，贝克勒尔在进行X射线研究时，发现铀盐（硫酸铀酰钾）会自发地放射出一种看不见的性质非常特殊的射线，这种射线也同样具有X射线的某些性质。
如果把铀盐放在用黑纸包的照相底片上，射线可以透过黑纸使照相底片感光，此外，这种射线还能使周围的空气电离。贝克勒尔断定，这种性质不是由于日光引起的。为了进一步检验这种射线，他再一次进行实验，可天气非常不凑巧，连续几天都是阴天，他只好将所用的实验器材放在抽屉里，铀盐就放在包好的底片上。由于几天都没有出太阳，为了检查一下底片的情况，他就把底片冲了出来。结果，他意外地发现，底片的感光廓影十分强烈，这充分表明，这种射线的作用即使在黑暗中也同样能够进行。正确答案找到了，这也许是个偶然的巧合。这件事常常被后人作为科学发现的偶然性中最据典型的例证，广为流传。但偶然中孕育着必然，贝克勒尔的祖传三代都是研究磷光的世家，这对他来说有着非常重要的影响。正如贝克勒尔常常喜欢说的一句话：在他的实验室里发现放射性是完全合乎逻辑的。
同年的5月份，贝克勒尔发现一个纯铀的金属盘也会产生穿透力很强的射线。这样一来，放射性的发现便进一步得到了肯定。于是，人们第一次发现了自然界中存在着这样一种物质，它本身能放射出肉眼看不见的射线，这种物质称为放射性物质，由它发出的辐射称为放射性现象。
贝克勒尔经过短短几个月的努力，最终搞清楚了铀盐辐射的性质。1896年5月18日，他在法国科学院的例会上，明确指出这种贯穿辐射是一种自发现象，只要有铀元素存在的地方，就会产生这样的辐射。以后，人们为了与伦琴射线相区别，便称这种射线为贝克勒尔射线。
贝克勒尔放射性的发现，这是人类第一次在实验室里观察到的原子核现象。虽然这一重大发现没有像伦琴发现X射线那样轰动一时，但这一事件的影响将是深远的，为人们揭开原子核这一深层次的密秘开拓了一条崭新的途径。
贝克勒尔的发现，引起了玛丽·居里（1867—1934年）的重视。在当时，这种放射性的来源还没有搞清楚。为了寻找谜底，玛丽·居里便开始着手这方面的研究工作。她在实验设备非常简陋的条件下，进行铀射线的“游离力量”的测量工作。所谓游离力量就是轴射线使空气电离为导电体，因而使验电器具有放电的力量。一个简易的“游离室”，一个居里测电器和一个压电石英静电计。经过几个星期的努力，取得了初步成果。实验中发现，铀的放射性不受化合物的组成方式和外界环境的影响；铀化合物的放射性强度与这种化合物中铀的含量成正比。
之后不久，玛丽·居里的研究工作又取得了令人可喜的成果。她发现了另外一种化学元素——钍（Th）的化合物也会自发地向外释放与铀射线形式和强度非常类似的射线。在检查矿物中的样品时，她又发现了放射性强度比铀和钍强许多倍的，当时还不为人们所知的两种新元素。为了纪念玛丽·居里的原籍祖国——波兰，将其中的一种元素命名为“钋”（Po），波的谐音，另一个元素就是现在大家比较熟悉的镭（Ra）。
钋和镭的发现动摇了几个世纪以来学者们所信守的基本理论和已经建立起来的概念，因而许多物理学家和化学家都持有一种非常谨慎的态度。为了让人们能够看清这两种新元素的真面目，居里夫妇把一个破旧的工棚改建成一个异常简陋的实验里，在工作条件和生活条件非常困难的情况下，整整艰苦奋斗了4个年头，终于在1902年，他们从8吨重的铀沥青矿的残渣中提炼出微量的氯化镭，并初步测定出镭的原子量为225。这一有力的事实，使那些抱有怀疑的化学家们不得不信服，并向他们投去亲佩与敬仰的目光。
贝克勒尔对天然放射性开创性的研究工作，为居里夫妇的发现开辟了道路；反过来，居里夫妇的杰出工作又有力地证实了贝克勒尔发现的重要性。正因为如此，贝克勒尔与居里夫妇分享了1903年度诺贝尔物理学奖。
放射性衰变遵循的规律
放射性是原子核的一种自发行为，它能放射出不同性质的射线，其中包括α射线、β射线和γ射线。α射线就是氦原子核，它带有两个单位的正电荷，质量数为4，符号为e-；β射线就是高速运动的电子（e-）；γ射线为能量非常高的光子。
具有放射性的物质放射得快慢仅由物质本身决定，与外界条件没有关系。周围环境的压强、温度等发生了变化，并不影响放射的速度。实验中发现，当外界的压强从0→2000个大气压，温度从24→1500K，磁场从0→83000高斯时，放射性速度没有明显的变化。但是，人们在研究中发现，随着时间的增加，物质的放射性会变得越来越弱。另外，由于放射性衰变，使处于原来状态的原子核数目不断减少，而变成了另一种原子核。那么，原子核的衰变情况与经过的时间长短有什么关系呢？
我这里有一个放射源，里面只有一种具有放射性的原子核，比如镭（22688Ra），这样的放射源称为单独核放射源。计时开始（t=0）时，放射源中的原子核的个数用N0表示。经过了一段时间，到了某一时刻t，放射源内有一部分原子核已经发生了衰变，而没有衰变的原子核个数用N表示。在0→t这样一个时间间隔内，N0、N与t三者之间的关系满足下面的数学表达式：
N=N0e-λt
表明原子核的衰变过程遵从一种指数规律。式中，λ称为衰变常数。这个规律是一个统计规律，放射源中有大量的原子核的情况下，这个规律才适用。由于原子核非常小（它的半径仅有10-15米），即使是少量的放射性物质，里面也含有大量的原子核。比如，1亿分之一克的镭，也就是10毫微克，却含有1015个镭原子核。
对于某一个原子核而言，它什么时候发生衰变难以预先知道，具有很大的偶然性；但是，对于大量的原子核来说，它们的衰变却遵循一定的规律。
为了描述放射性物质的衰变情况，常常引用几个非常重要的物理量：
（1）衰变常数λ
假如在某一时刻t，放射源中没有衰变的原子核的个数为N，经过△t这样一个小的时间间隔，其中有△N个原子核衰变掉了。那么，衰变掉的原子核△N的多少一定与N的大小有关，还应与所取时间间隔的长短有关。用数学语言描述，它们之间为正比关系，表示为：
△N=λN△t
λ为一比例系数，它等于
λ=△N/△tN
而△N/△t表示单位时间内有多少个原子核衰变掉了；再与N相除，则表示一个原子核在单位时间内发生衰变的可能性大小，用一个术语描述，即“几率”的大小。这就是衰变常数λ的物理含义。对于每一种原子核，衰变常数λ是确定的。λ大表示原子核衰变得快，λ小表示原子核衰变得慢。尽管某一个原子核什么时候发生衰变难以预料，但由于这种原子核有一个确定的衰变常数，因此，它在任一时刻衰变的几率的大小是完全可以知道的。
（2）半衰期T
放射性物质的原子核数衰变到原有核数的一半所经过的时间称为半衰期，用英文大写字母T表示。一个放射源，经过一个半衰期T，其中有一半原子核衰变掉了；又经过一个半衰期T，剩下的一半原子核中，其中又有一半被衰变掉了。也就是说，经过两个半衰期以后，放射源中仅剩下14的原子核没衰变了，其中34已衰变掉了。一个放射源中，没有衰变的原子核数与半衰期之间的关系如图5-6所示。
半衰期长表示原子核衰变得慢，半衰期短表示原子核衰变得快。各种放射性物质的半衰期是不一样的，彼此相差非常悬殊。有的可长达100多亿年，是各种具有放射性元素中的“老寿星”，如铀-238的半衰期为109年，它能够长时间的与地球共存。有些就比较短，像磷-32的半衰期为15年，氡-222为4天，氮-13只有10分钟。有的就更短了，仅有几秒钟，甚至小于几千万分之一秒。正因为如此，有的放射性物质在地球上现在还可以找到它们，比如铀-235、铀-238、钍-232等；有的放射性物质在地球上则早已绝迹了，如钚-241等。这些元素只能通过人工的方法再现它们了。
半衰期T与衰变常数λ之间的关系为：
T=ln2／λ=0.693/λ
（3）平均寿命τ
某一个具有放射性的原子核，从它产生到衰变所经过的时间，就称为这个原子核的寿命。如同人从出生到去世经历的时间就是一个人的寿命一样。对于同一个放射源，有的原子核衰变得早，寿命就短；有的原子核衰变得晚，寿命就比较长。讨论某一个原子核的寿命长短是没有什么意义的。对于一个包含大量原子核的系统来说，经过某一个时间间隔全部衰变完了，对于这样一个系统，各个原子核寿命的平均值才有意义，称为平均寿命，通常用希腊字母C来表示。
平均寿命τ与衰变常数λ互为倒数，即
τ=1λ
λ大，原子核衰变得快，系统的平均寿命就小；反过来，系统的寿命平均值就要长。
衰变常数λ、半衰期T、平均寿命τ是描述放射性物质衰变快慢的重要特征量。每一种核素都有自己的特征量，这是区分不同核素的重要标志。由于λ、T、τ三者之间存在着确定的关系，因此，若知道其中的一个量，其他的两个量就可以计算出来了。通常使用的是半衰期T，一般有现成的数值表可供查阅。
原子核的平均寿命τ要比整个系统的半衰期T长一些。因为经过时间T，系统的原子核有一半衰变掉了；但经过时间τ，没有衰变的原子核只有原来数目的37％，多一半原子核衰变掉了。由下面简单的计算就可一目了然：
由衰变规律
N=N0e-λt
有N0e-1τ·τ=N0e-1=0.37N0
即N/N0=0.37=37%
（4）放射性强度A
我们在实际应用中，除了需要知道放射性物质衰变快慢以外，还应知道放射性物质衰变的强弱程度。在单位时间内，放射性物质发生衰变的原子核的个数，称为放射性强度，用字母A表示。如果在△t时间内，有△N个原子核发生了衰变，那么有
A=△N△t=λ△N△t△t=λN=λN0e-λt=A0e-λt
其中A0=λN0。从表示式不难看出，放射性强度仍然遵从指数规律。
一个放射源的放射性强度与衰变常数λ和原子核的数量N有关，取决于它们的乘积λN。比如，钾-40（4019K）是一种具有放射性的元素，在自然界中虽然只占钾0012％，但原子核的数量非常大。它广泛存在于玻璃中，与人们的日常生活密切相关。玻璃门窗、玻璃用具等随处可见。但是，钾的半衰期却非常长，为1.3×109年。它的衰变常数λ就很小（λ=1T），也就是钾-40的衰变几率微乎其微。因此，钾-40的放射性强度就非常弱。虽然日常生活中我们经常与玻璃接触，但对人们身体健康不会产生什么不良的影响，尽可大胆、放心地使用。
