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核素是指具有特定质量数、原子序数和核能态,而且其寿命又长到足以被观察的一类原子。 核素可以分为两大类,一类核素是稳定的核素,另一类核素是不稳定的。不稳定的核素可以自发地蜕变为另外元素的核素,这一过程叫做放射性衰变。在放射性衰变过程中,会从核内放出粒子、粒子、光子粒子、俘获轨道电子等一种或几种射线。这种不稳定核素放出射线的特性叫做放射性。能放出射线的不稳定核素叫做放射性核素。例如,碳-14是放射性核素,它衰变成氮-14、氮-14是稳定核素。钡-140是放射性核素,它衰变成镧-140,它也是放射性核素,它又衰变成铈-140(稳定性核素)。现在已知的107种元素的1900多种同位素中,大约有近300种核素是稳定的核素,有大约1600种放射性核素,其中有1500多种是人工放射性核素,约有60种是天然放射性核素。 放射性衰变的种类 根据核素衰变时所放出的射线种类不同而分为α衰变、β-衰变、β+衰变、电子俘获和γ衰变等 放射性衰变的规律 放射性是放射性核素所具有的特性,它不受外来因素,如温度、压力、化学变化和磁场等的影响。衰变的速度主要取决于核的特性。放射性核素的每一个衰变并不是同时发生的,而是有先有后,是一个统计过程。放射性核素在单位时间内衰变的原子核数与该时间内尚未衰变的总的原子核数成正比。衰变常数是表示不同的放射性核素的衰变速度,反映不同放射性核素衰变特征的量。不同的放射性核素有不同的衰变常数,半衰期是放射性核素特征的另一种表示法,它的定义是放射性核素的原子核数因衰变而减少到它原来数目的一半所需要的时间。半衰期和衰变常数之间的关系是: T1/2=0.693/λ 其中T1/2是半衰期 λ是衰变常数 放射性活度和单位 在实际应用中,常常关心的不只是放射性核素的原子序数,而对单位时间里衰变的原子核数更感兴趣。因此,引用了一个新的物理量,即放射性活度A。所谓放射性活度A是指一定量的放射性核素在单位时间里衰变数。放射性活度的单位是可勒尔,简称为贝可,符号为Bq。1Bq=1个衰变/秒。以前用的放射性活度单位是居里(Ci),居里与贝可的关系是: 1居里=3.7×1010贝可
中国科学院高能物理研究所2011年04月29日 来源: 科技日报 作者: 石伟群 赵宇亮 柴之芳 专家谈核 常见放射性元素包括天然放射性元素和人工放射性元素。我们介绍几种主要的放射性元素。 放射性铯:铯是一种银金色的碱金属元素,化学符号是Cs,原子序数是55,在1860年由德国化学家本生和基尔霍夫发现。铯的熔点低,熔点约为28.44°熔化。在空气中它容易氧化,可用于制造真空件器、光电管等,在化学上还可用做催化剂。 在核电站的乏燃料(燃烧以后的核燃料)的裂变产物中,长半衰期的铯-137的裂变产额较高,是重要的放射性元素。目前已发现的铯放射性同位素有34个。铯-137是裂变产生的最重要的放射性铯同位素,其半衰期约需30年,完全消失则长达300年。由于具有放射毒性,一旦环境中的铯-137被人体吸收,就会对人体产生危害。因此,在核爆炸或者核事故所致的环境污染检测中,铯-137是重点检测的放射性元素。铯作为γ辐射源的半衰期较长,且易造成扩散。目前铯-137源已逐渐被钴-60源取代。 放射性碘:碘也是核电站燃料的主要裂变产物。已表征的碘的同位素有37种。碘-131是核废料中的主要裂变产物之一,由于碘具有易挥发的特点,在核爆炸及反应堆事故中,它是早期污染环境的主要核素。 碘-131半衰期为8天,用铅屏蔽就可以阻隔其放射线。在碘的放射性同位素中,碘-131和碘-125是毒性相对较大的放射性核素。进入血液中的放射性碘,约70%存在于血浆中,30%很快转移到体内各组织器官内,且呈高度不均匀分布,大部分选择性地富集于甲状腺,通常甲状腺内碘浓度可达血浆浓度的25倍,在供碘不足的情况下其浓度可达到血浆浓度的500倍,所以,放射性碘对人体的危害主要表现为甲状腺辐射损伤。医学上也正是利用碘在甲状腺中的富集行为,来利用放射性碘-131治疗甲状腺疾病。 核电站严重事故有可能向环境释放大量放射性碘,但目前已运行的和未来的先进核能循环系统均有较高的安全防护设施,通常会尽量防止放射性碘排放到环境中。以美国三里岛事故为例,反应堆核燃料元件熔化导致大量放射性碘元素释放出来,但均被控制在安全壳内,只有少量放射性碘由于操作失误释放到环境中。类似日本福岛核电站这样的较大规模放射性元素泄漏事件是较为罕见的,同时,也为将来的核电站设计提出了更高安全性的新要求。 放射性锶:放射性锶可以作为环境放射性污染的重要标志物:锶-90和锶-89是用来评估核试验所致环境污染物的主要核素之一。 锶-90居于被选对象的首位是因为它在裂变产物中的份额较高、物理半衰期较长、及进入人体后有重要的毒理学意义。反应堆运行和乏燃料后处理产生的放射性废物中含有较多的锶-90。锶-90可作为β辐射源,在军事,科学研究及医学上均有重要用途。锶-89也可作β放射源。锶-85则是纯γ辐射源,是一种常用的示踪剂。动物实验证明,进入体内的放射性锶主要造成骨髓造血组织和骨骼的损伤,其随机性效应主要是骨组织瘤,其次为白血病。 放射性氡:氡是天然放射性惰性气体(故也称氡气),无色无嗅,可溶于水,其化学符号为Rn。氡有很多放射性同位素,其中半衰期最长的同位素是氡-222(半衰期为3.82天),前面所说的氡通常即是指氡-222。有人把氡气比做“无形的杀手”,虽然有些夸大其词,但氡确实可以对人的健康构成危害。世界卫生组织已把氡列为19种致癌物质之一,研究表明氡吸入是仅次于吸烟的第二大致肺癌因素。 由于氡-222的放射性子体是固态放射性核素,能在空气中形成气溶胶被人吸入。氡-220是氡的另一种同位素,半衰期为55秒。由于氡-220是钍-222的衰变产物,也把它称为钍射气。在我国,已发现泥土房和窑洞中氡-220的浓度较高。 氡无所不在,遍布在我们的生活环境之中,而我们需要特别警惕的是室内的氡。室内的氡气可以来自地基下的土壤,也可来自各种建筑材料,或来自空气或用水。一般地下室、窑洞或土坯房子的氡气浓度较高,为了减少氡及其子体的危害,要保持室内良好通风。 放射性氚:氚是元素氢的一种放射性同位素。可写为3H,氚还有其专用符号T。它的原子核由一颗质子和二颗中子组成。1934年,英国卢瑟福等人在加速器上用加速的氘核轰击氘靶,通过核反应发现氚,1939年美国科学家阿耳瓦雷等证明氚有放射性。氚会发射β射线而衰变成氦3,半衰期为12.5年。自然界的氚是宇宙射线与上层大气间作用,通过核反应生成的。氚主要用于热核武器、科学研究中的标记化合物,制作发光氚管,还可能成为热核聚变反应的原料。 氚及其标记化合物在军事、工业、水文、地质,以及各个科学研究领域里均起着重要的作用;在生命科学的许多研究工作中,氚标记化合物则是必不可少的研究工具。例如,酶的作用机理和分析、细胞学、分子生物学、受体结合研究、放射免疫分析、药物代谢动力学,以及癌症的诊断和治疗等,都离不开氚标记化合物。
居室放射性对健康的影响自19世纪末放射性被发现以来,对放射性的认识和应用有了长足的进展。在给人类带来巨大利益的同时,也对健康带来一定的影响。人的一生中要有80%~90%的时间在室内度过,所以人们十分关心居室内的环境问题。第一节 居室内放射性的来源放射线按来源可分为天然放射性和人工放射性。天然放射性来自两个方面。一是初级宇宙线和次级宇宙线以及宇宙放射性核素,典型的有3H,7Be,14C和22Na。二是地壳中的天然放射性核素,主要是地壳中的三个天然放射衰变系列———铀系、钍系和锕系以及40K与87Rb。它们的半衰期都在几亿年以上。人工放射性来源于人工造成的放射性核素,包括反应堆中生成的裂变产物,核爆炸生成的裂变产物,如60Co,137Cs,90Sr,131I等。居室中的放射性包括空气中的放射性、建材中的放射性和宇宙辐射。宇宙辐射目前人类无法控制,这里只讨论空气中的放射性和建材中的放射性。一、氡及其衰变子体居室中的放射性主要来源于氡及其子体,它们来自地基土壤(80%~90%)、建筑材料(10%~20%),自来水和天然气也贡献一小部分。氡有三种同位素:来自铀系的222Rn,来自钍系的220Rn以及来自锕系的219Rn。222Rn由226Ra衰变而来,半衰期382d。222Rn发射粒子后衰变为218Po (旧称RaA),半衰期310min。再发射粒子后衰变为214Pb(旧称RaB),半衰期268min。接着发射β射线衰变为214Bi(旧称RaC),半衰期199min。再发射β射线衰变称214Po (旧称RaC′),半衰期0164ms。再发射α粒子衰变为210Pb,半衰期223年。从222Rn到214Po,它们的共同特点是半衰期都比较短,而且大部分发射α粒子,且能量较高,这样内照射的危害较大。我们把222Rn、218Po、214Bi、和214Po统称为氡及其短寿命衰变子体,简称氡及其子体。在考虑氡对人的危害时,主要考虑这五种放射性核素。与222Rn 相比,钍系的220Rn 半衰期更短(556s),空气中的含量远不如222Rn,对健康的重要性也就差了。锕系的219Rn对健康的重要性就无从谈起了。所以现在谈到空气中的氡及其子体一般都指222Rn及其短寿命衰变子体。二、建筑材料中的放射性因为建筑材料中的放射性直接影响居室中的放射性照射水平和部分影响居室中的氡浓度,所以建筑材料中放射性也是人们关注的问题之一。来自建筑材料的放射性主要考虑铀、镭、钍、钾的贡献。铀、镭、钍和它们的衰变产物均来自地壳中的三个天然放射性衰变系列。钾的同位素40K,也是地壳中的一种放射性核素,经β衰变成为稳定性核素,半衰期128亿年。本地产建筑材料,放射性核素含量应与当地放射性核素含量一致。如果是外地产的建筑材料就很难预料。如产地土壤中铀、镭、钍、钾的含量高,则建筑材料中的含量也一定高。世界范围土壤中铀、镭、钍、钾含量的平均值为40Bq/kg、40Bq/kg、40Bq/kg、580Bq/kg。中国的平均值为39Bq/kg、38Bq/kg、55Bq/kg、584Bq/kg,两者基本一致。238U 和226Ra是同一衰变系列中的两种放射性核素,它们在土壤中的含量,平衡时间应相同。这些建筑材料中,只需考虑226Ra、232Th和40K,它们含量的典型值取50Bq/kg、50Bq/kg、500Bq/kg较为合适。表21列出了中国常用建材中放射性含量的测量值。可以看出,在列出的建筑材料中,天然石材中的放射性核素含量还是比较高的。石质建筑装修材料中的放射性含量要由石材的岩石种类和产地来确定。根据成因可把岩石分为三大类:岩浆岩、沉积岩和变质岩。世界范围226Ra在这些岩石中的含量典型值列于表22。