关于放射性的一些常识 ( 1 )

放射性元素

    有些元素能够自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线(如 α、β、γ 射线等),同时释放出能量,最终衰变形成稳定元素,这种性质称为放射性,这类元素称为放射性元素。在元素周期表上,原子序数大于 83 的元素都是放射性元素,83 以下的元素中只有锝(Tc,原子序数 43)和钷(Pm,原子序数 61)是放射性元素。

    放射性元素可以分为天然放射性元素和人工放射性元素。天然存在的放射性元素只有钋、氡(气体)、钫、镭、锕、钍、镤和铀,其中铀和钍最为常见;人工放射性元素是通过核反应人工合成的元素,如锝、钷和原子序数大于 93 的元素,比较出名的就是锝(用于医疗)和钚(用于核工业)。

放射性同位素

氕和氘,C-12 和 C-13

    同位素是同一元素的不同种原子,它们具有相同的质子数,但中子数却不同。例如原子序数为 1 的氢就有三种同位素,分别是氕(H)、氘(D)、氚(T),它们的原子内都只有一个质子,但分别有 0、1、2 个中子。在自然界,H 占氢元素的 99.98%,D 占 0.016%,T 主要通过人工合成(自然界里极微量的 T 是宇宙射线与上层大气间作用,通过核反应生成的)。这三种同位素里,T 具有放射性。

    碳(C)在自然界有 3 种同位素,它们是 C-12,C-13,C-14,其中 C-14 具有放射性(占碳元素的百万分之一),可以用来测文物年代。

    钾(K)在自然界也有 3 种同位素,它们是 K-39,K-40,K-41,其中 K-40 具有放射性(占钾元素的 0.01%,它是岩石和土壤中天然放射性本底的重要来源之一

    铀(U)在自然界同样有 3 种同位素,它们是 U-234(0.005%),U-235(0.720%),U-238(99.275%),它们都具有放射性。

    同位素分为稳定同位素和放射性同位素,它们按一定的比例在自然界存在。碳和钾虽然有天然的放射性同位素,但含量极少,所以这两种元素不被认为是放射性元素。更多的放射性同位素是由人工合成,服务于国防、生产、科研、医疗等领域。

原子弹威力不等同于放射性危害

    很多人对放射性的过度恐惧来自于原子弹,但放射性危害只是原子弹的第三重影响,原子弹最大的破坏力来自于光热和冲击波,它们是裂变反应(而非放射性)的结果。当较重的原子核发生裂变时会发生质量亏损,损失的质量按照爱因斯坦的质能方程(E=mc2,能量 = 质量 x 光速的平方)转换成了巨大的能量。例如,1945 年在日本广岛上空爆炸的原子弹,裂变反应中仅有 1g 的质量转化成能量,但它的威力却相当于 16 万吨黄色炸药发生爆炸,瞬间摧毁了整个城市,并造成十几万人当场死亡。随之而来的才是漫长的放射性危害,而放射性危害是我们需要深入了解的。

三种射线

    放射性物质具有 α 和 β 衰变形式,分别释放出 α 射线和 β 射线,多余的能量通过 γ 射线释放。一般放射性物质衰变的时候,α、β、γ 三种射线同时产生。

    α 射线是氦原子核(两个质子,两个中子),带两个正电荷;β 射线的是电子,带一个负电荷;γ 射线是是光子(电磁波),只是波长更短,能量更高。三种射线中以 α 射线的电离能力最强,对人体伤害最大,但其穿透力相当弱,几厘米的空气或纸张就能完全挡住 α 射线,更不用说穿透皮肤了;β 射线电离能力较弱,但具有较好的穿透力,可以被 3mm 的铝板阻挡;γ 射线具有极强的穿透力,超过 X 射线,可以穿透几厘米厚的铅板,但由于它的电离能力最弱,所以对人体造成的伤害最小。

    α 和 β 射线经过几英寸的空气或者普通玻璃就会被阻隔,γ 射线穿透力虽强,但对人体的伤害也最小,所以放射性物质在体外对人造成的危害是相当有限的。但如果放射性物质进入体内,危害就要大得多,这在后文的“内照射”中将作解释。有一点要记住,α 射线的内照射是各种放射性危害中最大的

半衰期

    放射性元素的原子在释放 α、β、γ 射线的同时,会衰变成其它元素,这种衰变有一定的速率。当原子中有半数发生衰变时所需要的时间,叫半衰期。

    在自然界,只有 4 种主要的放射性元素和地球寿命差不多:
    铀-238:半衰期是 45 亿年
    铀-235:半衰期是 7 亿年
    钍-232:半衰期 140 亿年
    钾-40:半衰期 12.8 亿年

    其它天然放射性元素钋、氡(气体)、钫、镭、锕、镤 都是 铀-238、铀-235、钍-232 衰变链中的产物。很多放射性元素因为半衰期较短,在自然界几乎已无存在:例如钚最稳定的同位素 钚-244 的半衰期是 8200 万年,对于 46 亿年的地球历史来说,天然存在的钚早就减半减半再减半了不知多少次了,几乎可以说没有了,更不用说聚集成矿了。所以,放射性矿物不是含铀就是含钍(钾-40 只占钾元素的 0.01%,含量太少了)。

    通常来说,半衰期越短的放射性核素,其放射性也越强。钍-232 的半衰期是 140 亿年,放射性是 4 种主要放射性元素中最弱的。值得一提的是氡,它是放射性监测的重点对象,因为它是气体,容易通过呼吸道进入人体,形成内照射。让人高兴的是,氡的半衰期只有 4 天,不用多久它就可以大部分衰变成稳定元素,而不再具有放射性。但危险之处也在此,短半衰期意味着它的放射性更强。

    利用放射性核素的半衰期,我们可以做很多事情:
    例如 C-14 测年法:古代生物在活着的时候,不断从环境摄入 C-14,机体维持着 C-12 和 C-14 的平衡。当生物体死后,新陈代谢停止,体内的 C-14 因为衰变而逐渐减少。由于 C-14 的半衰期是 5730 年,可以根据 C-14 的残留推算出生物的年代。C-14 只能准确测出 5-6 万年以内的出土文物或化石,对于例如生活在五十万年以前的周口店北京猿人,利用 C-14 测年法是无法测定出来的。
    在核医学临床应用中使用最广的核素是 锝99m,半衰期只有 6.02 小时,射线能量适中,可利用其杀死癌细胞,但又不至于在体内长留。


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One comment

  • 2016年06月7日, 03:46 1 年前
    愚石公

    如果在原子核衰变中再加入中微子内容,或许会更完整,更有趣,尽管中微子不会对人体造成任何损害。

    Reply

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