關於放射性的一些常識

 

放射性元素

    有些元素能夠自發地從不穩定的原子核內部放出粒子或射線（如 α、β、γ 射線等），同時釋放出能量，最終衰變形成穩定元素，這種性質稱為放射性，這類元素稱為放射性元素。在元素週期表上，原子序數大於 83 的元素都是放射性元素，83 以下的元素中只有鍀（Tc，原子序數 43）和鉕（Pm，原子序數 61）是放射性元素。

    放射性元素可以分為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釙、氡（氣體）、鈁、鐳、錒、釷、鏷和鈾，其中鈾和釷最為常見；人工放射性元素是通過核反應人工合成的元素，如鍀、鉕和原子序數大於 93 的元素，比較出名的就是鍀（用於醫療）和鈈（用於核工業）。

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種原子，它們具有相同的質子數，但中子數卻不同。例如原子序數為 1 的氫就有三種同位素，分別是氕（H）、氘（D）、氚（T），它們的原子內都只有一個質子，但分別有 0、1、2 個中子。在自然界，H 占氫元素的 99.98%，D 占 0.016%，T 主要通過人工合成（自然界裡極微量的 T 是宇宙射線與上層大氣間作用，通過核反應生成的）。這三種同位素裡，T 具有放射性。

    碳（C）在自然界有 3 種同位素，它們是 C-12，C-13，C-14，其中 C-14 具有放射性（占碳元素的百萬分之一），可以用來測文物年代。

    鉀（K）在自然界也有 3 種同位素，它們是 K-39，K-40，K-41，其中 K-40 具有放射性（占鉀元素的 0.01%，它是岩石和土壤中天然放射性本底的重要來源之一。

    鈾（U）在自然界同樣有 3 種同位素，它們是 U-234（0.005%），U-235（0.720%），U-238（99.275%），它們都具有放射性。

    同位素分為穩定同位素和放射性同位素，它們按一定的比例在自然界存在。碳和鉀雖然有天然的放射性同位素，但含量極少，所以這兩種元素不被認為是放射性元素。更多的放射性同位素是由人工合成，服務於國防、生產、科研、醫療等領域。

原子彈威力不等同於放射性危害

    很多人對放射性的過度恐懼來自於原子彈，但放射性危害只是原子彈的第三重影響，原子彈最大的破壞力來自於光熱和衝擊波，它們是裂變反應（而非放射性）的結果。當較重的原子核發生裂變時會發生品質虧損，損失的品質按照愛因斯坦的質能方程（E=mc²，能量 = 品質 x 光速的平方）轉換成了巨大的能量。例如，1945 年在日本廣島上空爆炸的原子彈，裂變反應中僅有 1g 的品質轉化成能量，但它的威力卻相當於 16 萬噸黃色炸藥發生爆炸，瞬間摧毀了整個城市，並造成十幾萬人當場死亡。隨之而來的才是漫長的放射性危害，而放射性危害是我們需要深入瞭解的。

 

三種射線

 

 

    放射性物質具有 α 和 β 衰變形式，分別釋放出 α 射線和 β 射線，多餘的能量通過 γ 射線釋放。一般放射性物質衰變的時候，α、β、γ 三種射線同時產生。

    α 射線是氦原子核（兩個質子，兩個中子），帶兩個正電荷；

β 射線的是電子，帶一個負電荷；

γ 射線是是光子（電磁波），只是波長更短，能量更高。

三種射線中以

α 射線的電離能力最強，對人體傷害最大，但其穿透力相當弱，幾釐米的空氣或紙張就能完全擋住 α 射線，更不用說穿透皮膚了；

β 射線電離能力較弱，但具有較好的穿透力，可以被 3mm 的鋁板阻擋；

γ 射線具有極強的穿透力，超過 X 射線，可以穿透幾釐米厚的鉛板，但由於它的電離能力最弱，所以對人體造成的傷害最小。

    α 和 β 射線經過幾英寸的空氣或者普通玻璃就會被阻隔，γ 射線穿透力雖強，但對人體的傷害也最小，所以放射性物質在體外對人造成的危害是相當有限的。

但如果放射性物質進入體內，危害就要大得多，這在後文的“內照射”中將作解釋。有一點要記住，α 射線的內照射是各種放射性危害中最大的。

 

半衰期

    放射性元素的原子在釋放 α、β、γ 射線的同時，會衰變成其它元素，這種衰變有一定的速率。當原子中有半數發生衰變時所需要的時間，叫半衰期。

    在自然界，只有 4 種主要的放射性元素和地球壽命差不多：
    鈾-238：半衰期是 45 億年
    鈾-235：半衰期是 7 億年
    釷-232：半衰期 140 億年
    鉀-40 ：半衰期 12.8 億年

 

    其它天然放射性元素釙、氡（氣體）、鈁、鐳、錒、鏷 都是 鈾-238、鈾-235、釷-232 衰變鏈中的產物。很多放射性元素因為半衰期較短，在自然界幾乎已無存在：例如鈈最穩定的同位素 鈈-244 的半衰期是 8200 萬年，對於 46 億年的地球歷史來說，天然存在的鈈早就減半減半再減半了不知多少次了，幾乎可以說沒有了，更不用說聚集成礦了。所以，放射性礦物不是含鈾就是含釷（鉀-40 只占鉀元素的 0.01%，含量太少了）。

 

    通常來說，半衰期越短的放射性核素，其放射性也越強。釷-232 的半衰期是 140 億年，放射性是 4 種主要放射性元素中最弱的。值得一提的是氡，它是放射性監測的重點對象，因為它是氣體，容易通過呼吸道進入人體，形成內照射。讓人高興的是，氡的半衰期只有 4 天，不用多久它就可以大部分衰變成穩定元素，而不再具有放射性。但危險之處也在此，短半衰期意味著它的放射性更強。

 

    利用放射性核素的半衰期，我們可以做很多事情：
    例如 C-14 測年法：古代生物在活著的時候，不斷從環境攝入 C-14，機體維持著 C-12 和 C-14 的平衡。當生物體死後，新陳代謝停止，體內的 C-14 因為衰變而逐漸減少。由於 C-14 的半衰期是 5730 年，可以根據 C-14 的殘留推算出生物的年代。C-14 只能準確測出 5-6 萬年以內的出土文物或化石，對於例如生活在五十萬年以前的周口店北京猿人，利用 C-14 測年法是無法測定出來的。

    在核醫學臨床應用中使用最廣的核素是 鍀99m，半衰期只有 6.02 小時，射線能量適中，可利用其殺死癌細胞，但又不至於在體內長留。