放射性元素

放射性元素

放射性元素(確切地說應為放射性核素)是能夠自發地從不穩定的原子核內部放出粒子或射線(如α射線β射線γ射線等),同時釋放出能量,最終衰變形成穩定的元素而停止放射的元素。這種性質稱為放射性,這一過程叫做放射性衰變。含有放射性元素(如U、Th、Ra等)的礦物叫做放射性礦物。

​基本簡介

放射性是指元素從不穩定的原子核自發地放出射線,(如α射線、β射線、γ射線等)而衰變形成穩定的元素而停止放射(衰變產物),這種現象稱為放射性。衰變時放出的能量稱為衰變能量。原子序數在83(鉍)或以上的元素都具有放射性,但某些原子序數小于83的元素(如鍀)也具有放射性。而有趣的是,從原子序93開始一直到鉳元素都有一個共同特徵:原子序是偶數的,半衰期都特別長。

發現歷程

放射性元素在發出射線的過程中會轉變為另一種元素,這一現象是居裏夫人在無意中發現的。有一次,居裏夫人和她的丈夫為了弄清一批瀝青鈾礦樣品中是否含有值得加以提煉的鈾,對其中的含鈾量進行了測定,但他們驚訝地發現,有幾塊樣品的放射性甚至比純鈾的放射性還要大。這就很明顯地意味著,在這些瀝青鈾礦石中一定還含有別的放射性元素。同時,這些未知的放射性元素一定是非常少的,因為用普通的化學分析方法不能把它們檢測出來。居裏夫婦帶著十分激動的心情,搞到了幾噸瀝青鈾礦,他們在一個很小的木棚裏建了一個作坊,在很原始的條件下以極大的毅力在這些很重的黑色礦石中尋找這些痕量的新元素。1898年7月,他們終于分離出極小量的黑色粉末,這些黑色粉末的放射性比同等數量的鈾強400倍。這些黑色粉末含有一種在化學性質上和碲很相似的新元素,因此,它在周期表中的位置似乎應該處在碲的下面。居裏夫婦把這個元素定名為釙,以紀念居裏的祖國波蘭。但是釙隻是使她們的黑色樣品具有這樣強的放射性的部分原因。因此,她們又把這項工作繼續進行下去,到1898年12月,居裏夫婦又提煉出一些放射性此釙還要強的東西,其中含有另一種在化學特徵上和鋇很相似的元素,居裏夫婦把它定名為鐳,意思是“射線”。居裏夫婦為了收集足夠多的純鐳以便對它進行研究,又進行了四年的工作。居裏夫人在1903年就她所進行的研究寫了一個提要,作為她的博士論文。這也許是科學史上最出色的博士論文,它使她兩次獲得了諾貝爾獎金。居裏夫人和她的丈夫以及貝克勒爾因在放射性方面的研究而獲得了1903年的諾貝爾物理學獎,1911年,居裏夫人因為她在發現釙和鐳方面立下的功績而單獨獲得了諾貝爾化學獎。釙和鐳遠比鈾和釷不穩定,換句話說,前者的放射性遠比後者顯著,每秒鍾有更多的原子發生衰變。它們的壽命非常之短,因此,實際上宇宙中所有的釙和鐳都應當在一百萬年左右的時間內全部消失。那麽,為什麽我們還能在這個已經有幾十億歲的地球上發現它們呢,這是因為在鈾和釷衰變為鉛的過程中會繼續不斷地形成和釙。凡是能找到鈾和釷的地方,就一定能找到痕量的釙和鐳。它們是鈾和釷衰變為鉛的過程中的中間產物在鈾和釷衰變為鉛的過程中還形成另外三種不穩定元素,它們有的是通過對瀝青鈾礦的細致分析而被發現的,有的則是通過對放射性物質的深入研究而被發現的。

放射性元素

1899年,德比埃爾內根據居裏夫婦的建議,在瀝青鈾礦石中繼續尋找其他放射性元素,終于發現了被他定名為錒的元素,這個元素後來被列為第89號元素;1900年,德國物理學家多恩指出,當鐳發生衰變時,會生成一種氣態元素。放射性氣體在當時是一種新鮮的東西,這個元素後來被命名為氡,並被列為第86號元素;最後,到1917年,兩個研究小組——德國的哈恩和梅特涅小組、英國索迪克蘭斯頓小組——又從瀝青鈾礦石中分離出第9l號元素——鏷。到1925年為止,已被確認的元素總共巳達八十八種,其中有八十一種是穩定的,七種是不穩定的。這樣一來,努力找出尚未發現的四種元素(即第43,61,85,87號元素)就成為科學家們的迫切願望了。由于在所有已知元素中,從第84到92號都是放射性元素,因此,可以很有把握地預測第85和87號元素也應該是放射性元素。另一方面,由于第43號和第61號元素的上下左右都是穩定元素,所以似乎沒有任何理由認為它們不是穩定元素。因此,它們應該可以在自然界中找到。由于第43號元素在周期表中正好處在錸的上面,人們預料它和錸具有相似的化學特徵,而且可以在同一種礦石中找到。事實上,發現錸的研究小組認為,他們肯定已測出了波長相當于第43號元素的X射線。因此,他們宣稱第43號元素已被發現。但是他們的鑒定並沒有得到別人的肯定。在科學上,任何一項發現至少也應該被另一位研究者所證實,否則就不能算是一項發現。

放射性元素

1926年,伊利諾斯大學的兩個化學家宜稱他們已在含有第60號和第62號元素的礦石中找到了第61號元素。同年,翡冷翠大學的兩個義大利化學家也以為他們已經分離出第61號元素。但是這兩組化學家的工作都沒有得到別的化學家的證實。幾年以後,亞拉巴馬工藝學院的一位物理學家報道說,他已用他親自設計的一種新的分析方法找到了痕量的第87號和第85號元素,但是這兩項發現也都沒有得到證實。後來發生的一些事情表明,第43,61,85和87號元素的所謂“發現”,隻不過是這幾位化學家在工作中犯了這樣或那樣的錯誤罷了。

在這四種元素當中,首先被確定無疑地證認出來的是第43號元素。曾經因發明回旋加速器而獲得諾貝爾物理學獎的美國物理學家勞倫斯,通過用高速粒子轟擊第42號元素鉬的方法,在他的加速器中產生了第43號元素。被轟擊過的材料變成了放射性的物質,勞倫斯便把這些放射性物質送到義大利化學家賽格雷那裏去進行分析,因為賽格雷對第43號元素的問題很感興趣。賽格雷和他的同事佩列爾把有放射性的那部分物質從鉬中分離出來以後,發現它在化學特徵上和錸很相似,但又不是錸。因此他們斷言,它隻能是第43號元素,並指出它和周期表中與之相鄰的元素有所不同,是一種放射性元素。由于它不能作為第44號元素的衰變產物而不斷產生出來,所以事實上它在地殼中已不復存在。賽格雷和佩列爾就這樣終于取得了命名第43號元素的權利,他們把它定名為鍀,這是世界上第一個人工合成的元素。

1939年,第87號元素終于在自然界中被發現了。法國化學家佩雷在鈾的衰變產物中把它分離了出來。由于它的存在量極小,所以隻有在技術上得到改進以後,人們才能在以前未能找到它的地方把它找田來。佩雷後來把這個新發現的元素命名為鈁。第85號元素和鍀一樣,是在回旋加速器中通過對第83號元素鉍進行轟擊而得到的。1940年,賽格雷、科森和肯齊在加利福尼亞大學分離出第85號元素。第二次世界大戰中斷了他們在這個元素方面所進行的工作,戰後他們又重新進行,並在1947年提出把這個元素命名為砹。與此同時,第四個也是最後一個尚未被發現的元素,第61號元素也在鈾的裂變產物中發現了。橡樹嶺國立實驗室的馬林斯基、格倫丁寧和科裏爾這三位化學家在1945年分離出第61號元素,他們把它命名為鉕。這樣,元素一覽表,從第1號至92號,終于全部齊全了。但是,從某種意義上說,向元素進軍的最艱巨歷程才剛剛開始,因為科學工作者已經突破了周期表的邊界。原來,鈾並不是周期表中最後一個元素。

放射性元素

相關危害

α、β、γ三種射線  

地球上的一切自然物質中都含有不同數量的放射性元素,整個地球、乃至整個宇宙的一切自然物質,實際上都是由103種天然元素(不包括人造元素)組成的。在103種天然元素中,有一族元素具有放射性特點,被稱為“放射性元素族”,所謂“”放射性元素“,是指這些元素的原子核不穩定,在自然界的自然狀態下不斷地進行核衰變,在衰變過程中放射出αβγ三種射線和有放射性特點的隋性氣體氡氣。其中的α射線(粒子)實際上是氦(He)元素的原子核,由于它質量大、電離能力強和高速的旋轉運行,所以是造成對人體內照射危害的主要射線;β射線是負電荷電子流;γ射線是類似于醫療透視用的X射線一樣和波長很短的電磁波,由于它的穿透力很強,所以是造成人體外照射傷害的主要射線;由衰變而產生的氡(Rn)氣是自然界中仍具有放射性特點的惰性氣體,由于它還要繼續衰變,因此被吸入肺部後,容易造成對人體內照射(特別是對肺)的傷害。

放射性元素

β射線速度接近光速,α射線(粒子)速度大約是光速的十分之一,電離強度是α、β、γ中最強的,但穿透性最弱,隻釋放出α粒子放射性同位素在人體外部不構成危險。然而,釋放α粒子的物質(鐳、鈾等等)一旦被吸入或註入,那將是十分危險。它就能直接破壞內髒的細胞。γ是光子,沒有靜止質量,比X射線的穿透力強,要是被照射,時間長了,對人的健康危害很大。

另電離程度α>;β>;γ,貫穿程度α<;β<;γ。

放射性元素——自然界平衡系統的一部分  

在天然“放射性元素”中,人們常聽說的放射能量最大的是鈾(U)、釷(Th)和鐳(Ra),其次有鉀-40(40K),銣(Rb)和銫(Cs)。這6種天然放射性元素是構成地球和宇宙自然界一切物質的組成部分(當然很微量),無論是在各類岩石和土壤中,還是在一切江河湖海的水中和大氣中,都有不同數量的放射元素存在。其中鈾在地殼中佔“克拉克值”平均含量的千分之一。這就是說,我們人類和一切生命所賴以地球的成份中本來就始終存在著天然的放射性物質。但是它不但沒有阻擋住萬物的生存發展和人類的繁衍生息,反而使放射性元素越來越被廣泛利用在許多方面(原子核電站、空間技術、醫療技術、同位素技術等)為人類服務。自然界天然存在的低濃度的放射性輻射不但不會危害人類健康,而且已經是自然界平衡系統的組成部分,人類和一切生命已經完全適應了這個平衡系統的生存環境,如果破壞了這個平衡系統,可能反而對人類帶來不利的影響。了解這些概念,就知道自然界本來就存在的放射性輻射並不可怕,隻要我們能夠正確地認識它的基礎上科學的套用它,就絕不會造成對人民身心健康的傷害。

⒈無論是各類岩石天然石材)中,還是土壤和海水中,普遍都存在不同數量的(但都是微量或很微量的)放射性元素。

⒉由水成(沉積)生成的大理石類和板石類中的放射性元素含量,一般都低于地殼平均值的含量(其中隻有少量的黑色板石可能高于地殼平均值);

⒊在火成岩花崗岩類裝飾石材中的“花崗石”一詞是商業術語,它包括了地質學中的全部火成岩,包括花崗岩類、閃長岩類,玄武岩類、輝長岩類等和有裝飾性能特點的變質岩,如,片麻狀花崗岩、花崗片麻岩等),暗色系列的(包括黑列)花崗岩和“淺色系列”中的灰色系列花崗岩,其放射性元素含量也都低于地殼平均值有含量;

⒋隻有“淺色系列”中的真正的花崗岩類和由火成岩變質形成的片麻狀花崗岩及花崗片麻岩等(包括白色系列、紅色系列、淺色的綠色系列和花斑色系列),其放射性元素含量稍高于地殼平均值的含量。在全部天然裝飾石材中,大理石類、絕大多數的板石類、暗色系列(包括黑色、藍色、暗色中的綠色)和灰色系列的花崗岩類,其放射性強度小,即使不進行任何檢測也能確認是“A類”產品,可以放心大膽的用在家庭室內裝修和任何場合中。

對于淺色系列中的白色紅色、綠色和花斑色系列的花崗岩,也不能籠統地認為放射性輻射強度都大,而是隻有在以下幾種情況下,其放射性輻射強度才有可能偏大:

⑴白色花崗岩類主要是花崗岩類中的白崗岩

白崗岩是地下岩漿冷凝的後期階段生成的,它的主要成分是二氧化矽(Sio2,即石英),在岩石中高達73—77%。這種岩石生成的階段(即岩漿冷凝的後期階段)恰好也是地下岩漿中的鈾、釷、銣、鉀等放射性元素相對聚集的階段。由于一切元素(包括放射性元素)在地球中的分布都是極不均勻的,如果恰好遇到某一地區的放射性元素分布相對稍多(地質上稱為“本底偏高”)時,那麽這個地區出產的白崗岩的放射性輻射強度就有可能偏大。

⑵紅色花崗岩類

含鉀的礦物鉀長石是紅色花崗岩的主要成分,而鉀元素中的同位素鉀-40(40K)本身就是放射性元素。所以含鉀礦物質(呈淺粉色、粉紅色等)越多,其輻射強度有可能越偏高(大)。此外,在紅色花崗岩類中,包括了片麻狀花崗岩和花崗片麻岩。這種在距今二三十億年前生成的古老岩石中,不僅含鉀長石多,而且有時還含一種顏色美麗的(紫紅色、醬紅色、紫色等)特殊礦物質——鋯石(ZrSiO4)。鋯石礦物質中常混有鈾、釷等放射性元素,從而使花崗岩的紅色更加鮮艷華貴的同時,隨之也提高了輻射強度,這就是著名的“印度紅”和“南非紅”輻射強度偏大(高)的原因所在。 

⑶淺色系列的綠色花崗岩

有時含一種顏色鮮艷美麗和綠色、翠綠色、蘭綠色的特殊礦物質——天河石。天河石本身就是由弱放射性元素鉀、銣、銫組成的〖(K,Rb,Cs)(AlSi3O8)〗,因此含有這種礦物質的名貴的綠色花崗岩,其輻射強度可能偏大。

⑷花斑系列的花崗岩

由于常有含鉀的礦物質和石英等其它礦物質組成的“大斑晶”,構成漂亮的斑狀花崗岩,所以其輻射強度也有可能偏大。由上述可知,在全部淺色系列的花崗岩中,隻有“本底偏高”地區的白崗岩、含鉀長石礦物質多(特別是含鉀-40同位素多)的花崗岩、含鋯石礦物質(古老)變質岩和含天河石礦物質的花崗岩,才有可能形成放射性輻射強度偏大和可能有一定的現象。而這一部分花崗岩在全淺色系列的花崗岩中所佔的數量是比較少的(約佔20%—25%),所以對大部分淺色花崗岩仍可放心大膽的使用。那麽為什麽少量黑色板石的放射性輻射強度也有可能偏大(偏高)呢?這是因為,板石類石材都是由江、河、湖泊、海洋中沉積的泥質岩石變化(地質上稱為“變質”)而成的,其中的黑色板石中含有較多的碳質成份。泥質和碳質在水下沉淀時都有較強的吸附力和粘接力,能夠把水中的放射性物質和各種雜質都吸附到泥質和碳質中沉積下來,從而造成了有些黑色板石的輻射強度可能偏大。

輻射強度

1、白色花崗岩類主要是花崗岩類中的白崗岩。

白崗岩是地下岩漿冷凝的後期階段生成的,它的主要萬分是二氧化矽(SiO2,即石英),在岩石中高達73—77%。這種岩石生成的階段(即岩漿冷凝的後期階段)恰好也是地下岩漿中的鈾、釷、銣、鉀等放射性元素相對聚集的階段。由于一切元素(包括放射性元素)在地球中的分布都是極不均勻的,如果恰好遇到某一地區的放射性元素分布相對稍多(地質上稱為“本底偏高”)時,那麽這個地區出產的白崗岩的放射性輻射強度就有可能偏大。

2、紅色花崗岩類

含鉀的礦物鉀長石是紅色花崗岩的主要成分,而鉀元素中的同位素鉀-40(40K)本身就是放射性元素。所以含鉀礦物質(呈淺粉色、粉紅色等)越多,其輻射強度有可能越偏高(大)。此外,在紅色花崗岩類中,包括了片麻狀花崗岩和花崗片麻岩。這種在距今二三十億年前生成的古老岩石中,不僅含鉀長石多,而且有時還含一種顏色美麗的(紫紅色、醬紅色、紫色等)特殊礦物質——鋯石(ZrSiO4)。鋯石礦物質中常混有鈾、釷等放射性元素,從而使花崗岩的紅色更加鮮艷華貴的同時,隨之也提高了輻射強度,這就是著名的“印度紅”和“南非紅”輻射強度偏大(高)的原因所在。

3、淺色系列的綠色花崗岩

有時含一種顏色鮮艷美麗和綠色、翠綠色、蘭綠色的特殊礦物質——天河石。天河石本身就是由弱放射性元素鉀、銣、銫組成的〖(K,Rb,Cs)(AlSi3O8)〗,因此含有這種礦物質的名貴的綠色花崗岩,其輻射強度可能偏大。

4、花斑系列的花崗岩  

由于常有含鉀的礦物質和石英等其它礦物質組成的“大斑晶”,構成漂亮的斑狀花崗岩,所以其輻射強度也有可能偏大。由上述可知,在全部淺色系列的花崗岩中,隻有“本底偏高”地區的白崗岩、含鉀長石礦物質多(特別是含鉀-40同位素多)的花崗岩、含鋯石礦物質(古老)變質岩和含天河石礦物質的花崗岩,才有可能形成放射性輻射強度偏大和可能有一定的現象。而這一部分花崗岩在全淺色系列的花崗岩中所佔的數量是比較少的(約佔20%—25%),所以對大部分淺色花崗岩仍可放心大膽的使用。那麽為什麽少量黑色板石的放射性輻射強度也有可能偏大(偏高)呢?這是因為,板石類石材都是由江、河、湖泊、海洋中沉積的泥質岩石變化(地質上稱為“變質”)而成的,其中的黑色板石中含有較多的碳質成份。泥質和碳質在水下沉淀時都有較強的吸附力和粘接力,能夠把水中的放射性物質和各種雜質都吸附到泥質和碳質中沉積下來,從而造成了有些黑色板石的輻射強度可能偏大。

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