放射性

放射性

某些物質的原子核能發生衰變,放出我們肉眼看不見也感覺不到的射線,隻能用專門的儀器才能探測到的射線。物質的這種性質叫放射性。

  • 中文名稱
    放射性
  • 定    義
    某些原子核放出射線的性質
  • 作    用
    是原子核的穩定性強弱的體現
  • 實    例
    鈾238等

核素

某些元素的原子通過核衰變自發地放出α射線或β射線(有時還放出γ射線)的性質,稱為放射性。按原子核是否穩定,可把核素分為穩定性核素和放射性核素兩類。一種元素的原子核自發地放出某種射線而轉變成別種元素的原子核的現象,稱作放射性衰變。能發生放射性衰變的核素,稱為放射性核素(或稱放射性同位素)。

日常生活中的輻射劑量日常生活中的輻射劑量

在已發現的100多種元素中,約有2600多種核素。其中穩定性核素僅有280多種,屬于81種元素。放射性核素有2300多種,又可分為天然放射性核素人工放射性核素兩大類。放射性衰變最早是從天然的重元素的放射性而發現的。

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83()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)也具有放射性。

描述

天然存在的某些物質所具有的能自發地放射出α射線或β射線或γ射線的性質,稱為天然放射性

1896年,法國物理學家貝克勒爾在研究鈾鹽的實驗中,首先發現了鈾原子核的天然放射性。在進一步研究中,他發現鈾鹽所放出的這種射線能使空氣電離,也可以穿透黑紙使照相底片感光。他還發現,外界壓強溫度等因素的變化不會對實驗產生任何影響。貝克勒爾的這一發現意義深遠,它使人們對物質的微觀結構有了更新的認識,並由此開啟了原子核物理學的大門。

1898年,居裏夫婦又發現了放射性更強的。由于天然放射性這一劃時代的發現,居裏夫婦和貝克勒爾共同獲得了1903年諾貝爾物理學獎。此後,居裏夫婦繼續研究了在化學和醫學上的套用,並于1902年分離出高純度的金屬鐳。因此,居裏夫人又獲得了1911年諾貝爾化學獎。在貝可勒爾和居裏夫婦等人研究的基礎上,後來又陸續發現了其它元素的許多放射性核素

以上發現,有力地推動了放射性現象的理論研究和實際套用。

分類

如右圖所示:

放射性放射性

危害

在大劑量照射下,放射性對人體和動物存在著某種損害作用。如在400rad【拉德(輻射吸收)】的照射下,受照射的人有5%死亡;若照射650rad,則人100%死亡。照射劑量在150rad以下,死亡率為零,但並非無損害作用,往往需經20年以後,一些症狀才會表現出來。放射性也能損傷劑量單位遺傳物質,主要在于引起基因突變染色體畸變,使一代甚至幾代受害。

放射性物質對人體的傷害放射性物質對人體的傷害

處理方法

放射性廢物中的放射性物質,採用一般的物理、化學及生物學的方法都不能將其消滅或破壞,隻有通過放射性核素的自身衰變才能使放射性衰減到一定的水準。而許多放射性元素半衰期十分長,並且衰變的產物又是新的放射性元素,所以放射性廢物與其它廢物相比在處理和處置上有許多不同之處。

(一)放射性廢水的處理

放射性廢水的處理方法主要有稀釋排放法、放置衰變法、混凝沉降法、離子變換法、蒸發法、瀝青固化法、水泥固化法、塑膠固化法以及玻璃固化法等。

(二)放射性廢氣的處理

放射性固體廢物主要是被放射性物質污染而不能再用的各種物體。

類型

放射性有天然放射性和人工放射性之分。天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性。它們大多屬于由重元素組成的三個放射系(即釷系、鈾系和錒系)。人工放射性是指用核反應的辦法所獲得的放射性。人工放射性最早是在1934年由法國科學家約裏奧-居裏夫婦發現的(見人工放射性核素)。

我們知道,許多天然和人工生產的核素都能自發地放射出射線。放出的射線類型除α、β、γ以外,還有正電子、質子、中子、中微子等其他粒子。能自發地放射出射線的核素,稱為放射性核素(以前常稱為放射性同位素),也叫不穩定核素。實驗表明,溫度、壓力、磁場都不能顯著地影響射線的發射。這是由于溫度等隻能引起核外電子狀態的變化,而放射現象是由原子核內部變化引起的,同核外電子狀態的改變關系很小。除自發裂變外,放射現象一般與衰變過程有關,主要同α衰變β衰變過程有關。

α放射性出現在α衰變過程中。此時,衰變後的剩餘核(通常叫子核)與衰變前的原子核(通常叫母核)相比,原子序數減少2,質量數減少4。α衰變是母核通過強相互作用和隧道效應,發射α粒子而發生的。

β放射性出現在β衰變過程中。β衰變有三種類型:① β衰變,放出正電子和中微子的β衰變;② β衰變,放出電子和反中微子的β衰變;③軌道電子俘獲,俘獲一個軌道電子並放出一個中微子的過程。β衰變是通過弱相互作用而發生的。

γ放射性通常和α衰變或β衰變有聯系。α和β衰變的子核往往處于激發態。處于激發態的原子核要放出γ射線而向較低激發態或基態躍遷,這叫γ躍遷。因此,γ射線的自發放射一般是伴隨α或β射線產生的。

β衰變所形成的子核,當其激發能足夠高時,有可能放射中子、質子或α粒子,甚至可以產生裂變。這些衰變類型分別叫做β緩發中子發射(β-n)、β緩發質子發射(β-p)、β緩發α發射(β-α)和β緩發裂變(β-f)。

自發裂變是放射現象的另一種類型(見核裂變)。某些重核可以自發地分裂成兩個質量相差不多的原子核,並放出幾個中子。

質子放射性也是放射性的一種。例如處于激發態能自發地放射出質子,其衰變方式如下: 這是迄今人們惟一知道的不屬于緩發質子的質子放射性的例子。

衰變類型列表

放射性原子核能以許多不同的形式進行衰變一是自身達到更穩定的狀態。下表中總結了主要的幾種衰變類型。一個質量數A原子序數Z的原子核在表中描述為(A,Z),"子核"一欄以這種描述方式指出母核衰變後產生的子核與母核的不同。例如,(A,?,1,Z)意為"子核質量數比母核少1(即少一個核子),而原子序數比母核多1(即多一個質子)"。

衰變類型

參與的粒子

子核

伴隨核子發射的衰變類型:

α衰變原子核中放射出一個阿爾法粒子(A= 4,Z= 2)的衰變類型(A? 4,Z? 2)

質子發射

原子核中放射出一個質子(p)的衰變類型

(A? 1,Z? 1)

中子發射

原子核中放射出一個中子(n)的衰變類型

(A? 1,Z)

雙質子發射

原子核中同時放射出兩個質子的衰變類型

(A? 2,Z? 2)

自發裂變

原子核自發地分裂成兩個或多個較小的原子核及其他粒子

-

簇衰變

原子核放射出一簇特定類型的較小的原子核或其他粒子(A1,Z1)

(A?A1,Z?Z1)+ (A1,Z1)

各種β衰變類型:

β衰變

原子核中放射出一個電子(e)和一個反電子中微子(νe)的衰變類型

(AZ+ 1)

正電子發射(β衰變)

原子核中放射出一個正電子(e)和一個電子中微子(νe)的衰變類型

(AZ? 1)

電子捕獲

原子核吸收一個軌道電子並放射出一個中微子的衰變類型(衰變後的原子核以不穩定激發態的形式存在)

(AZ? 1)

雙β衰變

原子核放射出兩個電子和兩個反中微子的衰變類型

(AZ+ 2)

雙電子俘獲

原子核吸收兩個軌道電子並放射出兩個中微子的衰變類型(衰變後的原子核以不穩定激發態的形式存在)

(AZ? 2)

伴隨正電子發射的電子俘獲

原子核吸收一個軌道電子,再放射出一個正電子及兩個中微子的衰變類型

(AZ? 2)

雙正電子發射

原子核中放射出兩個正電子和兩個中微子的衰變類型

(AZ? 2)

同種原子核間的轉換:

同質異構轉換

激發態原子核放射出高能光子(γ射線)的衰變類型

(AZ)

內部轉換

激發態原子核將能量轉移至軌道電子上,軌道電子再脫離原子的衰變類型

(AZ)

產生

地球誕生

太空的宇宙射線

人的身體

用途

醫學

X光檢查癌症治療

工業

核能發電

探測焊接點和金屬鑄件的裂縫

工業生產線上的自動品質控製系統

量度電鍍薄膜的厚度

消除靜電

農業

知道肥料吸收流失滅蟲

考古

鑒定古物所屬的年代(放射性定年法)

教育及其他

大氣試爆

電視機

視象顯示器

夜光手表

煙火感應器

螢光指示牌

避雷針

衰變規律

放射性原子核的衰變是一個統計過程,所以放射性原子的數目在衰變時是按指數規律隨時間的增加而減少的,稱為指數衰減規律 。其中No是衰變時間t=0時的放射性核的數目,Nt時刻的放射性核的數目,λ衰變常數,表示放射性物質隨時間衰減快慢的程度。對確定核態的放射性核素,λ是常數,它也表示單位時間該種原子核的衰變幾率。

活度

處于某一特定能態的放射性核在單位時間的衰變數-dN/dt,記作A。由指數衰減規律可以看到,A=-dN/dt=λN

放射性活度的國際單位是貝可勒爾(Bq),它定義為每秒一次衰變,與以往放射性活度的常用單位居裏(Ci)的關系是 1Ci=3.7×10(10)Bq。放射性源的放射性活度同其質量之比,稱為比活度

測量放射性活度的方法取決于射線的類型、活度的等級等,通常分為絕對測量和相對測量兩大類。絕對測量是用測量裝置直接按照定義進行的測量。在實際套用中放射源大多是β或α放射性,活度多數是微居裏級的,這類放射性活度的絕對測量方法主要有小立體角法、4π計數法和符合法等三種。相對測量是用一個已知活度的標準源與待測樣品在相同條件下進行測量,根據它們計數率的比值㎡㎡和標準源的活度即可算出待測源的活度。

半衰期

處于某一特定能態的放射性原子核的數目或活度衰減到原來大小的一半所需的時間,通常用符號T┩表示。

平均壽命指處于某一特定能態的放射性原子核平均生存的時間。

利用指數衰減規律,容易得到半衰期T┩同衰變常數λ或平均壽命τ的關系如下 各種放射性核素的半衰期在極大的範圍變化,一般說來,核素偏離β穩定線越遠(見遠離β穩定線的核素),它的半衰期越短。對于不同範圍的半衰期採取不同方法測量。

對半衰期在10秒到秒範圍的核素,採用直接測量N(t)的方法,利用指數衰減規律求出T┩。對半衰期在數分鍾到1~2年的核素,採用衰減跟蹤法,測量探測器計數率隨時間的變化,求出T┩。對半衰期在10年以上的核素,採用放射性比度法。此外還有測定子核法等,這些方法都基于放射性的指數衰減規律。對于極短的半衰期(小于10秒)的測量,需要採用一些特殊的技術(見核能級壽命測量)。

放射性的研究是十分重要的。基于放射性的研究所建立的衰變綱圖是原子核結構理論研究的重要依據之一。通過各種核態的衰變特徵的測量可研究各種核性質和核反應機製。大量遠離β穩定線的核素就是根據它們的衰變特徵進行鑒定和研究的。

放射性在許多學科的研究中,在工農醫和軍事等部門都有重要套用。例如,在工業中的β射線測厚度和γ射線探傷,農業中的輻照育種和射線刺激生物生長,以及醫學中的射線診斷和放射治療等方面都是富有成效的(見放射性同位素在農業上的套用、核醫學)。放射性測量的同位素示蹤方法和活化分析方法在核技術的套用中也佔有重要位置。

事故

據統計,1944年至1999年間,包括切爾諾貝利核事故在內,全球共發生放射性事故405起,受照射人數3000餘人,導致120人死亡。

放射性事故類型主要分為以下九種。一是反應堆事故,比如1986年前蘇聯的切爾諾貝利核電站事故,核電站的堆芯熔化,發生爆炸,致使放射性物質彌散在空氣中造成嚴重污染。切爾諾貝利事故以後,影響到中國各地牛奶中的碘131含量,從新疆開始污染比較重,一直向東到大連、沈陽。正常情況下,牛奶中是沒有碘131的;二是臨界事故;三是放射源丟失;四是工業源過量照射;五是過量醫學照射;六是運輸中出現事故;七是實驗性事故;八是涉及放射性物質的蓄意行為;九是空氣、水、食品的放射性污染。

根據衛生部衛生法製與監督司、公安部三局2001年聯合撰寫的《全國放射事故案例匯編1988-1998》,中國大陸從1988年至1998年共發生放射性事故332起,受照射總人數966人。放射源丟失事故在所有事故中約佔80%,共發生258起,絕大部分為責任事故,丟失放射源584枚,其中256枚未找回。其中,1990年6月25日,上海第二軍醫大學放射醫學研究室鈷60源室工作人員違章操作,致使7名工作人員遭受大劑量照射,其中兩人分別于照射後第25天和第90天不幸死亡,另外5人也患上了骨髓型放射病。

1992年,山西忻州地區科委搬遷時,將舊址轉讓給當地環境監測站。忻州地區科委曾經引進5個鈷60輻射裝置,用于育種。環境監測站再擴建時,請了山西省環保局處理舊輻射源,但未查清究竟有幾個放射源,導致一個放射源遺留井下,被一位施工民工帶回家。他一個小時內開始頭痛、嘔吐。他的妻子當時已經懷孕了,而他的父親和哥哥也不幸受照射。太原的醫院不知道病因,放射源從他口袋裏掉出來,但沒有人能夠識別放射源。結果,放射源被扔進醫院的垃圾裏。這個過程中,多人受照。所幸放射源最終被找到了。這次事件最終造成3人死亡,10人受傷。

國際原子能機構所記錄的中國較早的放射性事故,發生在1963年的安徽合肥三裏庵。多年不用的農業科研鈷60放射源被放置在河塘邊,一孩童將其帶回家玩耍,致使家人和多位村民受照射,最終造成兩人死亡。

最近幾年,國家核安全局也通報了一些放射性事故。例如,2004年10月21日,山東濟寧一家始建于1994年的私營輻照廠,自行建造的靜態堆碼式鈷60輻照裝置出現故障,放射源未正常回落到井下安全位置,兩名工作人員未經監測進入輻照室工作,受照射時間達10分鍾左右,距離放射源僅0.8米至1.7米。兩人均搶救無效死亡。2008年4月11日,山西省亨澤輻照科技有限公司5名工作人員在未將放射源降至安全位置的情況下,攜帶不能正常使用的劑量儀進入輻照室工作,受到超劑量照射,其中一人經搶救無效死亡,另外4人患上放射病。

上世紀90年代,從每年發生的事故數來看,中國與美國相近,如果將事故數與放射源擁有數結合起來看,中國的事故發生率要高于美國,大約是美國的40倍。

農業、醫療等部門使用的放射源都有登記,歸環保部門管。環保部門每年都管得很嚴,還在全國設立多個培訓中心進行嚴格培訓,但事故還是時有發生。

公眾很關心核電站,但出于安全原因,核電站都有嚴密警衛,普通公眾不能接近。建議核電站設立公眾接待中心,普及核電知識,回答公眾關心的問題,這對解除公眾的心理問題是很必要的。

核電站正常運行情況下,也會有微量放射性核素排出,但都在允許範圍之內。2010年大亞灣核電站2號機組出現的問題,是一根燃料棒的包殼出現了裂紋,導致一回路放射性水準有所升高,採取措施很快恢復了正常。這不能說是事故,應該說是很小的事件,不會造成健康影響。

至于核電站涉及到的排污問題,對在建的核電站都非常重視環保,對周邊水體內的貝類、魚類都有檢測,以檢測核電站水的排放是否達到排放標準。任何大型的工業企業都存在排污問題,核電站也不例外。

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