放射性元素簡介
放射性元素是指能夠自發地從不穩定原子核內部放出粒子或射線（如α粒子、β射線、γ射線等），
同時釋放出能量，最終形成穩定核素的一類元素，這一過程叫做放射性衰變。
一般原子序數在84以上的元素都具有放射性，原子序數在83以下的某些元素如鍀（Tc）、鉕（Pm）等也具有放射性。
放射性元素分為天然放射性元素和人工放射性元素兩類。
天然放射性元素包括釙（Po）、氡（Ru）、鈁（Fr）、鐳（Ra）、錒（Ac）、釷（Th）、鏷（Pa）和鈾（U）等；
人工合成的放射性元素，如錒系元素中在鈈以後的元素。
自然界存在三個主要天然放射系，分別為鈾系、錒系和釷系，這三個系的“始祖”核素分別為238U、235U和232Th。
由於“始祖”核素的壽命和地球的年齡相近，所以這些核素還沒有完全衰變掉。
系中每一個放射性核素都是由前代的放射性核素通過
α或β衰變產生，最後分別終止於穩定核素206Pb、207Pb和208Pb
。
放射性元素的發現
在近代化學誕生之後相當長的一段時間內，放射性並不為人們所知，放射性元素的發現實際上早於放射性的發現。
1789年德國化學家克拉普羅特發現了鈾。
1828年瑞典化學家貝采利烏斯發現了釷。但在當時，鈾和釷只被看作是一般的重金屬元素。
直到1895年德國物理學家倫琴發現X射線以後，許多科學家都興致勃勃地去研究這類新的、具有巨大穿透能力的輻射現象，放射性才被發現。
1896年法國物理學家貝可勒爾發現了鈾的放射性。
1898年
1899年法國科學家德比埃爾內從鈾礦渣中分離出放射性元素──錒。
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、英國的索迪和克蘭斯頓小組——又從瀝青鈾礦石中分離出第
1937年義大利物理學家佩里埃和塞格雷用迴旋加速器以氘核轟擊鉬發現了第43號元素鍀。
它是第一個用人工方法制得的放射性元素。
放射性元素—自然界平衡系統的一部分
天然放射性元素是構成地球和自然界的組成部分。
在各類岩石、土壤，江河、湖海、大氣中，都有不同數量的放射性元素存在。
其中鈾在地殼中占“克拉克值”平均含量的千分之一。
放射性元素越來越被廣泛利用在許多方面如核電站、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一般不會危害人類健康，而且已經是自然界平衡系統的組成部分，
人類和其他生命在進化過程中，已經適應了這個平衡系統的本底輻射環境。。
常見放射性元素
常見放射性元素及其毒性大小如表1所示，包括天然放射性元素和人工放射性元素。
表1.
常見放射性核素及其簡要特性
下面我們介紹幾種主要的放射性元素。
放射性銫：
銫是一種銀金色的鹼金屬元素，化學符號是Cs，原子序數是55，在1860年由德國化學家本生和基爾霍夫發現。
銫的熔點低，熔點約為28.44°熔化。
在空氣中它容易氧化，可用於製造真空件器、光電管等，在化學上還可用做催化劑。
在核電站的乏燃料（燃燒以後的核燃料）的裂變產物中，長半衰期的銫-137的裂變產額較高，是重要的放射性元素。
銫-137是β-輻射體，但由於其衰變產物137Bam為γ-輻射體，因此銫-137可同時用作β輻射源和γ輻射源，用途廣泛。
目前已發現的銫放射性同位素有34個，由鈾裂變生成的銫重要同位素有銫135、銫137，
其裂變產額分別為6.41％和6.26％，此外銫133也能在裂變中形成，產額為6.76％，吸收中子後形成銫134。
銫-137是裂變產生的最重要的放射性銫同位素，其半衰期約需30年，完全消失則長達3百年。
由於具有放射毒性，一旦環境中的銫-137被人體吸收，就會對人體產生危害。
因此，在核爆炸或者核事故所致的環境污染檢測中，銫-137是重點檢測的放射性元素。
儘管用途廣泛，銫作為γ輻射源的半衰期較長，且易造成擴散，目前銫-137源已逐漸被鈷-60源取代。
放射性碘：
碘也是核電站燃料的主要裂變產物。
已表徵的碘的同位素有37種，其中只有127I 是穩定同位素，其他均為放射性同位素。
壽命最長的放射性碘同位素是129I，半衰期為一千五百多萬年。
由於其半衰期與地球壽命相比很小，碘-129是一種已滅絕的放射性核素，它在太陽系早期的存在可從其子體氙-129的觀測來推斷。
碘-131是核廢料中的主要裂變產物之一，由於碘具有易揮發的特點，在核爆炸及反應堆事故時，它是早期污染環境的主要核素。
碘-131是β衰變核素，發射β射線（99%）和γ射線（1%），半衰期為
8天，用鉛遮罩就可以阻隔其放射線。
在碘的放射性同位素中，碘-131和碘-125是毒性相對較大的放射性核素。
進入血液中的放射性碘，約70%存在在於血漿中，30%很快轉移到體內各組織器官內，且呈高度不均勻分佈，
大部分選擇性地富集於甲狀腺，通常甲狀腺內碘濃度可達血漿濃度的25倍，在供碘不足的情況下其濃度可達到血漿濃度的500倍，
所以，放射性碘對人體的危害主要表現為甲狀腺輻射損傷。
醫學上也正是利用碘在甲狀腺中的富集行為，來利用放射性碘-131治療甲狀腺疾病。
核電站嚴重事故有可能向環境釋放大量放射性碘，但目前已運行的和未來的先進核能循環系統均有較高的安全防護設施，
通常會儘量防止放射性碘排放到環境中。
以美國三裏島事故為例，反應堆核燃料元件熔化導致大量放射性碘元素釋放出來，但均被控制在安全殼內，
只有小量放射性碘由於操作失誤釋放到環境中。
類似日本福島核電站這樣的較大規模放射性元素洩漏事件是較為罕見的，同時，也為將來的核電站設計提出了更高安全性的新要求。
放射性鍶：
放射性鍶的同位素共有27個，其中放射性同位素有19種。鍶-85、鍶-89和鍶-90是具有重要意義的同位素。
鍶的主要放射性同位素及其核性質和產生方式見表2。
裂變產生的有鍶-90（裂變產額約5.90％）、鍶-89
(4.81％)以及質量數為91∼97的放射性鍶，有實際意義的是鍶-89和鍶-90。
放射性鍶可以作為環境放射性污染的重要標誌物：
鍶-90和鍶-89是用來評估核子試驗所致環境污染物的主要核素之一。
鍶-90居於被選物件的首位是因為它在裂變產物中的份額較高、物理半衰期較長、及進入人體後有重要的毒理學意義。
反應堆運行和乏燃料（輻照後的燃料）後處理產生的放射性廢物中含有較多的鍶-90。
鍶-90可作為β輻射源，在軍事，科學研究及醫學上均有重要用途。
鍶-89也可作β放射源。鍶-85則是純γ輻射源，是一種常用的示蹤劑。
動物實驗證明，進入體內的放射性鍶主要造成骨髓造血組織和骨骼的損傷，其隨機性效應主要是骨組織瘤，其次為白血病。
表2.
鍶的主要放射性同位素
放射性氡：
氡是天然放射性惰性氣體（故也稱氡氣），無色無嗅，可溶于水，其化學符號為Rn。
氡有很多放射性同位素，其中半衰期最長的同位素是氡-222（半衰期為3.82天），前面所說的氡通常即是指氡-222。
有人把氡氣比做“無形的殺手”，雖然有些誇大其詞，但氡確實可以對人的健康構成危害。
世界衛生組織已把氡列為19種致癌物質之一，研究表明氡吸入是僅次於吸煙的第二大致肺癌因素。
由於氡-222的放射性子體是固態放射性核素，能在空氣中形成氣溶膠被人吸入。
氡-220是氡的另一種同位素，半衰期為55秒。由於氡-220是釷-222的衰變產物，也把它稱為釷射氣。
在我國，已發現泥土房和窯洞中氡-220的濃度較高。
氡無所不在，遍佈在我們的生活環境之中，而我們需要特別警惕的是室內的氡，因此，氡也稱為居室中的危害氣體。
室內的氡氣可以來自地基下的土壤，也可來自各種建築材料，或來自空氣或用水。
一般地下室、窯洞或土坯房子的氡氣濃度較高，而通風不好也會導致氡氣積累而使濃度升高。
因此，為了減少氡及其子體的危害，要保持室內通風良好。
錒系元素與核燃料：
錒系元素，是元素週期表原子序數為89
∼103的15種化學元素的統稱。
它們化學性質相似，所以單獨組成一個系列，在元素週期表中佔有特殊位置。
前四種元素錒、釷
、鏷、鈾存在於自然界中，其餘11種全部由人工核反應合成。
人工合成的錒系元素中，只有鈈、錼、鋂、鋦等年產量達到公斤級以上，鉲僅為克級。
鎄以後的重錒系元素由於量極微，半衰期很短，僅應用於實驗室條件下研究和鑒定核素性質。
α衰變和自發裂變是錒系元素的重要核特性，隨著原子序數的增大，半衰期依次縮短，
鈾238的半衰期為44.68億年；鐒260的半衰期只有3分鐘。
錒系元素的毒性和輻射（ 特別是吸入人體內的α輻射體 ）的危害較大，
必須在有防護措施的密閉工作箱中操作這些物質。
在核能利用方面，最重要的核素有鈾233、鈾235和239,它們是反應堆、核電站或其他核動力的易裂變燃料。
鈾235在自然界存在，鈾233和鈈
239則分別通過釷232和鈾238俘獲中子等人工核反應生成。
天然鈾有鈾-234、鈾-235和鈾-238三種放射性同位素，按品質計，依次占0.006%、0.714%和99.27%。
若按放射性活度計，則天然鈾中鈾-234和鈾238，所所占份額相近，各約為48.9%，而鈾-235僅占2.2%。
用同位素分離技術可使鈾中的鈾-235的豐度高於其天然鈾中的原有豐度，此過程稱為鈾的富集。
低豐度的鈾可用作核動力堆燃料，而豐度高達90%以上的高濃鈾可用作核武器裝料，
豐度20%以上的高濃度也可用作核爆炸裝置的燃料。
天然鈾中經富集、提取核反應爐和核核武器用的鈾-235後剩餘的副產品—貧鈾，
可作為穿甲彈芯體或γ射線的遮罩材料。
核燃料是指可裂變物質或可以裂變物質。可以發生裂變的物質與這裏提到的可裂變物質不同。
可以發生裂變的物質指的是任何原子核可以發生核裂變的物質，而可裂變物質特指那些能夠俘獲低能量中子發生裂變，
從而具有維持鏈式反應的能力。
例如鈈-239是可裂變物質，而鈈-240只能在快中子的作用下發生裂變，僅僅是可以發生裂變的物質。
因此，可裂變物質是可以發生裂變的物質中的一少部分。
鈾-238是一種典型的可以發生裂變的物質，但是無法維持中子的鏈式反應。
鈾-235裂變產生的中子能量大約是2
MeV（相當於20000
km/s），僅僅有一小部分有足夠的能量使鈾-238發生裂變。
但是氘氚核聚變反應產生的中子的能量達到14.1 MeV （相當於52000 km/s），
可以很有效的使鈾-238和其他不是可裂變物質的超鈾元素發生裂變。
但是鈾-238裂變產生的中子的能量仍然無法使鈾-238發生裂變，因此鈾-238無法維持鏈式反應。
核武器爆炸的第二階段中鈾-238的快速核裂變可以大幅度提升核武器當量，同時也產生了大量的放射性塵埃。
放射性元素氚:
氚是元素氫的一種放射性同位素。可寫為3H，氚還有其專用符號T。
它的原子核由一顆質子和二顆中子組成。在天然氫中，氚的含量為1×10-15％。
1934年，英國盧瑟福等人在加速器上用加速的氘核轟擊氘靶，通過核反應發現氚，
1939年美國科學家阿耳瓦雷等證明氚有放射性。氚會發射β射線而衰變成氦3，半衰期為12.5年。
自然界的氚是宇宙射線與上層大氣間作用，通過核反應生成的。
利用核反應：Li＋n→4He＋3H，然後利用熱擴散法，可使氚富集至99％以上。
氚主要用於熱核武器、科學研究中的標記化合物，製作發光氚管，還可能成為熱核聚變反應的原料。
氚及其標記化合物在軍事、工業、水文、地質，以及各個科學研究領域裏均起著重要的作用；
在生命科學的許多研究工作中，氚標記化合物則是必不可少的研究工具。
例如，酶的作用機理和分析、細胞學、分子生物學、受體結合研究、放射免疫分析、藥物代謝動力學，
以及癌症的診斷和治療等，都離不開氚標記化合物。（中國科學院高能物理研究所
趙宇亮
張智勇
柴之芳）
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