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放射性

放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线,(如α射线β射线γ射线等)而衰变形成稳定的元素而停止放射(衰变产物),这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数83)或以上的元素都具有放射性,但某些原子序数小于83的元素(如)也具有放射性。

某些元素的原子通过核衰变自发地放出α射线β射线(有时还放出γ射线)的性质,称为放射性。按原子核是否稳定,可把核素分为稳定性核素和放射性核素两类。一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象,称作放射性衰变。能发生放射性衰变的核素,称为放射性核素(或称放射性同位素)

在已发现的100多种元素中,约有2600多种核素。其中稳定性核素仅有280多种,属于81种元素。放射性核素有2300多种,又可分为天然放射性核素人工放射性核素两大类。放射性衰变最早是从天然的重元素的放射性而发现的。

放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线,(如α射线β射线γ射线等)而衰变形成稳定的元素而停止放射(衰变产物),这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数在83()或以上的元素都具有放射性,但某些原子序数小于83的元素(如)也具有放射性。

天然存在的某些物质所具有的能自发地放射出α射线β射线γ射线的性质,称为天然放射性

1896年,法国物理学家贝克勒尔在研究铀盐的实验中,首先发现了铀原子核的天然放射性。在进一步研究中,他发现铀盐所放出的这种射线能使空气电离,也可以穿透黑纸使照相底片感光。他还发现,外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响。贝克勒尔的这一发现意义深远,它使人们对物质的微观结构有了更新的认识,并由此打开了原子核物理学的大门。

1898年,居里夫妇又发现了放射性更强的。由于天然放射性这一划时代的发现,居里夫妇和贝克勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。此后,居里夫妇继续研究了镭在化学和医学上的应用,并于1902年分离出高纯度的金属镭。因此,居里夫人又获得了1911年诺贝尔化学奖。在贝可勒尔和居里夫妇等人研究的基础上,后来又陆续发现了其它元素的许多放射性核素

以上发现,有力地推动了放射性现象的理论研究和实际应用。

如右图所示:

在大剂量的照射下,放射性对人体和动物存在着某种损害作用。如在400rad拉德(辐射吸收)】的照射下,受照射的人有5-死亡;若照射650rad,则人100-死亡。照射剂量在150rad以下,死亡率为零,但并非无损害作用,往往需经20年以后,一些症状才会表现出来。放射性也能损伤剂量单位遗传物质,主要在于引起基因突变染色体畸变,使一代甚至几代受害。

放射性废物中的放射性物质,采用一般的物理、化学及生物学的方法都不能将其消灭或破坏,只有通过放射性核素的自身衰变才能使放射性衰减到一定的水平。而许多放射性元素半衰期十分长,并且衰变的产物又是新的放射性元素,所以放射性废物与其它废物相比在处理和处置上有许多不同之处。

(一)放射性废水的处理

放射性废水的处理方法主要有稀释排放法、放置衰变法、混凝沉降法、离子变换法、蒸发法、沥青固化法、水泥固化法、塑料固化法以及玻璃固化法等。

(二)放射性废气的处理

放射性固体废物主要是被放射性物质污染而不能再用的各种物体。

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。它们大多属于由重元素组成的三个放射系(即钍系、铀系和锕系)。人工放射性是指用核反应的办法所获得的放射性。人工放射性最早是在1934年由法国科学家约里奥-居里夫妇发现的(见人工放射性核素)。

我们知道,许多天然和人工生产的核素都能自发地放射出射线。放出的射线类型除α、β、γ以外,还有正电子、质子、中子、中微子等其他粒子。能自发地放射出射线的核素,称为放射性核素(以前常称为放射性同位素),也叫不稳定核素。实验表明,温度、压力磁场都不能显著地影响射线的发射。这是由于温度等只能引起核外电子状态的变化,而放射现象是由原子核内部变化引起的,同核外电子状态的改变关系很小。除自发裂变外,放射现象一般与衰变过程有关,主要同α衰变β衰变过程有关。

α放射性出现在α衰变过程中。此时,衰变后的剩余核(通常叫子核)与衰变前的原子核(通常叫母核)相比,原子序数减少2,质量数减少4。α衰变是母核通过强相互作用隧道效应,发射α粒子而发生的。

β放射性出现在β衰变过程中。β衰变有三种类型:① β衰变,放出正电子和中微子的β衰变;② β衰变,放出电子和反中微子的β衰变;③轨道电子俘获,俘获一个轨道电子并放出一个中微子的过程。β衰变是通过弱相互作用而发生的。

γ放射性通常和α衰变或β衰变有联系。α和β衰变的子核往往处于激发态。处于激发态的原子核要放出γ射线而向较低激发态或基态跃迁,这叫γ跃迁。因此,γ射线的自发放射一般是伴随α或β射线产生的。

β衰变所形成的子核,当其激发能足够高时,有可能放射中子、质子或α粒子,甚至可以产生裂变。这些衰变类型分别叫做β缓发中子发射(β-n)、β缓发质子发射(β-p)、β缓发α发射(β-α)和β缓发裂变(β-f)。

自发裂变是放射现象的另一种类型(见核裂变)。某些重核可以自发地分裂成两个质量相差不多的原子核,并放出几个中子

质子放射性也是放射性的一种。例如处于激发态能自发地放射出质子,其衰变方式如下: 这是迄今人们惟一知道的不属于缓发质子的质子放射性的例子。

衰变类型列表

放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变一是自身达到更稳定的状态。下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数A原子序数Z的原子核在表中描述为(A,Z),“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如,(A,?,1,Z)意为“子核质量数比母核少1(即少一个核子),而原子序数比母核多1(即多一个质子)”。

衰变类型

参与的粒子

子核

伴随核子发射的衰变类型:

α衰变

原子核中放射出一个阿尔法粒子A= 4,Z= 2)的衰变类型

A? 4,Z? 2)

质子发射

原子核中放射出一个质子(p)的衰变类型

A? 1,Z? 1)

中子发射

原子核中放射出一个中子(n)的衰变类型

A? 1,Z

双质子发射

原子核中同时放射出两个质子的衰变类型

A? 2,Z? 2)

自发裂变

原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子

簇衰变

原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子(A1,Z1)

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

各种β衰变类型:

β衰变

原子核中放射出一个电子(e)和一个反电子中微子(νe)的衰变类型

AZ+ 1)

正电子发射(β衰变

原子核中放射出一个正电子(e)和一个电子中微子(νe)的衰变类型

AZ? 1)

电子捕获

原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在)

(AZ? 1)

双β衰变

原子核放射出两个电子和两个反中微子的衰变类型

AZ+ 2)

双电子俘获

原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子的衰变类型(衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在)

(AZ? 2)

伴随正电子发射的电子俘获

原子核吸收一个轨道电子,再放射出一个正电子及两个中微子的衰变类型

AZ? 2)

双正电子发射

原子核中放射出两个正电子和两个中微子的衰变类型

(AZ? 2)

同种原子核间的转换:

同质异构转换

激发态原子核放射出高能光子γ射线)的衰变类型

AZ

内部转换

激发态原子核将能量转移至轨道电子上,轨道电子再脱离原子的衰变类型

AZ

地球诞生

太空宇宙射线

人的身体

医学

X光检查癌症治疗

核能发电

探测焊接点和金属铸件的裂缝

工业生产线上的自动品质控制系统

量度电镀薄膜的厚度

消除静电

知道肥料的吸收及流失灭虫

鉴定古物所属的年代(放射性定年法)

大气试爆

电视机

视象显示器

夜光手表

感应器

萤光指示牌

避雷针

放射性原子核的衰变是一个统计过程,所以放射性原子的数目在衰变时是按指数规律随时间的增加而减少的,称为指数衰减规律 。其中No是衰变时间t=0时的放射性核的数目,Nt时刻的放射性核的数目,λ衰变常数,表示放射性物质随时间衰减快慢的程度。对确定核态的放射性核素,λ是常数,它也表示单位时间该种原子核的衰变几率。

处于某一特定能态的放射性核在单位时间的衰变数-dN/dt,记作A。由指数衰减规律可以看到,A=-dN/dt=λN

放射性活度的国际单位是贝可勒尔(Bq),它定义为每秒一次衰变,与以往放射性活度的常用单位居里(Ci)的关系是 1Ci=3.7×10(10)Bq。放射性源的放射性活度同其质量之比,称为比活度

测量放射性活度的方法取决于射线的类型、活度的等级等,通常分为绝对测量和相对测量两大类。绝对测量是用测量装置直接按照定义进行的测量。在实际应用中放射源大多是β或α放射性,活度多数是微居里级的,这类放射性活度的绝对测量方法主要有小立体角法、4π计数法和符合法等三种。相对测量是用一个已知活度的标准源与待测样品在相同条件下进行测量,根据它们计数率的比值和标准源的活度即可算出待测源的活度。

处于某一特定能态的放射性原子核的数目或活度衰减到原来大小的一半所需的时间,通常用符号T┩表示。

平均寿命指处于某一特定能态的放射性原子核平均生存的时间。

利用指数衰减规律,容易得到半衰期T┩同衰变常数λ或平均寿命τ的关系如下 各种放射性核素的半衰期在极大的范围变化,一般说来,核素偏离β稳定线越远(见远离β稳定线的核素),它的半衰期越短。对于不同范围的半衰期采取不同方法测量。

对半衰期在10秒到秒范围的核素,采用直接测量N(t)的方法,利用指数衰减规律求出T┩。对半衰期在数分钟到1~2年的核素,采用衰减跟踪法,测量探测器计数率随时间的变化,求出T┩。对半衰期在10年以上的核素,采用放射性比度法。此外还有测定子核法等,这些方法都基于放射性的指数衰减规律。对于极短的半衰期(小于10秒)的测量,需要采用一些特殊的技术(见核能级寿命测量)。

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变纲图是原子核结构理论研究的重要依据之一。通过各种核态的衰变特性的测量可研究各种核性质和核反应机制。大量远离β稳定线的核素就是根据它们的衰变特性进行鉴定和研究的。

放射性在许多学科的研究中,在工农医和军事等部门都有重要应用。例如,在工业中的β射线测厚度和γ射线探伤,农业中的辐照育种和射线刺激生物生长,以及医学中的射线诊断和放射治疗等方面都是富有成效的(见放射性同位素在农业上的应用核医学)。放射性测量同位素示踪方法和活化分析方法在核技术的应用中也占有重要位置。

据统计,1944年至1999年间,包括切尔诺贝利核事故在内,全球共发生放射性事故405起,受照射人数3000余人,导致120人死亡。

放射性事故类型主要分为以下九种。一是反应堆事故,比如1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故,核电站的堆芯熔化,发生爆炸,致使放射性物质弥散在空气中造成严重污染。切尔诺贝利事故以后,影响到中国各地牛奶中的碘131含量,从新疆开始污染比较重,一直向东到大连、沈阳。正常情况下,牛奶中是没有碘131的;二是临界事故;三是放射源丢失;四是工业源过量照射;五是过量医学照射;六是运输中出现事故;七是实验性事故;八是涉及放射性物质的蓄意行为;九是空气、、食品的放射性污染。

根据卫生部卫生法制与监督司、公安部三局2001年联合撰写的《全国放射事故案例汇编1988-1998》,中国大陆从1988年至1998年共发生放射性事故332起,受照射总人数966人。放射源丢失事故在所有事故中约占80-,共发生258起,绝大部分为责任事故,丢失放射源584枚,其中256枚未找回。其中,1990年6月25日,上海第二军医大学放射医学研究室钴60源室工作人员违章操作,致使7名工作人员遭受大剂量照射,其中两人分别于照射后第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,山西忻州地区科委搬迁时,将旧址转让给当地环境监测站。忻州地区科委曾经引进5个60辐射装置,用于育种。环境监测站再扩建时,请了山西省环保局处理旧辐射源,但未查清究竟有几个放射源,导致一个放射源遗留井下,被一位施工民工带回家。他一个小时内开始头痛、呕吐。他的妻子当时已经怀孕了,而他的父亲和哥哥也不幸受照射。太原的医院不知道病因,放射源从他口袋里掉出来,但没有人能够识别放射源。结果,放射源被扔进医院的垃圾里。这个过程中,多人受照。所幸放射源最终被找到了。这次事件最终造成3人死亡,10人受伤。

国际原子能机构所记录的中国较早的放射性事故,发生在1963年的安徽合肥三里庵。多年不用的农业科研钴60放射源被放置在河塘边,一孩童将其带回家玩耍,致使家人和多位村民受照射,最终造成两人死亡。

最近几年,国家核安全局也通报了一些放射性事故。例如,2004年10月21日,山东济宁一家始建于1994年的私营辐照厂,自行建造的静态堆码式钴60辐照装置出现故障,放射源未正常回落到井下安全位置,两名工作人员未经监测进入辐照室工作,受照射时间达10分钟左右,距离放射源仅0.8米至1.7米。两人均抢救无效死亡。2008年4月11日,山西省亨泽辐照科技有限公司5名工作人员在未将放射源降至安全位置的情况下,携带不能正常使用的剂量仪进入辐照室工作,受到超剂量照射,其中一人经抢救无效死亡,另外4人患上放射病。

上世纪90年代,从每年发生的事故数来看,中国与美国相近,如果将事故数与放射源拥有数结合起来看,中国的事故发生率要高于美国,大约是美国的40倍。

农业、医疗等部门使用的放射源都有登记,归环保部门管。环保部门每年都管得很严,还在全国设立多个培训中心进行严格培训,但事故还是时有发生。

公众很关心核电站,但出于安全原因,核电站都有严密警卫,普通公众不能接近。建议核电站设立公众接待中心,普及核电知识,回答公众关心的问题,这对解除公众的心理问题是很必要的。

核电站正常运行情况下,也会有微量放射性核素排出,但都在允许范围之内。2010年大亚湾核电站2号机组出现的问题,是一根燃料棒的包壳出现了裂纹,导致一回路放射性水平有所升高,采取措施很快恢复了正常。这不能说是事故,应该说是很小的事件,不会造成健康影响。

至于核电站涉及到的排污问题,对在建的核电站都非常重视环保,对周边水体内的贝类、鱼类都有检测,以检测核电站水的排放是否达到排放标准。任何大型的工业企业都存在排污问题,核电站也不例外。

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