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放射性元素

放射性元素(确切地说应为放射性核素)是能够自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线(如α射线、β射线、γ射线等),同时释放出能量,最终衰变形成稳定的元素而停止放射的元素。这种性质称为放射性,这一过程叫做放射性衰变。含有放射性元素(如U、Th、Ra等)的矿物叫做放射性矿物。

不论是东方还是西方,都有一大批人在追求“点石成金”之术,他们妄想把一些普通的矿石变成黄金。当然,这些炼金术之士的希望都破灭了,因为他们不知道一种物质变成另一种物质的根本在于原子核的变化。不过,类似于“点石成金”的事情一直就在自然界中进行着,这就是伴随着天然放射现象发生的“衰变”。

原子核的衰变

原子核放出α粒子或β粒子,由于核电荷数变了,它在周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。我们把这种变化称之为原子核的衰变。铀-238放出一个α粒子后,核的质量数减少4,电荷数减少2,称为新核。这个新核就是钍-234核。这种衰变叫做α衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示:23892U→23490Th+42He。在这个衰变过程中,衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和;衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。

大量观察表明,原子核衰变时电荷数和质量数守恒。在α粒子中,新核的质量数于原来的新核的质量数有什么关系?相对于原来的核在周期表中的位置,23892U在α衰变时产生的23490Th也具有放射性,它能放出一个β粒子而变为23491Pa(镤)。由于电子的质量比核子的质量小得多,因此,我们可以认为电子的质量为零、电荷数为-1、可以把电子表示为0-1e。这样,原子核放出一个电子后,因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒,新核的质量数不会改变但其电荷数应增加1。其衰变方程为:23490Th→23491Pa+0-1e。放出β粒子的衰变叫做β衰变。β衰变的实质在于核内的中子数(10n)转化为了一个质子和一个电子。其转化方程为10n→11H+0-1e,这种转化产生的电子发射到核外,就是β粒子;与此同时,新核少了一个中子,却增加了一个质子。所以,新核质量数不变,而电荷数增加1。2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起,因此在一定的条件下他们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来,于是,放射性元素就发生了α衰变。

原子核的能量也跟原子的能量一样,其变化是不连续的,也只能取一系列不连续的数值,因此也存在着能级,同样是能级越低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时,往往蕴藏在核内的能量会释放出来,使产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,能量以γ光子的形式辐射出来。因此,γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时就会伴随着γ辐射。这时,放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。 [1]

半衰期

放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如,氡-222经过α衰变为钋-218,如果隔一段时间测量一次氡的数量级就会发现,每过3.8天就有一半的氡发生衰变。也就是说,经过第一个3.8天,剩下一半的氡,经过第二个3.8天,剩有1/4的氡;再经过3.8天,剩有1/8的氡。因此,我们可以用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫做这种元素的半衰期。不同的放射性元素,半衰期不同,甚至差别非常大。例如,氡-222衰变为钋-218的时间为3.8天,镭-226衰变为氡-222的时间为1620年,铀-238衰变为钍-234的半衰期竟长达45亿年。衰变是微观世界里原子核的行为,而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观世界是不可预测的”,即对于一个特定的氡原子,我们只知道它发生衰变的概率,而不知道它将何时发生衰变。一个特定的氡核可能在下1s就衰变,也可能在10min内发生衰变,也可能在200万年之后再衰变。然而,量子理论可以对大量原子核的行为做出统计预测。例如,对于大量氡核,可以准确地预言在1s后,10min后,或200万年后,各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期,描述的就是这样的统计规律。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态核外部条件都没有关系。一种放射性元素,不管它是以单质的形式存在,还是与其他元素形成化合物,或者对它施加压力、提高温度,都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度与其他元素的化合等,都不会影响原子核的结构。 [2]

基本概况

硅酸锆是陶瓷生产中不可缺少的原料之一,主要在陶瓷中起增白的作用,其化学式为 ZrSiO4。因其中附
  带有HfO2,因此一般情况下将其通式视为Zr(Hf)SiO4。硅酸锆原砂产地不同,其中的HfO2含量亦不同,正常情况下的含量为0.2~3%,但部分地区出产的锆英砂中HfO2的含量可以达到16%左右,在化学元素周期表中Zr、Hf是同一族元素,化学性质相近。

ZrO2和 HfO2性质接近,两者都可以对光进行反射,从而作为陶瓷材料的乳浊剂。因此,硅酸锆中HfO2作为伴生矿而被算作ZrO2一个成份。理论上硅酸锆中ZrO2和SiO2的含量分别为67.2%和32.8%,但是除了含约1%的铪以外,矿物中通常还含有少量的Th(钍)、U(铀)、Ra( 镭) 、40K( 钾 -40) 、Y( 钇) 、Ca( 钙) 、Mg( 镁) 、Fe( 铁) 、Al( 铝) 、P(磷)和其它微量元素及钍和铀放射生成的衰变变体。 [3]

硅酸锆中的放射性元素及其存在形式

硅酸锆本身没有放射性,其放射性来源主要是锆石的伴生矿独居石 ( La、Ca、Th、U、Ra) PO4和磷钇石( Y、Th、U…) PO4。由于世界各地地矿结构的差异,所产锆石中放射性元素的含量也不同。

上海大学锆材料研究中心曾对我国各地锆英石放射性进行了详细比较,对硅酸锆生产具有参考作用的部分内容见表1。

从表1可以看出:( 1) 澳大利亚艾绿卡公司所产锆英砂放射性相对较低; ( 2) 南非锆英砂中放射性相对稳定,略高于澳砂;( 3) 印尼锆英砂中放射性相对较低,接近于澳大利亚砂;( 4) 越南锆英砂放射性较高;( 5) 海南锆英砂根据矿区的不同有较大差异,但总体偏高。

硅酸锆中安全放射源推定

国内建筑卫生陶瓷GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》中根据陶瓷产品放射性的不同将其分为 A、B、C三类,具体指标如下:

A 类:同时满足 IRa≤1.0,Ir≤1.3

B 类:不满足 A 类要求,但同时满足 IRa≤1.3,Ir≤1.9

C 类:不满足 A、B 类要求,但满足 Ir≤2.8(其中:IRa为内照射指数,Ir为外照射指数)

该标准还规定了这三类材料的具体使用范围 ( 具体内容可参考GB6566-2001的相关规定)。

陶瓷中放射源比较多的几种原料依次为:硅酸锆、长石、石片类硬质粘土,其它硬质粘土( 如叶腊石、焦宝石
  等) 、软质粘土等。软质粘土由于风化时间或地质沉积时间较长,其中的重金属元素和稀土元素含量相对较少,岩石型脉石英矿一般不具备稀土元素贴粘的自然条件,放射性元素较少,而海滨硅砂由于分离不完全,比之脉石英其放射性元素结合量相对较高。


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