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放射性核素

放射性核素,也叫不稳定核素,是相对于稳定核素来说的。它是指不稳定的原子核,能自发地放出射线(如α射线、β射线等),通过衰变形成稳定的核素。衰变时放出的能量称为衰变能,衰变到原始数目一半所需要的时间成为衰变半衰期,其范围很广,分布在1015年到10-12之间。

2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考,放射性核素,α粒子、β粒子放射,内部沉积在一类致癌物清单中。 [1]

放射性核素,也叫不稳定核素,是相对于稳定核素来说的。它是指不稳定的原子核,能自发地放出射线(如α射线、β射线等),通过衰变形成稳定的核素。衰变时放出的能量称为衰变能,衰变到原始数目一半所需要的时间成为衰变半衰期,其范围很广,分布在1015年到10-12秒之间。

核素的放射性是由法国物理学家贝克勒尔于1896年在研究物质的荧光时发现的。自然界存在许多种放射性衰变。衰变后中子或质子的数量不同,因此大多衰变后产生了新的元素。最常见的衰变是α衰变、β衰变、γ衰变。这三种衰变中,原子核分别放出α粒子(氦原子核,见图1)、β粒子(电子,见图2)和γ射线(高能光子)。此外,还有电子俘获、自发裂变、质子发射、集团发射等衰变种类。

α粒子是带电粒子,其穿透力最小,一张纸可挡住。β粒子次之,可由铝屏蔽。伽玛射线穿透力强,必须使用比较厚的材料阻挡,例如一层非常厚的铅。

稳定的核素,核内的质子和中子数近似相同,分布在核素图(见图3)的狭长范围内,被称为β稳定线。处于稳定线左侧的放射性核素称为丰质子核素,处于稳定线右侧的放射性核素称为丰中子核素。如果继续远离稳定线,原子核会因为无法束缚住更多的中子或质子而产生破裂,这个极限被称为质子或中子滴线。靠近质子或中子滴线的核素,由于距离稳定线较远,又被称为远离核素。距离稳定线越远的核素,衰变半衰期越短。

相同质子数(又称原子序数)Z,中子数N不同的核素,称为同位素,相同质子数的同位素因其化学性质相同又统称元素;相同中子数N,质子数Z不同的核素,称为同中子素;相同质量数A(A=Z+N),质子数Z不同的核素,称为同量异位素。

原子核的稳定性有其规律。由于核力的原因,原子核的质子和中子数在2、8、20、28、50和82等数值时最为稳定,称为幻数。质子数处于幻数的稳定同位素的个数最多。处于幻数的稳定或放射性核素,相对来说,最不易通过核反应或衰变变成其他核素 [2] 。,

处于远离稳定线的放射性核素,由于其质子和中子数目差异很大,呈现出与稳定核素不同的的新规律,因而成为当今核物理研究的前沿。这些新规律包括原子核存在弥散的边缘、奇异的衰变现象(如双质子或中子发射)和幻数的变化甚至消失等。这些新的规律和性质,也可以应用到核天体物理研究中。

另一个研究前沿是超重元素的合成。科学家通过两个重原子核利用加速器相撞,从其中挑选出来最高质子数的稳定或放射性核素,从而突破了天然核素的疆界。自然界最重的核素的质子数为92个,而科学家已经人工合成到质子数为118的超重元素。可以预见,在将来如果可以合成稳定的超重元素,将使人类找到更多的合成新材料的途径。

天然放射性核素

天然地,地球上有28种化学元素具有放射性,其中有34种放射性同位素是在太阳系形成前就存在的,长寿命的如铀和钍,短寿命的像镭及氡,称为天然放射性。

地球上放射性的来源是原初核合成和其后的各种核燃烧过程的残留物。长寿命的放射性核素存在在自然界岩石中,宇宙射线也会形成自然界中少量的放射性核素。在地壳中核素的衰变对地球内部的热量产生有一定贡献。

放射源是把放射性核素,依照使用量制成片状或柱状的封闭题,便于使用。根据放射性的不同,分为α、β、γ源。中子源可以通过重核素的自发裂变(如 Cf-252中子源)或α源与吸收α粒子释放中子的材料(如 Am-Be 中子源)制成。,

稳定或极长寿命的核素只有不到300个。随着科学的发展,放射性同位素更多通过加速器或反应堆通过核反应合成,已知的放射性核素大约2000多种,理论预言滴线内存在8000种以上放射性核素,称为人工放射性。

目前,大约有200种以上的放射性核素在社会生活的各个方面具有广泛的应用。其应用主要是通过放射源来实现的。

应用范围包括:医学:癌症放疗、放射性药物显影;工业:产品测厚、材料辐照改性等;生活:火灾报警;考古和环境:放射性定年、污染来源检测等;航天和深海探测:同位素电池、同位素热源等。

例如,同位素电池是利用放射性同位素的衰变,如 Pu-238的α衰变产生的热量,经过热电转化,形成电能的装置,在没有太阳光照的环境,如月夜,是非常好的供能装置 [3]


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