放射性元素

不論是東方還是西方，都有一大批人在追求“點石成金”之術，他們妄想把一些普通的礦石變成黃金。當然，這些鍊金術之士的希望都破滅了，因為他們不知道一種物質變成另一種物質的根本在於原子核的變化。不過，類似於“點石成金”的事情一直就在自然界中進行着，這就是伴隨着天然放射現象發生的“衰變”。

原子核放出α粒子或β粒子，由於核電荷數變了，它在週期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱之為原子核的衰變。鈾-238放出一個α粒子後，核的質量數減少4，電荷數減少2，稱為新核。這個新核就是釷-234核。這種衰變叫做α衰變。這個過程可以用下面的衰變方程表示：²³⁸₉₂U→²³⁴₉₀Th+⁴₂He。在這個衰變過程中，衰變前的質量數等於衰變後的質量數之和；衰變前的電荷數等於衰變後的電荷數之和。

大量觀察表明，原子核衰變時電荷數和質量數守恆。在α粒子中，新核的質量數於原來的新核的質量數有什麼關係？相對於原來的核在週期表中的位置，²³⁸₉₂U在α衰變時產生的²³⁴₉₀Th也具有放射性，它能放出一個β粒子而變為²³⁴₉₁Pa（鏷）。由於電子的質量比核子的質量小得多，因此，我們可以認為電子的質量為零、電荷數為-1、可以把電子表示為⁰_-1e。這樣，原子核放出一個電子後，因為其衰變前後電荷數和質量數都守恆，新核的質量數不會改變但其電荷數應增加1。其衰變方程為：²³⁴₉₀Th→²³⁴₉₁Pa+⁰_-1e。放出β粒子的衰變叫做β衰變。β衰變的實質在於核內的中子數（¹₀n）轉化為了一個質子和一個電子。其轉化方程為¹₀n→¹₁P+⁰_-1e，(n:neutorn中子、p:proton質子)，這種轉化產生的電子發射到核外，就是β粒子；與此同時，新核少了一個中子，卻增加了一個質子。所以，新核質量數不變，而電荷數增加1。2箇中子和2個質子能十分緊密地結合在一起，因此在一定的條件下他們會作為一個整體從較大的原子核中被拋射出來，於是，放射性元素就發生了α衰變。

原子核的能量也跟原子的能量一樣，其變化是不連續的，也只能取一系列不連續的數值，因此也存在着能級，同樣是能級越低越穩定。放射性的原子核在發生α衰變、β衰變時，往往藴藏在核內的能量會釋放出來，使產生的新核處於高能級，這時它要向低能級躍遷，能量以γ光子的形式輻射出來。因此，γ射線經常是伴隨α射線和β射線產生的。當放射性物質連續發生衰變時，原子核中有的發生α衰變，有的發生β衰變，同時就會伴隨着γ輻射。這時，放射性物質發出的射線中就會同時具有α、β和γ三種射線。 ^[1] 

放射性同位素衰變的快慢有一定的規律。例如，氡-222經過α衰變為釙-218，如果隔一段時間測量一次氡的數量級就會發現，每過3.8天就有一半的氡發生衰變。也就是説，經過第一個3.8天，剩下一半的氡，經過第二個3.8天，剩有1/4的氡；再經過3.8天，剩有1/8的氡。因此，我們可以用半衰期來表示放射性元素衰變的快慢。放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間，叫做這種元素的半衰期。不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。例如，氡-222衰變為釙-218的時間為3.8天，鐳-226衰變為氡-222的時間為1620年，鈾-238衰變為釷-234的半衰期竟長達45億年。衰變是微觀世界裏原子核的行為，而微觀世界規律的特徵之一在於“單個的微觀世界是不可預測的”，即對於一個特定的氡原子，我們只知道它發生衰變的概率，而不知道它將何時發生衰變。一個特定的氡核可能在下1s就衰變，也可能在10min內發生衰變，也可能在200萬年之後再衰變。然而，量子理論可以對大量原子核的行為做出統計預測。例如，對於大量氡核，可以準確地預言在1s後，10min後，或200萬年後，各會剩下百分之幾沒有衰變。放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統計規律。放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態核外部條件都沒有關係。一種放射性元素，不管它是以單質的形式存在，還是與其他元素形成化合物，或者對它施加壓力、提高温度，都不能改變它的半衰期。這是因為壓力、温度與其他元素的化合等，都不會影響原子核的結構。 ^[2] 

硅酸鋯是陶瓷生產中不可缺少的原料之一，主要在陶瓷中起增白的作用，其化學式為 ZrSiO₄。因其中附

帶有HfO₂，因此一般情況下將其通式視為Zr(Hf)SiO₄。硅酸鋯原砂產地不同，其中的HfO₂含量亦不同，正常情況下的含量為0.2～3%，但部分地區出產的鋯英砂中HfO₂的含量可以達到16%左右，在化學元素週期表中Zr、Hf是同一族元素，化學性質相近。

ZrO₂和 HfO₂性質接近，兩者都可以對光進行反射，從而作為陶瓷材料的乳濁劑。因此，硅酸鋯中HfO₂作為伴生礦而被算作ZrO₂一個成份。理論上硅酸鋯中ZrO₂和SiO₂的含量分別為67.2%和32.8%，但是除了含約1%的鉿以外，礦物中通常還含有少量的Th(釷)、U(鈾)、Ra( 鐳) 、⁴⁰K( 鉀 -40) 、Y( 釔) 、Ca( 鈣) 、Mg( 鎂) 、Fe( 鐵) 、Al( 鋁) 、P(磷)和其它微量元素及釷和鈾放射生成的衰變變體。 ^[3] 

硅酸鋯中的放射性元素及其存在形式

硅酸鋯本身沒有放射性，其放射性來源主要是鋯石的伴生礦獨居石 ( La、Ca、Th、U、Ra) PO₄和磷釔石( Y、Th、U…) PO₄。由於世界各地地礦結構的差異，所產鋯石中放射性元素的含量也不同。

上海大學鋯材料研究中心曾對我國各地鋯英石放射性進行了詳細比較，對硅酸鋯生產具有參考作用的部分內容見表1。

從表1可以看出：( 1) 澳大利亞艾綠卡公司所產鋯英砂放射性相對較低； ( 2) 南非鋯英砂中放射性相對穩定，略高於澳砂；( 3) 印尼鋯英砂中放射性相對較低，接近於澳大利亞砂；( 4) 越南鋯英砂放射性較高；( 5) 海南鋯英砂根據礦區的不同有較大差異，但總體偏高。

國內建築衞生陶瓷GB6566-2001《建築材料放射性核素限量》中根據陶瓷產品放射性的不同將其分為 A、B、C三類，具體指標如下：

A 類：同時滿足 I_Ra≤1.0，I_r≤1.3

B 類：不滿足 A 類要求，但同時滿足 I_Ra≤1.3，I_r≤1.9

C 類：不滿足 A、B 類要求，但滿足 I_r≤2.8（其中：I_Ra為內照射指數，I_r為外照射指數）

該標準還規定了這三類材料的具體使用範圍 ( 具體內容可參考GB6566-2001的相關規定)。

陶瓷中放射源比較多的幾種原料依次為：硅酸鋯、長石、石片類硬質粘土，其它硬質粘土( 如葉臘石、焦寶石

等) 、軟質粘土等。軟質粘土由於風化時間或地質沉積時間較長，其中的重金屬元素和稀土元素含量相對較少，岩石型脈石英礦一般不具備稀土元素貼粘的自然條件，放射性元素較少，而海濱硅砂由於分離不完全，比之脈石英其放射性元素結合量相對較高。