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放射性同位素

鎖定
原子有穩定和不穩定兩種。不穩定的原子除天然元素外,主要由核裂變或核聚變程中產生碎片形成。這些不穩定的元素在放出α、β、γ等射線後,會轉變成穩定的原子。這種不穩定的元素就稱為放射性同位素。根據放射性同位素衰變過程放出的射線(或稱輻射)的不同,放射性衰變有α、β、γ衰變三大類。放射性同位素技術已經廣泛用過國民經濟的眾多領域,並取得了顯著經濟效益。 [1-2] 
中文名
放射性同位素 [3] 
外文名
Radioactive isotope [3] 
特    點
元素具有放射性、可標記 [2] 
衰變類型
α、β、γ衰變 [3] 
用    途
示蹤原子、放射射線等應用 [2] 
衰變系列
鈾系列、釷系列和錒系列 [3] 

放射性同位素定義

元素的原子原子核電子構成,而原子核又由質子中子組成。同種元素具有相同的質子數,但可以有不同的中子數,這種具有相同的質子數而具有不同的中子數的元素叫同位素。其中有一些同位素的原子核能自發地發射出粒子射線,釋放出一定的能量,同時質子數或中子數發生變化,從而轉變成另一種元素的原子核。元素的這種特性叫放射性,這樣的過程叫放射性衰變,這些元素叫放射性元素。具有放射性的同位素叫放射性同位素。發生放射性衰變的元素稱為母體,由放射性衰變形成的元素稱為子體。 [3] 

放射性同位素衰變類型

根據放射性元素釋放或吸收的粒子或射線,可將放射性衰變劃分為以下幾個類型: [3] 
(1)α衰變:放射性元素自發地釋放出α粒子的衰變過程叫α 衰變。α粒子質量數為4,由2個質子和2箇中子組成,是原子序數為2的高速運動的氦原子。高速運動着的α 粒子流就是α 射線。經過α衰變形成的放射性元素與其母體相比質量數減4,原子序數降低2位。其衰變過程如下: [3] 
例如,-238(
)經α衰變後生成-234(
),-226(
)經α衰變後生成-222(
[3] 
(2)β衰變:放射性元素自發地使核內一箇中子轉變為質子,釋放出β 粒子的衰變過程叫β 衰變。β粒子的質量與電荷均與電子相同,其實質就是一個高速運動的電子。高速運動着的β 粒子流就是β 射線。β 射線具有比α 射線高得多的穿透能力。經過β 衰變形成的放射性元素與其母體相比質量數不變,但原子序數增加1位。其衰變過程如下: [3] 
例如,-214(
)經β 衰變後生成-214(
),鉍-214(
)經β 衰變後生成釙-214(
[3] 
(3)電子俘獲:放射性元素自發地俘獲一個核外軌道電子,使核內一個質子變為中子的衰變過程叫電子俘獲。經過電子俘獲形成的放射性元素與其母體相比質量數不變,但原子序數減少1位。其衰變過程如下: [3] 
例如,鉀-40(
)俘獲後生成-40(
)。 [3] 
(4)同質異能γ 躍遷。通常α 衰變或β 衰變形成的新原子核處於不穩定的激發態,但這個時間很短(約10-13s),很快躍遷到較低能級基態,並釋放出γ 射線(y 射線是一種波長很短的電磁波,具有穿透能力)。這種現象僅發生能級躍遷,而核的質量數和原子序數都不變,所以不產生新的元素。但有些原子核的激發態存在時間較長,可以作為獨立的放射性核素,這種通過γ 躍遷形成的子體與母體稱為同質異能素 [3] 

放射性同位素衰變規律

放射性元素最基本的特徵是不斷髮生同位素衰變,而衰變的結果是放射性同位素母體的數目不斷減少,但其子體的原子數目將不斷增加。由於放射性同位素的衰變不受外界温度、壓力或化學條件控制,其衰變速率的大小完全是每種放射性元素的固有特性,發生衰變的原子數目僅與時間有關如果起始時刻放射性元素母體的數目為N,經過一段時間dt後,已經發生衰變的放射性元素數目dN與剩餘尚未衰變的母體數目N和dt的乘積呈正比,即 [3] 
寫成等式: [3] 
對上式進行積分可得 [3] 
式中:λ 為每個放射性元素原子在單位時間內的衰變幾率,又叫衰變常數;N0為開始時(t=0)放射性元素原子個數;N為經過時間t後剩餘的原子個數。 [3] 
該式説明放射性同位素總原子數隨着時間的減少服從於指數定律。這是放射性衰變基本定律,也是放射性同位素測年的基本公式。不同放射性元素的衰變速率相差很大,衰變常數越大,元素衰變得越快,並且衰變速度在整個衰變時間內並不是保持不變的,而是隨着時間的增長而降低,但每個放射性元素的衰變常數是一定的。 [3] 
當放射性元素原子數衰變減少到原來的一半(N=1/2N0)時所經歷的時間(T)稱為半衰期 [3] 
每個放射性元素都有固定的半衰期,如238U的半衰期為4.468×109 a,232Th的半衰期為1.41×1010a(141億年),稱為長壽命元素。一般認為放射性元素經歷10個半衰期後就已經完全衰變。 [3] 
放射性同位素不斷地衰變,它在單位時間內發生衰變的原子數目稱為放射性強度,也可理解為放射性活度。放射性強度的常用單位是居里,表示在1s內發生3.7×1010次核衰變,符號為Ci。除居里外,過去常用的單位還有dps和dpm。其中,dps表示每秒鐘放射性元素衰變的次數:dpm表示每分鐘衰變的次數。 [3] 

放射性同位素衰變系列

自然界中已發現230多種天然放射性元素,其中絕大多數經一次核衰變後就形成穩定核素,如40K、14C,但有部分放射性元素衰變後所形成的元素仍然是放射性元素,這樣的元素大約有50個,並形成3個互不相干的放射性系列,即系列、系列和(鈾)系列。 [3] 

放射性同位素應用

放射性同位素技術已廣泛應用於國民經濟的許多領域,在工業、農業、醫學、資源環境、軍事科研諸多領域的應用已獲得了顯著的經濟效益、社會效益、環境效益,也是核能利用的重要方面之一。 [2] 

放射性同位素示蹤原子

將一種穩定的化學元素和它的具有放射性的同位素混合在一起,當它們參與各種系統的運動和變化時,由於放射性同位素能發出射線,測量這些射線便可確定其位置與數量。只要測出了放射性同位素的分佈和動向,就能確定穩定化學元素的各種作用。這種方法稱為示蹤原子方法,應用很廣泛。 [2] 
(1)在石油工業上的應用。將含放射性γ 射線的物質壓人井的管外通道或進入地層,或進入射孔孔道附近的地層面上,在此前後分別進行γ 測井,對比所測得的兩條曲線就能知道注入的示蹤劑沿井剖面的分佈。若由於固井質量差或由於射孔及其他工程施工使水泥環破裂,造成層間串通,則對採油和注水均有不良影響,應及時測定並採取堵串措施。放射性示蹤法是檢查串槽的有效方法之一。當層間串槽、誤射孔等需封堵時,也可用放射性示蹤劑檢查封堵效果。低滲透率地層經壓裂後能增加產量,示蹤測井能檢查壓裂效果。 [2] 
(2)在機械工業上的應用。在機械工程中,有的機體當磨損超過一定限度時會發生危險。可以在離機件表面某一規定深度處安置一些放射性物質,當機件磨損到該處時,在被潤滑油帶走的磨屑中便會出現放射性物質,從而可以採取相應措施。 [2] 
(3)在電子工業上的應用。在半導體元件製造工藝上,可用示蹤原子的方法研究雜質在半導體中的擴散情況。例如,將放射性鋅擴散到半導體中,然後逐層磨下,測量其放射性強度,就可知道擴散進去的鋅在鍺中的分佈規律。 [2] 
(4)在農業上的應用。可用示蹤原子研究施肥的效果。例如,將含有放射性磷的肥料施在成熟期的棉花根部,測量後發現在棉株中的放射性很少,這説明在棉桃成熟期時根部很少吸收肥料;若將磷肥灑在葉子上,則很快在棉株中找到放射性磷,這説明葉子能吸收肥料,且效果更佳。 [2] 

放射性同位素放射性射線

放射性射線的應用主要是: [2] 
(l)射線探測。將γ射線透過樣品,若樣品中有砂眼或裂痕,則射線在該處的吸收就減小,因此在樣品後面放上照相底片,顯影后的底片上將留下相應的痕跡。另外,射線通過物質時都按照一定的規律被物質吸收或散射,這樣就可測量物體的密度及厚度等。在石油勘探方面,應用γ射線等可研究地層的性質,求出泥質含量,區分巖性,測定岩層中的孔隙度,找出生油層、儲油層。 [2] 
(2)在醫療上的應用。放射性射線可使癌腫的組織受到破壞,抑制癌腫的發展,利用它還可消毒殺菌、人體內部透視等。 [2] 
(3)在農業上的應用。種子經過射線適當照射後,可刺激生長髮育,使農作物提早成熟,增加產量,培育新品種。目前我國已開展推廣稀土農用技術,並獲得了很好的經濟效益。 [2] 
(4)在化工和其他方面的應用。例如,應用輻射化學進行乳汁融合來生產黏合劑;將核輻射技術用於印染助劑。射線穿過物質時能使物質的分子電離,利用它可使空氣電離,獲得導電能力,從而消除有害的靜電積累。 [2] 

放射性同位素應用領域

對於岩石年齡的測量,科學家一般採用同位素測年法,即利用放射性元素核衰變規律測定地質體的年齡。“當岩石和礦物中含有的放射性同位素物質形成後,與周圍環境隔絕的放射性同位素(母體)不斷地衰變而減少,衰變產生的穩定同位素(子體)在該物體中相應積累而增加。” [4] 
核技術應用,是利用放射性同位素和電離輻射與物質相互作用所產生的物理、化學及生物效應來進行應用研究與開發的技術。在環保、材料和食品加工方面,都有廣闊的應用前景。 [5] 

放射性同位素防護

1.放射性同位素與射線裝置使用場所必須設置防護設施。其入口處必須設置放射性標誌和必要的防護安全連鎖、報警裝置或工作信號。 [6] 
2.單位必須設專人對放射源和射線裝置進行管理,定期檢查、維修並做書面記錄。放射源和儀器、設備發生故障時,應由專人處理。 [6] 
3.放射性同位素與射線裝置的使用單位必須嚴格按照安全操作規程進行操作,嚴格控制照射劑量,防止對人體造成傷害,避免放射事故的發生。 [6] 
4.放射性同位素和放射源的使用單位須設置專用源庫,嚴格管理,防止泄漏、丟失。建立健全保管、領用、返還登記制度;配備必要的防護檢測儀表及防護用品;建立應急處理方案。 [6] 
5.從事放射性相關工作的人員應在上崗前體檢和定期體檢,由市、區衞生防疫站負責統一安排,各有關單位的主管領導應督促從事放射性相關工作的人員參加體檢,並給予經費及各方面的保障。 [6] 
6.發生放射源丟失、泄漏事故的單位,必須立即採取防護措施,控制事故的影響,保護事故現場,並向主管部門以及省市公安、衞生防疫部門報告。 [6] 
7.各單位必須按省衞生廳管理規定辦理年檢和換證手續。註銷、變更放射性同位素與射線裝置,需持許可登記證到原審批部門辦理註銷、變更手續。 [6] 
8.放射性同位素的使用單位停止使用放射性同位素時,須將放射性同位素、輻射源妥善處理,並將處理報告交到學校治安及技安部門,以便及時上報市衞生防疫站、市公安局及市環保局。經審查同意後,由市衞生防疫站、市公安局註銷其許可證。 [6] 
9.凡違反本規定造成事故的,學校將按衞生部、公安部頒發的《放射線事故管理規定》的條款,對有關單位和責任人進行處罰。對造成嚴重後果,構成犯罪的,由司法機關依法追究刑事責任。 [6] 
參考資料