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放射性同位素
鎖定
放射性同位素定義
元素的原子由原子核和電子構成,而原子核又由質子和中子組成。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或射線,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。
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放射性同位素衰變類型
(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:
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(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:
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(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或基態,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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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,即鈾系列、釷系列和錒(鈾)系列。
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放射性同位素應用
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。
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(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。
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(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。
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(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鍺中,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。
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(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磷很少,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。
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放射性同位素放射性射線
(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。
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(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。
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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。”
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放射性同位素防護
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。
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- 參考資料
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- 1. 鄭明光,杜聖華.壓水堆核電站工程設計.上海:上海科學技術出版社,2013:12
- 2. 李元成主編;王玉斗,朱化鳳,劉冰副主編.大學物理學 下.東營:中國石油大學出版社,2013:246 - 247
- 3. 李鳳業,李學剛,宋金明.東中國海沉積速率及其應用.北京:海洋出版社,2016:1 - 5
- 4. 那個最古老隕石坑裏 可能埋藏着地外生命的線索 .人民網.2019-09-17[引用日期2020-05-13]
- 5. 變“輻”為“福” 我們身邊的核技術正在造福生活 .人民網.2019-08-26[引用日期2020-05-13]
- 6. 楊清玲,呂靜竹.分子生物學實驗指導.合肥:中國科學技術大學出版社,2016:2