放射性元素

放射性元素（Radioactive elements）是指其已知的所有同位素均具有放射性的元素，包括43号元素锝[dé]（Te）和61号元素钷[pǒ]（Pm），以及原子序数大于83的所有元素。放射性元素可分为天然放射性元素和人工放射性元素两类，天然放射性元素即在自然界中存在的放射性元素，它们是Po，Rn，Fr，Ra，Ac，Th，Pa，U。人工放射性元素是最初通过核反应人工合成并鉴定出来的元素，包括Tc，Pm，At及原子序数Z≥93的元素。

相关历史

1895年底，伦琴发现了X射线，在科学界引起了巨大的轰动。伦琴用阴极射线管产生出X射线。X射线能穿透许多普通光所不能穿透的物质；特别是能直接穿过肌肉但却不能透过骨骼。1895年12月伦琴写出了他的第一篇X射线的论文，发表后立即引起物理界专家极大地兴趣。

人的手骨

1896年法国贝克勒耳（Becquerel）在研究前一年伦琴发现的X射线跟天然和人工的矿石发出的磷光之间的关系时，偶然发现铀矿石也能发出跟X线非常相似的放射线。这个放射线也跟X射线一样，能够自由地穿透物质。同时，这射线的强度完全不受温度、光照等铀矿物以外条件的影响。X射线是在放电管中原子得到电能而产生的，相反，贝克勒耳发现的射线是在任何条件下都能从铀矿物中持续放出的。像铀那样并没有从外界得到能量而能自发地发出射线的性质，叫做放射性（radioactivity）。这种性质的元素叫做放射性元素。

贝克雷尔

放射性不只是铀特有的性质。不久以后，居里（Curie）夫妇又发现了钍、钋、镭是在自然界以放射性元素存在的。1899年法国科学家德比埃尔内从铀矿渣中分离出放射性元素锕。1900年德国物理学家弗雷德里奇·恩斯特·多恩在研究镭的放射性衰变产物时发现了氡[dōng]。放射性元素镤[pú]于1913年由德国物理学家卡斯米尔·法金斯和戈哈伦发现，当时他们正通过实验研究铀裂变产生的元素。1932年劳伦斯（E.O.Lawrence)发明了回旋加速器，意味着一些元素可用人工方法予以合成。1934年，居里夫妇发现了人工放射性。1937年意大利科学家佩里埃（C.Perrier）和塞格瑞（E.Segre）利用氘[dāo]轰击钼[mù]，首次制取了43号放射性元素锝。接着在1939年，法国的M.佩雷在研究铀矿中锕227衰变产物时发现了元素钫[fāng]。1940年，美国加州大学的意大利教授柯森、麦肯西等，用高速X粒子轰击83号元素铋，第一次制得放射性元素砹[ài]。同年，美国麦克米伦等用中子轰击铀箔，发现了放射性元素镎[ná]。镎是第一个超铀元素。钚[bù]则是美国科学家西博格、麦克米伦、沃尔和肯尼迪一起于1940～1941年发现的，它是第二个超铀元素。1944年，格伦·西奥多·西博格和阿伯特·吉奥索等人合成并分离出96号元素锔和95号元素镅[méi]，它们是首批完全由人工合成的方式制得的纯人造元素，不存在于自然界中。钷是1945年美国物理学家马林斯基、格兰登宁和考耶尔在分离铀的裂变物时发现的，至此所有原子序小于铀的元素都已被发现。1949年，汤姆森等人用35MeV的α粒子轰击Am制得了97号元素锫[péi]；次年，又用α粒子轰击微克量的Cm，发现了锎[kāi]。99号元素锿[āi]和100号元素镄[fèi]是在1952年在比基尼珊瑚岛发生第一次热核爆炸的碎片中非常意外地发现的。钔[mén]是吉奥索等人用α粒子轰击Es制得的。直到1961年，吉奥索等人宣布发现103号元素铹[láo]，锕系元素全部被发现了。原子序最大的元素则是118号的鿫于2002年合成出。以后研究证明，43号元素锝（Te）和61号元素钷（Pm），以及原子序数大于83的所有元素都具有放射性，它们不存在不释放射线的稳定同位素，射线来自原子核，释放射线的同时，原子核发生蜕变，从一种核素变成另一种核素，是放射性元素。

分类

放射性元素很多，研究证明43号元素锝（Te）和61号元素钷（Pm），以及原子序数大于83的所有元素都具有放射性，放射性元素可分为两类：一类是天然放射性元素，另一类是人工放射性元素。天然放射性元素即在自然界中存在的放射性元素，它们是Po，Rn，Fr，Ra，Ac，Th，Pa，U。其中除具有长寿命的放射性同位素U和Th在自然界中仍然存在外，其他7个都是以U，U，Th为母体的三个天然放射系的成员存在。人工放射性元素是最初通过核反应人工合成并鉴定出来的元素，包括Tc，Pm，At及原子序数Z≥93的元素。随着科学的发展，后来发现，人工放射性元素中某些核素在自然界可能曾经存在过或者仍然有极少量存在着，例如At和Pu，因此也有研究者将它们定义为天然放射性元素。所有放射性元素信息如下表所示。

主要特性

放射性元素具有较强的放射性，大部分放射性元素具有不稳定、易衰变的特性。放射性元素的质量随时间的推移而逐渐减少（负增长），这种现象称为衰变，在自然衰变的过程中会释放出α、β、γ射线，原子放出α粒子时质量数减少4个单位，原子序数减少2，原子放出β粒子即电子时，质量数不变，原子序数增加1，原子放出γ射线时，质量数和原子序数都不变，射线是由于放出α粒子和β粒子时原子核里有多余的能量，成为电磁波放出。放射性元素的原子放出α粒子和β粒子而衰变成其他元素的原子时，在单位时间内衰变的原子数即衰变速度，跟那时存在的原子数成正比。描述放射性元素衰变规律的参数有：1、衰变常数

对确定的放射性核素来说，是个常数，它的大小决定了该核素衰变的快慢程度。

式中，-dN/N表示每个原子核的衰变概率，因此衰变常数的物理意义是：单位时间内每个原子核的衰变概率。2、半衰期T放射性原子核数目衰减一半所需的时间称为半衰期。T=0.693/

，T与

成反比，衰减常数越大则其半衰期越短，放射性元素衰变越快。在已知的118种元素中，有37种元素有放射性同位素，其中有3个核素Th，U和U，由于它们具有足够长的半衰期，因此在自然界中仍然存在，并形成三个天然放射性衰变系，即钍系、铀系和锕系。钍系（4n系），从Th（T_1/2=1.4×10a）开始。铀系（4n+2系），从U（T_1/2=4.5×10a）开始。锕系（4n+3系），从U（T_1/2=7×10a）开始。其他天然放射性元素中，一些是U和Th的衰变子体，它们的半衰期相对地球的年龄而言比较短，在未经扰动的体系中与U和Th达成母子体平衡而共存。3、平均寿命

放射性物质中，有些原子核早衰变，有些则晚衰变，因此，就单个来说，它们的寿命是不同的。平均寿命是指放射性原子核生存的平均时间。平均寿命就等于衰减常数的倒数。

应用领域

医学领域

放射性元素Tc为理想的诊断用核素，它不发射β粒子，只发射γ射线，具有较强的穿透力，同时在体内的电离辐射损伤较小，因此更适宜用于体内诊断。该核素的半衰期为6.02h，可以满足临床检查项目所需时间，也避免受检者接受不必要的辐射剂量；化学性质活泼，可以标记多种化合物，用于多种脏器显像。

制药领域

放射性药物是一类特殊的药物，除具备药物的特点外，它还有放射性，利用其发射的射线达到诊断和治疗的目的。国际上放射性药物研发呈现加速态势。2018到2020年间，共有7个放射性药物在美国和欧洲获得批准上市。如由诺华子公司先进加速器应用公司研发的Lutetium（Lu）oxodotreotide注射液，于2017年9月26日获欧洲药品管理局（EMA）批准上市，2018年1月26日获美国FDA批准上市，它是一种Lu标记的生长抑素类似物，可与生长抑素受体结合，尤其对生长抑素受体-2（SSRT-2）亲和力最高，用于治疗生长抑素受体阳性的胃肠膜腺神经内分泌肿瘤。

考古领域

用于无损探伤、示踪踪迹时，总是希望所使用的放射性元素的半衰期足够短，从而使加入的放射性很快消逝。但用于考古则希望所使用的是某些半衰期较长的放射性元素。例如，地球的年龄约为4×10年，这个数值就是根据U的半衰期和它的含量估计出来的；又如，从有机体死亡到现在所经过的时间，可以从测量古物尚存的放射性核C的放射性来求得。

核能领域

煤、炭、木柴、石油等燃料在氧的作用下燃烧产生热和光，是人们长期以来用释放化学能的方法获得能量的主要来源。由于科学技术的迅速发展，人们在自然界中获得一种新的燃料——核燃料，人们利用核燃料的原子核分裂或聚合时释放出来的原子能，可以产生大量的热能。核燃料蕴藏的能量要比普通燃料蕴藏的能量大千百万倍。这种新燃料的发现和使用，标志着人类在开发和利用自然界的能源方面又进入了一个新阶段。自然界中许多元素都可作为核燃料，但最主要的核燃料是放射性元素铀。

食品领域

辐照作为一种冷杀菌技术在食品工业广泛应用。当辐照处理食品时，食品本身不直接接触放射源，不会沾染放射性物质。FAO、IAEA以及WHO等国际组织多次提出，经10kGy以下剂量辐照食品是安全的。相对于其他食品工艺，辐照工艺并不会带来更多的营养损失。中国对食品辐照加工实行许可制度，辐照食品应严格按照允许的辐照食品范围和辐照限定剂量执行，以确保辐照食品安全。

工业领域

高能γ射线能够穿透相当厚的金属，其强度将根据材料的厚度、种类而衰减。放射性射线的这一性质可用于无损探伤。检验材料缺陷时，在被检验物的一边放置γ射线源，将照相底板或其他指示器放在被检验物的另一边，那么照相底板的黑度与金属的厚度有关。如果金属板有裂纹或小孔时，射线被吸收程度少，因而容易通过，照相底板的黑度就会有变化。在检查大的焊缝时，将一个射线源放在焊缝的一边，有计数器在焊缝的另一边进行扫描，可以迅速检查出焊缝的均匀度。

检测领域

因为放射性同位素的踪迹容易被检查出来，所以在工业、农业、生物、医疗等领域中，常常给所用元素中加入微量的这类元素的放射性同位素，混合物中所有的原子的化学性质都是完全一样的，仅因有放射性，就可以检查出这种元素在全部过程中的动态及结果。例如，在磷肥中加入微量P，人们通过对这种示踪原子在农作物踪迹的检测，判断农作物对磷的吸收情况。如果某一地下水管有渗漏，那么渗漏处必然有水的积蓄，如果应用放射性示踪原子技术，将某种含有放射性元素的盐溶液加入管中，这种同位素将堆集在渗漏处，只要测定一下放射性的强度即可探测出渗漏处。利用示踪原子技术可以精确地测量出某一物质的极小浓度。例如，甲状腺是向人体提供碘的调节器，如果用放射性碘代替通常食物中含量已知的碘，那么甲状腺中的实际含碘量即可通过腺体的放射性而求出。如果某一流动液体是可以看得见的，那么只要在液体中加入一点染色并测量通过两个固定点之间的时间就可以求出流速。但如果液体是看不见的，例如输油管里的油那么就可以利用示踪原子技术给它“染色”，放射性溶液通过两个固定点的过程可以用计数管跟踪。这种方法可以推广用来探测通过复杂管路体系的液体流动。

来源分布

自然产生

自然界中最普遍、丰度最高的放射性元素有三个：分别为钍、铀和铋等三种原始放射性元素，这三个元素都有一个或多个半衰期极长的放射性同位素，发生衰变的速率非常缓慢。因此虽然这些放射性元素的原子在太阳系形成之前、恒星核合成时即产生，在经历数十亿年后仍得以相当的量存留到现在。其中钍和铀的衰变过程构成了现今自然界中最主要的三条衰变链，分别是以钍-232为母体的钍衰变链、以铀-238为母体的铀衰变链和以铀-235为母体的锕衰变链，这三条衰变链的最终产物分别是稳定的铅-208、铅-206和铅-207。而铋-209是第四条衰变链镎衰变链的倒数第二个子核素，会衰变成稳定的铊-205。

人工合成

人工放射性元素是最初通过核反应人工合成并鉴定出来的元素，包括Tc，Pm，At及原子序数Z≥93的元素。例如，43号放射性元素锝是利用氘轰击钼制得；元素钫、钷是铀矿衰变产物；用高速X粒子轰击83号元素铋，制得放射性元素砹；用中子轰击铀箔制得放射性元素镎，用中子轰击元素钚制得元素镅，用α粒子轰击元素钚制得元素锔等。

放射性危害

污染来源

随着核工业和军事工业的发展及一些核素的各种应用，使大气中的放射性物质不断增加。引起环境放射性污染的来源主要是人为放射源。人为放射性污染源有：核武器试验、核工业的铀矿开采、矿石加工、核反应堆和原子能电站及燃料后处理、核动力舰艇和航空器、高能加速器以及医学科研、工农业各部门开放性使用放射性核素等。另外，日常生活中也有放射性物质，如：磷肥、打火石、火焰喷射玩具、夜光表、彩色电视机、装饰用大理石等，均可产生不同强度和剂量的放射线。

对人体的危害

放射性元素具有放射性而元素的放射性会对人体产生危害，放射性对人体的损伤程度受照射剂量、时间等多种因素的影响。机体接受的剂量越大，时间越长，损伤越严重。射线性质和照射方式的不同，放射性辐射的伤害程度也不同，核辐射的遗传效应是由于引起再生细胞的遗传部分的变化所致。遗传损伤是积累性的 ，对于受照射的本人并没有任何明显的损伤，但是对后代会有显著的影响。

放射性防护与治理

对于外照射的防护，重点是防护β射线、γ射线、X射线、中子射线，尤其是γ射线和中子射线， 它们能穿透机体，损伤各种组织和器官，而α射线射程短，不能穿透外层皮肤，基本没有外照射危害，但当剂量较大时可造成皮肤烧伤。外照射防护通常有以下三种防护方式：时间防护：人员所受到的照射剂量与受照时间成正比，受照时间越长，所接受的照射剂量越多，伤害越重， 所以要尽量缩短在放射性物品存在的环境中滞留的时间，当遇到意外事故，要及时离开辐射现场，不要盲目进入， 若捡拾到放射性物品，尽快让其与人分离。距离防护：对于点放射源，照射量率与距离的平方成反比，即离放射性物品越远，接受的放射性照射越少，受到的损伤越轻。屏蔽防护就是在人员与放射性物品之间安装屏蔽物，把人员与放射性物品隔离，从而达到防护的目的。不同的射线，因性质的不同需要采用不同的屏蔽材料进行防护。屏蔽防护：就是在人员与放射性物品之间安装屏蔽物，把人员与放射性物品隔离，从而达到防护的目的。不同的射线，因性质的不同需要采用不同的屏蔽材料进行防护。

参考资料

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该页面最新编辑时间为 2024年5月31日