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放射性元素

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放射性元素
放射性元素-锝
放射性元素(确切地说应为放射性核素)能够自发地从原子核内部放出粒子射线,同时释放出能量,这种现象叫做放射性,这一过程叫做放射性衰变。某些物质的原子核能发生衰变,放出我们肉眼看不见也感觉不到,只能用专门的仪器才能探测到的射线。物质的这种性质叫放射性。含有放射性元素(如U、Tr、Ra等)的矿物叫做放射性矿物。含有放射性元素(如U、Tr、Ra等)的矿物叫做放射性矿物。 原子序数在84以上的元素都具有放射性,原子序数在83以下的某些元素如K、Rb等也具有放射性。放射性元素radioactiveelements具有放射性的元素的统称。指锝、钷和钋,以及元素周期表中钋以后的所有元素。 该类元素的所有同位素都具有放射性,因此命名。

目录

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基本介绍编辑本段回目录

放射性元素
放射性元素-铀
1789年德国化学家M.H.克拉普罗特发现了铀。1828年瑞典化学家I.J.贝采利乌斯发现了钍。在当时,铀和钍只被看作是一般的重金属元素。直到1896年法国物理学家H.贝可勒尔发现铀的放射性,以及1898年M.居里P.居里发现钋和镭以后,人们才认识到这一类元素都具有放射性,并陆续发现了其他放射性元素。核武器试验的沉降物(在大气层进行核试验的情况下,核弹爆炸的瞬间,由炽热蒸汽和气体形成大球(即蘑菇云)携带着弹壳、碎片、地面物和放射性烟云上升,随着与空气的混合,辐射热逐渐损失,温度渐趋降低,于是气态物凝聚成微粒或附着在其它的尘粒上,最后沉降到地面

放射性元素最早应用的领域是医学和钟表工业。镭的辐射具有强大的贯穿本领,发现不久便成为当时治疗恶性肿瘤的重要工具;镭盐在暗处发光,用于涂制夜光表盘。后来放射性元素的应用已深入到人类物质生活的各个领域,例如核电站和核舰艇使用的核燃料,工业、农业和医学中使用的放射性标记化合物,工业探伤、测井(石油)、食品加工和肿瘤治疗所使用的某些放射源等。放射性元素分为天然放射性元素人工放射性元素两类。  放射性元素(确切地说应为放射性核素)最早应用的领域是医学和钟表工业。镭的辐射具有强大的贯穿本领,发现不久便成为当时治疗恶性肿瘤的重要工具;镭盐在暗处发光,用于涂制夜光表盘。现在,放射性元素的应用已深入到人类物质生活的各个领域,例如核电站和核舰艇使用的核燃料,工业、农业和医学中使用的放射性标记化合物工业探伤测井石油)、食品加工和肿瘤治疗所使用的某些放射源等。

发现历程编辑本段回目录

X射线发现以后,许多科学家都兴致勃勃地去研究这类新的、具有巨大穿透能力的辐射,法国物理学家亨利·贝克勒尔就是其中之一。他的父亲亚历山大·贝克勒尔对“荧光”特别感兴趣(荧光是某些物质被日光的紫外线照射以后所发出的可见辐射)。老贝克勒尔曾对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究,而小贝克勒尔则想知道在硫酸双氧铀钾的荧光辐射中是否含有X射线,结果小贝克勒尔发现了更激动人心的铀的放射性。

放射性元素
放射性元素-钋
“放射性”这个术语是居里夫人提出来的,用它来描述铀的辐射能力。居里夫人还进一步发现了第二种放射性物质——。在这以后,很快又有别的科学工作者作出了许多重要的发现。他们的发现证明,放射性物质的辐射不但比X射线具有更大的穿透力,而且也更强。此外,科学工作者又发现,放射性物质还会发出别种射线,这又使科学家们在原子的内部结构方面得到了一些新的发现。放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素。第一个发现这一现象的是居里夫人,她是在无意中发现的。有一次,居里夫人和她的丈夫为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得加以提炼的铀,他们对其中的含铀量进行了测定,但他们惊讶地发现,有几块样品的放射性甚至此纯铀的放射性还要大。这就很明显地意味着,在这些沥青铀矿石中一定还含有别的放射性元素。同时,这些未知的放射性元素一定是非常少的,因为用普通的化学分析方法不能把它们检测出来。

居里夫妇带着十分激动的心情,搞到了几吨沥青铀矿,他们在一个很小的木棚里建了一个作坊,在很原始的条件下以极大的毅力在这些很重的黑色矿石中寻找这些痕量的新元素。1898年7月,他们终于分离出极小量的黑色粉末,这些黑色粉末的放射性比同等数量的铀强400倍。这些黑色粉末含有一种在化学性质上和碲很相似的新元素,因此,它在周期表中的位置似乎应该处在碲的下面。居里夫妇把这个元素定名为钋,以纪念居里的祖国兰。但是钋只是使她们的黑色样品具有这样强的放射性的部分原因。因此,她们又把这项工作继续进行下去,到1898年12月,居里夫妇又提炼出一些放射性此钋还要强的东西,其中含有另一种在化学特性上和钡很相似的元素,居里夫妇把它定名为镭,意思是“射线”。居里夫妇为了收集足够多的纯镭以便对它进行研究,又进行了四年的工作。居里夫人在1903年就她所进行的研究写了一个提要,作为她的博土论文。这也许是科学史上最出色的博土论文,它使她两次获得了诺贝尔奖金。居里夫人和她的丈夫以及贝克勒尔因在放射性方面的研究而获得了1903年的诺贝尔物理学奖,1911年,居里夫人因为她在发现钋和镭方面立下的功绩而单独获得了诺贝尔化学奖。钋和镭远比铀和钍不稳定,换句话说,前者的放射性远比后者显著,每秒钟有更多的原子发生衰变。它们的寿命非常之短,因此,实际上宇宙中所有的钋和镭都应当在一百万年左右的时间内全部消失。那么,为什么我们还能在这个已经有几十亿岁的地球上发现它们呢,这是因为在铀和钍衰变为铅的过程中会继续不断地形成。凡是能找到铀和钍的地方,就一定能找到痕量的钋和镭。它们是铀和钍衰变为铅的过程中的中间产物在铀和钍衰变为铅的过程中还形成另外三种不稳定元素,它们有的是通过对沥青铀矿的细致分析而被发现的,有的则是通过对放射性物质的深入研究而被发现的。

放射性元素德国物理学家多恩
德国物理学家多恩
1899年,德比埃尔内根据居里夫妇的建议,在沥青铀矿石中继续寻找其他放射性元素,终于发现了被他定名为锕的元素,这个元素后来被列为第89号元素;1900年,德国物理学家多恩指出,当镭发生衰变时,会生成一种气态元素。放射性气体在当时是一种新鲜的东西,这个元素后来被命名为氡,并被列为第86号元素;最后,到1917年,两个研究小组——德国哈恩和梅特涅小组、英国索迪克兰斯顿小组——又从沥青铀矿石中分离出第9l号元素——镤。

到1925年为止,已被确认的元素总共巳达八十八种,其中有八十一种是稳定的,七种是不稳定的。这样一来,努力找出尚未发现的四种元素(即第43,61,85,87号元素)就成为科学家们的迫切愿望了。由于在所有已知元素中,从第84到92号都是放射性元素,因此,可以很有把握地预测第85和87号元素也应该是放射性元素。另一方面,由于第43号和第61号元素的上下左右都是稳定元素,所以似乎没有任何理由认为它们不是稳定元素。因此,它们应该可以在自然界中找到。由于第43号元素在周期表中正好处在铼的上面,人们预料它和铼具有相似的化学特性,而且可以在同一种矿石中找到。事实上,发现铼的研究小组认为,他们肯定已测出了波长相当于第43号元素的X射线。因此,他们宣称第43号元素已被发现。但是他们的鉴定并没有得到别人的肯定。在科学上,任何一项发现至少也应该被另一位研究者所证实,否则就不能算是一项发现。

1926年,伊利诺斯大学的两个化学家宜称他们已在含有第60号和第62号元素的矿石中找到了第61号元素。同年,佛罗伦萨大学的两个意大利化学家也以为他们已经分离出第61号元素。但是这两组化学家的工作都没有得到别的化学家的证实。几年以后,亚拉巴马工艺学院的一位物理学家报道说,他已用他亲自设计的一种新的分析方法找到了痕量的第87号和第85号元素,但是这两项发现也都没有得到证实。后来发生的一些事情表明,第43,61,85和87号元素的所谓“发现”,只不过是这几位化学家在工作中犯了这样或那样的错误罢了。

在这四种元素当中,首先被确定无疑地证认出来的是第43号元素。曾经因发明回旋加速器而获得诺贝尔物理学奖的美国物理学家劳伦斯,通过用高速粒子轰击第42号元素钼的方法,在他的加速器中产生了第43号元素。被轰击过的材料变成了放射性的物质,劳伦斯便把这些放射性物质送到意大利化学家赛格雷那里去进行分析,因为赛格雷对第43号元素的问题很感兴趣。赛格雷和他的同事佩列尔把有放射性的那部分物质从钼中分离出来以后,发现它在化学特性上和铼很相似,但又不是铼。因此他们断言,它只能是第43号元素,并指出它和周期表中与之相邻的元素有所不同,是一种放射性元素。由于它不能作为第44号元素的衰变产物而不断产生出来,所以事实上它在地壳中已不复存在。赛格雷和佩列尔就这样终于取得了命名第43号元素的权利,他们把它定名为锝,这是世界上第一个人工合成的元素。

1939年,第87号元素终于在自然界中被发现了。法国化学家佩雷在铀的衰变产物中把它分离了出来。由于它的存在量极小,所以只有在技术上得到改进以后,人们才能在以前未能找到它的地方把它找田来。佩雷后来把这个新发现的元素命名为钫。第85号元素和锝一样,是在回旋加速器中通过对第83号元素铋进行轰击而得到的。1940年,赛格雷科森加利福尼亚大学分离出第85号元素。第二次世界大战中断了他们在这个元素方面所进行的工作,战后他们又重新进行,并在1947年提出把这个元素命名为砹。与此同时,第四个也是最后一个尚未被发现的元素,第61号元素也在铀的裂变产物中发现了。橡树岭国立实验室马林斯基格伦丁宁科里尔这三位化学家在1945年分离出第61号元素,他们把它命名为。这样,元素一览表,从第1号至92号,终于全部齐全了。但是,从某种意义上说,向元素进军的最艰巨历程才刚刚开始,因为科学工作者已经突破了周期表的边界。原来,铀并不是周期表中最后一个元素。

天然元素编辑本段回目录

指最初是从天然产物中发现的放射性元素。它们是

一、发现 

放射性元素
天然放射性元素-镤
自1896年法国物理学家A.H.贝可勒尔发现铀的放射性后,科学家们就利用测量放射性的方法,对所有的元素进行了普查。1898年M.居里和P.居里用自制的电离室静电计,配合以石英压电发生器等设备,用定量测量放射性的方法,对已知元素或其化合物进行了普查。在研究了各种铀矿和钍矿的放射性之后,发现有些矿物的放射性比纯铀或纯钍还强。他们用硫化物沉淀法从沥青铀矿中分离出一种放射性比铀强400倍、化学性质与铋类似的新元素──钋。接着,居里夫妇等又从沥青铀矿中分离出放射性极强的另一种新元素──镭。1899年法国科学家A.-L.德比埃尔内使用氨水和稀土元素形成沉淀的方法,从铀矿渣中载带分离出第三个放射性元素──锕。天然放射性元素的发现见表。

二、存在

铀和钍具有长寿命的同位素,如铀238的半衰期为4.468×109年,钍232的半衰期为1.405×1010年,与地球年龄(4.6×109年)相近,所以可在自然界中长期存在。有些天然放射性元素的半衰期相对于地球而言比较短,但是作为与铀或钍达到平衡的子体,也可在自然界中长期存在,如钋、氡、钫、镭、锕和镤。

三、应用 

天然放射性元素的应用范围从早期的医学和钟表工业扩大到核动力工业和航天工业等多种领域。主要用途有:
核燃料,除铀235外,铀238在反应堆中经中子辐照生成的钚239、钍232在反应堆中转化成的铀233,都可用作核燃料。

中子源,钋210-铍中子源、镭226-铍中子源和钚239-铍中子源都有重要用途。

辐照治疗癌症,镭或氡封于管中制成镭管或氡管可用于治疗癌症。

此外,钍可制成特殊焊条超真空系统的吸气剂、结构金属中的添加剂;氧化钍可用作某些有机化学反应的催化剂和高温陶瓷材料,与钨混合可制成灯丝。

危害介绍编辑本段回目录

放射性元素
元素周期表
地球上的一切自然物质中都含有不同数量的放射性元素,整个地球、乃至整个宇宙的一切自然物质,实际上都是由103种天然元素(不包括人造元素)组成的。在103种天然元素中,有一族元素具有放射性特点,被称为“放射性元素族”,所谓“”放射性元素,是指这些元素的原子核不稳定,在自然界的自然状态下不断地进行核衰变,在衰变过程中放射出αβγ三种射线和有放射性特点的隋性气体氡气。其中的α射线(粒子)实际上是氦(He)元素的原子核,由于它质量大、电离能力强和高速的旋转运行,所以是造成对人体内照射危害的主要射线;β射线是负电荷的电子流;γ射线是类似于医疗透视用的X射线一样和波长很短的电磁波,由于它的穿透力很强,所以是造成人体外照射伤害的主要射线;由衰变而产生的氡(Rn)气是自然界中仍具有放射性特点的惰性气体,由于它还要继续衰变,因此被吸入肺部后,容易造成对人体内照射(特别是对肺)的伤害。在天然“放射性元素”中,人们常听说的放射能量最大的是铀(U)、钍(Th)和镭(Ra),其次有钾-40(40K),铷(Rb)和铯(Cs)。这6种天然放射性元素是构成地球和宇宙自然界一切物质的组成部分(当然很微量),无论是在各类岩石和土壤中,还是在一切江河湖海的水中和大气中,都有不同数量的放射元素存在。其中铀在地壳中占“克拉克值”平均含量的千分之一。这就是说,我们人类和一切生命所赖以地球的成份中本来就始终存在着天然的放射性物质。但是它不但没有阻挡住万物的生存发展和人类的繁衍生息,反而使放射性元素越来越被广泛利用在许多方面(原子核电站、空间技术医疗技术、同位素技术等)为人类服务。自然界天然存在的低浓度的放射性辐射不但不会危害人类健康,而且已经是自然界平衡系统的组成部分,人类和一切生命已经完全适应了这个平衡系统的生存环境,如果破坏了这个平衡系统,可能反而对人类带来不利的影响。了解这些概念,就知道自然界本来就存在的放射性辐射并不可怕,只要我们能够正确地认识它的基础上科学的应用它,就绝不会造成对人民身心健康的伤害。
(1)无论是各类岩石(天然石材)中,还是土壤和海水中,普遍都存在不同数量的(但都是微量或很微量的)放射性元素。

(2)由水成(沉积)生成的大理石类和板石类中的放射性元素含量,一般都低于地壳平均值的含量(其中只有少量的黑色板石可能高于地壳平均值);

(3)在火成岩的花岗岩类(装饰石材中的“花岗石”一词是商业术语,它包括了地质学中的全部火成岩,包括花岗岩类、闪长岩类,玄武岩类、辉长岩类等和有装饰性能特点的变质岩,如,片麻状花岗岩、花岗片麻岩等),暗色系列的(包括黑列)花岗岩和“浅色系列”中的灰色系列花岗岩,其放射性元素含量也都低于地壳平均值有含量;

(4)只有“浅色系列”中的真正的花岗岩类和由火成岩变质形成的片麻状花岗岩及花岗片麻岩等(包括白色系列、红色系列、浅色的绿色系列和花斑色系列),其放射性元素含量稍高于地壳平均值的含量。在全部天然装饰石材中,大理石类、绝大多数的板石类、暗色系列(包括黑色蓝色、暗色中的绿色)和灰色系列的花岗岩类,其放射性强度小,即使不进行任何检测也能确认是“A类”产品,可以放心大胆的用在家庭室内装修和任何场合中。

辐射强度编辑本段回目录

放射性元素
放射性元素
对于浅色系列中的白色红色绿色花斑色系列的花岗岩,也不能笼统地认为放射性辐射强度都大,而是只有在以下几种情况下,其放射性辐射强度才有可能偏大:
1、白色花岗岩类主要是花岗岩类中的白岗岩。
白岗岩是地下岩浆冷凝的后期阶段生成的,它的主要万分是二氧化硅(Sio2,即石英),在岩石中高达73—77%。这种岩石生成的阶段(即岩浆冷凝的后期阶段)恰好也是地下岩浆中的铀、钍、铷、钾等放射性元素相对聚集的阶段。由于一切元素(包括放射性元素)在地球中的分布都是极不均匀的,如果恰好遇到某一地区的放射性元素分布相对稍多(地质上称为“本底偏高”)时,那么这个地区出产的白岗岩的放射性辐射强度就有可能偏大。

2、红色花岗岩类
含钾的矿物钾长石是红色花岗岩的主要成分,而钾元素中的同位素钾-40(40K)本身就是放射性元素。所以含钾矿物质(呈浅粉色粉红色等)越多,其辐射强度有可能越偏高(大)。此外,在红色花岗岩类中,包括了片麻状花岗岩和花岗片麻岩。这种在距今二三十亿年前生成的古老岩石中,不仅含钾长石多,而且有时还含一种颜色美丽的(紫红色、酱红色、紫色等)特殊矿物质——锆石(ZrSiO4)。锆石矿物质中常混有铀、钍等放射性元素,从而使花岗岩的红色更加鲜艳华贵的同时,随之也提高了辐射强度,这就是著名的“印度红”和“南非红”辐射强度偏大(高)的原因所在。

3、浅色系列的绿色花岗岩
有时含一种颜色鲜艳美丽和绿色、翠绿色兰绿色的特殊矿物质——天河石。天河石本身就是由弱放射性元素钾、铷、铯组成的〖(K,Rb,Cs)(AlSi3O8)〗,因此含有这种矿物质的名贵的绿色花岗岩,其辐射强度可能偏大。

4、花斑系列的花岗岩
由于常有含钾的矿物质和石英等其它矿物质组成的“大斑晶”,构成漂亮的斑状花岗岩,所以其辐射强度也有可能偏大。由上述可知,在全部浅色系列的花岗岩中,只有“本底偏高”地区的白岗岩、含钾长石矿物质多(特别是含钾-40同位素多)的花岗岩、含锆石矿物质(古老)变质岩和含天河石矿物质的花岗岩,才有可能形成放射性辐射强度偏大和可能有一定的现象。而这一部分花岗岩在全浅色系列的花岗岩中所占的数量是比较少的(约占20%—25%),所以对大部分浅色花岗岩仍可放心大胆的使用。那么为什么少量黑色板石的放射性辐射强度也有可能偏大(偏高)呢?这是因为,板石类石材都是由江、河、湖泊海洋中沉积的泥质岩石变化(地质上称为“变质”)而成的,其中的黑色板石中含有较多的碳质成份。泥质和碳质在水下沉淀时都有较强的吸附力和粘接力,能够把水中的放射性物质和各种杂质都吸附到泥质和碳质中沉积下来,从而造成了有些黑色板石的辐射强度可能偏大。

衰变过程编辑本段回目录

放射性元素
放射性元素
不论是东方还是西方,都有一大批人在追求“点石成金”之术,他们妄想把一些普通的矿石变成黄金。当然,这些炼金术之士的希望都破灭了,因为他们不知道一种物质变成另一种物质的根本在于原子核的变化。不过,类似于“点石成金”的事情一直就在自然界中进行着,这就是伴随着天然放射现象发生的“衰变”。

一、原子核的衰变
原子核放出α粒子或β粒子,由于核电荷数变了,它在周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。我们把这种变化称之为原子核的衰变。铀238放出一个α粒子后,核的质量数减少4,电荷数减少2,称为新核。这个新核就是镀234核。这种衰变叫做α衰变。这个过程可以用下面的衰变方程表示:23892U23490Th+42He在这个衰变过程中,衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和;衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量观察表明,原子核衰变时电荷数和质量数守恒。在α粒子中,新核的质量数于原来的新核的质量数有什么关系?相对于原来的核在周期表中的位置,23892U在α衰变时产生的23490Th也具有放射性,它能放出一个β粒子而变为23491Pa(镤)。由于电子的质量比核子的质量小得多,因此,我们可以认为电子的质量为零、电荷数为-1、可以把电子表示为0-1e。这样,原子核放出一个电子后,因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒,新核的质量数不会改变但其电荷数应增加1。其衰变方程为:23490Th23491Pa+0-1e放出β粒子的衰变叫做β衰变。β衰变的实质在于核内的中子数(10n)转化为了一个质子和一个电子。其转化方程为10n11H+0-1e,这种转化产生的电子发射到核外,就是β粒子;与此同时,新核少了一个中子,却增加了一个质子。所以,新核质量数不变,而电荷数增加1。2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起,因此在一定的条件下他们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来,于是,放射性元素就发生了α衰变。

2、原子核的能量也跟原子的能量一样,其变化是不连续的,也只能取一系列不连续的数值,因此也存在着能级,同样是能级越低越稳定。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时,往往蕴藏在核内的能量会释放出来,使产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,能量以γ光子的形式辐射出来。因此,γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰变,同时就会伴随着γ辐射。这时,放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。

二、半衰期
放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如,氡222经过α衰变为钋218,如果隔一段时间测量一次氡的数量级就会发现,每过3.8天就有一半的发生衰变。也就是说,经过第一个3.8天,剩下一般的氡,经过第二个3.8天,剩有1/4的氡;再经过3.8天,剩有1/8的氡(图19.2-3)......因此,我们可以用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫做这种元素的半衰期。不同的放射性元素,半衰期不同,甚至差别非常大。例如,氡222衰变为钋218的时间为3.8天,镭226衰变为氡222的时间为1620年,铀238衰变为镀234的半衰期竟长达4.5×109年。衰变是微观世界里原子核的行为,而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观世界是不可预测的”,即对于一个特定的氡原子,我们只知道它发生衰变的概率,而不知道它将何时发生衰变。一个特定的氡核可能在下1s就衰变,也可能在10min内发生衰变,也可能在200万年之后再衰变。然而,量子理论可以对大量原子核的行为做出统计预测。例如,对于大量氡核,可以准确地预言在1s后,10min后,或200万年后,各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期,描述的就是这样的统计规律。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态核外部条件都没有关系。一种放射性元素,不管它是以单质的形式存在,还是与其他元素形成化合物,或者对它施加压力、提高温度,都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度与其他元素的化合等,都不会影响原子核的结构。

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参考资料编辑本段回目录

1、http://baike.baidu.com/view/693613.htm

2、http://bbs.xunlei.com/viewthread.php?tid=112263

3、 G.Friedlander,etal.,NuclearandRadiochemistry,3rded.,JohnWiley&Sons,NewYork,1981.

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