[科普中國(guó)]-放射性核素

放射性核素

放射性核素，也叫不穩(wěn)定核素，是相對(duì)于穩(wěn)定核素來(lái)說(shuō)的。它是指不穩(wěn)定的原子核，能自發(fā)地放出射線（如α射線、β射線等），通過(guò)衰變形成穩(wěn)定的核素。衰變時(shí)放出的能量稱為衰變能，衰變到原始數(shù)目一半所需要的時(shí)間成為衰變半衰期，其范圍很廣，分布在1015年到10-12秒之間。

核素的放射性是由法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾于1896年在研究物質(zhì)的熒光時(shí)發(fā)現(xiàn)的。自然界存在許多種放射性衰變。衰變后中子或質(zhì)子的數(shù)量不同，因此大多衰變后產(chǎn)生了新的元素。最常見(jiàn)的衰變是α衰變、β衰變、γ衰變。這三種衰變中，原子核分別放出α粒子（氦原子核，見(jiàn)圖1）、β粒子（電子，見(jiàn)圖2）和γ射線（高能光子）。此外，還有電子俘獲、自發(fā)裂變、質(zhì)子發(fā)射、集團(tuán)發(fā)射等衰變種類。

α粒子是帶電粒子，其穿透力最小，一張紙可擋住。β粒子次之，可由鋁屏蔽。伽瑪射線穿透力強(qiáng)，必須使用比較厚的材料阻擋，例如一層非常厚的鉛。

放射性核素分類穩(wěn)定的核素，核內(nèi)的質(zhì)子和中子數(shù)近似相同，分布在核素圖（見(jiàn)圖3）的狹長(zhǎng)范圍內(nèi)，被稱為β穩(wěn)定線。處于穩(wěn)定線左側(cè)的放射性核素稱為豐質(zhì)子核素，處于穩(wěn)定線右側(cè)的放射性核素稱為豐中子核素。如果繼續(xù)遠(yuǎn)離穩(wěn)定線，原子核會(huì)因?yàn)闊o(wú)法束縛住更多的中子或質(zhì)子而產(chǎn)生破裂，這個(gè)極限被稱為質(zhì)子或中子滴線。靠近質(zhì)子或中子滴線的核素，由于距離穩(wěn)定線較遠(yuǎn)，又被稱為遠(yuǎn)離核素。距離穩(wěn)定線越遠(yuǎn)的核素，衰變半衰期越短。

相同質(zhì)子數(shù)（又稱原子序數(shù)）Z，中子數(shù)N不同的核素，稱為同位素，相同質(zhì)子數(shù)的同位素因其化學(xué)性質(zhì)相同又統(tǒng)稱元素；相同中子數(shù)N，質(zhì)子數(shù)Z不同的核素，稱為同中子素；相同質(zhì)量數(shù)A（A=Z+N），質(zhì)子數(shù)Z不同的核素，稱為同量異位素。

原子核的穩(wěn)定性有其規(guī)律。由于核力的原因，原子核的質(zhì)子和中子數(shù)在2、8、20、28、50和82等數(shù)值時(shí)最為穩(wěn)定，稱為幻數(shù)。質(zhì)子數(shù)處于幻數(shù)的穩(wěn)定同位素的個(gè)數(shù)最多。處于幻數(shù)的穩(wěn)定或放射性核素，相對(duì)來(lái)說(shuō)，最不易通過(guò)核反應(yīng)或衰變變成其他核素2。,

放射性核素相關(guān)物理研究處于遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的放射性核素，由于其質(zhì)子和中子數(shù)目差異很大，呈現(xiàn)出與穩(wěn)定核素不同的的新規(guī)律，因而成為當(dāng)今核物理研究的前沿。這些新規(guī)律包括原子核存在彌散的邊緣、奇異的衰變現(xiàn)象（如雙質(zhì)子或中子發(fā)射）和幻數(shù)的變化甚至消失等。這些新的規(guī)律和性質(zhì)，也可以應(yīng)用到核天體物理研究中。

另一個(gè)研究前沿是超重元素的合成?？茖W(xué)家通過(guò)兩個(gè)重原子核利用加速器相撞，從其中挑選出來(lái)最高質(zhì)子數(shù)的穩(wěn)定或放射性核素，從而突破了天然核素的疆界。自然界最重的核素的質(zhì)子數(shù)為92個(gè)，而科學(xué)家已經(jīng)人工合成到質(zhì)子數(shù)為118的超重元素。可以預(yù)見(jiàn)，在將來(lái)如果可以合成穩(wěn)定的超重元素，將使人類找到更多的合成新材料的途徑。

天然放射性核素天然地，地球上有28種化學(xué)元素具有放射性，其中有34種放射性同位素是在太陽(yáng)系形成前就存在的，長(zhǎng)壽命的如鈾和釷，短壽命的像鐳及氡，稱為天然放射性。

地球上放射性的來(lái)源是原初核合成和其后的各種核燃燒過(guò)程的殘留物。長(zhǎng)壽命的放射性核素存在在自然界巖石中，宇宙射線也會(huì)形成自然界中少量的放射性核素。在地殼中核素的衰變對(duì)地球內(nèi)部的熱量產(chǎn)生有一定貢獻(xiàn)。

放射源放射源是把放射性核素，依照使用量制成片狀或柱狀的封閉題，便于使用。根據(jù)放射性的不同，分為α、β、γ源。中子源可以通過(guò)重核素的自發(fā)裂變（如 Cf-252中子源）或α源與吸收α粒子釋放中子的材料（如 Am-Be 中子源）制成。,

放射性核素應(yīng)用穩(wěn)定或極長(zhǎng)壽命的核素只有不到300個(gè)。隨著科學(xué)的發(fā)展，放射性同位素更多通過(guò)加速器或反應(yīng)堆通過(guò)核反應(yīng)合成，已知的放射性核素大約2000多種，理論預(yù)言滴線內(nèi)存在8000種以上放射性核素，稱為人工放射性。

目前，大約有200種以上的放射性核素在社會(huì)生活的各個(gè)方面具有廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用主要是通過(guò)放射源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

應(yīng)用范圍包括：醫(yī)學(xué)：癌癥放療、放射性藥物顯影；工業(yè)：產(chǎn)品測(cè)厚、材料輻照改性等；生活：火災(zāi)報(bào)警；考古和環(huán)境：放射性定年、污染來(lái)源檢測(cè)等；航天和深海探測(cè)：同位素電池、同位素?zé)嵩吹取?/p>

例如，同位素電池是利用放射性同位素的衰變，如 Pu-238的α衰變產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過(guò)熱電轉(zhuǎn)化，形成電能的裝置，在沒(méi)有太陽(yáng)光照的環(huán)境，如月夜，是非常好的供能裝置3。