放射性

放射性（radioactivity）指的是不稳定核素自发地放出α、β、γ等射线而衰变为另一种核素的特性。^[2][7]衡量放射性活度的国际单位为贝克勒尔（Bq），传统单位是居里（Ci）。^[8]

1896年，法国科学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）在研究铀矿的荧光现象时发现铀yóu盐矿发射着类似X射线的穿透性辐射。^[9]1898年，物理学家玛丽·居里（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现了两种新的放射性元素：钋和镭。1903年，贝克勒尔与玛丽、皮埃尔一起获得诺贝尔物理学奖。^[5][10]

原子核不稳定、具有放射性的核素称为放射性核素。研究证明，原子序数大于83的所有元素都具有放射性，小于83的元素部分具有放射性。^[7]放射性核素分为天然放射性核素、人工放射性核素。其中人工核素可借助回旋加速器合成产生。天然放射性核素可分为两类，一类是与地球同时形成的；一类是宇宙射线撞击地球物质原子核，引起核反应生成的放射性核素。^[11][12]

放射性核素自发地发生核结构改变的过程称为核衰变或放射性衰变。^[7]衰变前的核素称为母核素，衰变后的核素称为子核素。子核素有可能是稳定核素，但也可能同样具有放射性，会继续衰变形成下一个子核素。大部分放射性核素并不直接衰变成稳定核素，而是经过一连串的衰变反应，最终达至稳定核素为止，称作衰变链。^[13][14]根据核素放射性衰变释放射线性质的不同，可将放射性衰变主要分为α衰变、β衰变、γ衰变三类。^[7][15]

放射性在工业、医学、农业等领域有广泛的应用，比如利用射线性质来透视各种产品是否存在损伤、治疗癌症等，利用同位素原子的放射性原理科学施肥、通过示踪原子确定手术开刀位置及切除的干净程度等。但是过量的放射性辐射对人体有危害作用，射线进入人体内，与细胞发生电离作用，对人体组织造成损伤，甚至破坏人体的DNA结构，导致畸形、肿瘤等疾病的发生，而大剂量的辐射在短时间内就可以造成人体死亡。所以要进行防护，主要从时间、距离和屏蔽等方面进行。^[3]

具有放射性的核素称为放射性核素。已知的核素共有2000多种，大多数为不稳定核素，即放射性核素。研究证明，原子序数大于83的所有元素都具有放射性，小于83的元素部分具有放射性，比如43号元素锝dé（Tc）和61号元素钷pǒ（Pm）。^[7][16][17]

天然放射性核素可分为两类，一类是与地球同时形成的、至今存在的一些与地球年龄可比的长寿命核素，如铀、钍tǔ、铷rú、钾、钐等。另一类为宇宙射线撞击地球物质原子核，引起核反应生成的放射性核素，如碳、铍、铝、氯等。它们广泛存在于第四纪地层、新的构造面和生物体内。在自然界已发现的天然放射性核素有很多，其中绝大多数一次核衰变后即形成稳定核素，如铷、钐等。有近50个放射性核素构成三个天然放射性系列，即铀系列、钍系列及锕ā铀系列。^[12]铀系列核素有214Bi、210TI、214Pb等，钍系列核素有232Th、228Ra、228Ac等，锕铀系列核素包含235U、231Th、231Pa等。^[18]

原子核受外来原因引起核结构的变化，称为核反应，它使稳定的原子核转变为放射性核素，这样产生的核素称为人工放射性核素。引起核反应的方法主要是利用高能基本粒子或光子撞击原子核，比如带电粒子撞击、快速中子撞击、慢中子撞击、高能γ射线撞击。^[12]人工放射性核素有125I，60Co，127Cs等。^[19]1936年，回旋加速器发明以后，制造了43号元素锝，95以后的都是人造元素。^[11][20]

1895年11月，德国科学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）^[6]为了进一步研究阴极射线的性质，用黑薄纸把一个真空放电管严密地套封起来，在完全黑暗的室内做实验。在接上高压电流后，他意外地发现离放电管1米以外的一个荧光屏（涂有荧光物质铂氰化钡的纸屏）上出现了绿色荧光。一旦切断电源，绿色荧光就立即消失。伦琴确信该现象不是由阴极射线造成的，因为已证明阴极射线只能在空气中前进几厘米，而且还不能透过玻璃管。他决定继续对这个新发现进行全面检验，最后他确定这是一种未知的新射线。这种射线的本质一时还不清楚，他取名为“X射线”，并在12月下旬写的论文中初步说明了X射线的性质。^[21]

1896年，他将论文寄给法国科学家彭加勒（Jules Henri Poincaré），其中介绍了X射线的发现过程，还附上了相关的照片。^[22]同年，法国科学家亨利·贝克勒尔（HenriBecquerel）在铀盐中观察到放射性与磷光有关。贝克勒尔把硫酸铀钾放在一张用黑纸包着的照相底片上，观察到铀化合物即使在抽屉里也会使黑纸包裹里的照相底片感光，铀似乎在发射某种穿透性的“射线”。1898年，物理学家玛丽·居里（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现了两种新的放射性元素：钋和镭。1903年，贝克勒尔与玛丽、皮埃尔一同获得诺贝尔物理学奖。后来，物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）和弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）发现这些元素实际上在放射性过程中转变成了其他元素。^[5][23][10]

1899年，卢瑟福发现了来自铀元素的两种明显不同类型的放射，也就是射线和射线。1900年，法国巴黎高师的保罗·维拉德（Paul Villard）发现了放射射线中一种不受电场和磁场影响的射线。^[24]1936年，劳伦斯设计出91.44厘米的回旋加速器，粒子能量可达到6兆电子伏，并且产生出第一个人造元素锝，^[11]之后相继合成了镅méi、锔、锫péi等元素。^[20]2006年10月，俄罗斯杜布纳联合原子核研究所合成了118号元素。^[25]

一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度，通常用符号表示。放射性活度表征了一个放射源的强弱，它不仅取决于放射性原子核的数量，而且还与这种核素的衰变常数有关。如果一个放射源在时刻含有个放射性原子核，放射源核素的衰变常数为，则这个放射源的放射性活度为。代入的指数规律，得到，即。这里，是放射源的初始活度。^[8]

放射性活度常采用居里（简称居，用符号表示）为单位。最初，定义为镭每秒衰变的数目。1950年，为了统一起见，国际上共同规定：一个放射源每秒钟有核衰变定义为。1975年，国际计量大会规定放射性活度的单位为贝克勒尔（），即，等于。^[8]

不稳定原子核会自发地发生衰变，放射出粒子、粒子和光子等。当同一类核素的许多放射性原子核放在一起时，不能预测某个原子核在哪个时刻将发生衰变，但对于整个放射性物质来说，原子核的衰变是一种统计规律，衰变事件数和衰变时间成正比。^[15]

根据核素放射性衰变释放射线性质的不同，可将放射性衰变分为衰变、衰变、衰变三类。此外，还有正电子衰变和电子俘获。^[7]

α衰变

放射性核素释放出射线的衰变叫衰变。射线是粒子流，粒子含有两个质子和两个中子，粒子本质上是。^[7]衰变一般表示为，在衰变过程中，母核失去个单位的正电荷，因此衰变成电荷比母核少个电荷单位的原子核。而子核在周期表上的位置将向前移位，其质量数应减小。对于不同原子核的衰变过程，释放出的粒子能量不同，但是对于某一种原子核，在任何时候，其衰变过程中释放出的粒子能量都相同。^[15]

β衰变

放射性核素释放出射线的衰变叫衰变。射线是粒子流，粒子含一个单位负电荷，质量接近0。粒子其实就是电子。由于核内并无电子，因此，衰变是中子转变成质子时产生的，即下述过程释放出射线：。^[7]

衰变将导致核素的中子数减小个单位，质子数增加个单位，质量数不变。生成的新核素的核电荷数增加个单位，在元素周期表中向母核的右边位移一格，这是衰变的位移规律。^[7]

衰变

放射性核素释放出射线的衰变叫衰变。射线实际上是波长很短的电磁波，即高能光子。高能光子本身不带电，没有静止质量。射线常伴随着射线或射线一起射出。射线的释放将导致核的能量降低，使核更稳定。射线的释放不改变质子数和中子数，故核反应方程式中一般不写出。^[7]

衰变列表

代号衰变类型衰变模式子核例子伴随核子发射的衰变类型：αα衰变原子核中放射出一个α粒子（A=4，Z=2）的衰变类型（A−4，Z−2）p质子发射原子核中放射出一个质子（p）的衰变类型（A−1，Z−1）n中子发射原子核中放射出一个中子（n）的衰变类型（A−1，Z）2p双质子发射原子核中同时放射出两个质子的衰变类型（A−2，Z−2）2n双中子发射原子核中同时放射出两个中子的衰变类型（A−2，Z）SF自发裂变原子核自发地裂变成两个或多个较小的原子核及其他粒子的衰变类型随机CD簇衰变原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子（A1，Z1，比α粒子大，但比自发裂变的子核小）的衰变类型（A−A1，Z−Z1）+（A1，Z1）各种β衰变类型：β-β-衰变原子核中放射出一个电子（e−）和一个反电中微子（）的衰变类型（A，Z+1）β+正电子发射（β+衰变）原子核中放射出一个正电子（e+）和一个电中微子（）的衰变类型（A，Z−1）EC、ε电子俘获原子核吸收一个轨道电子并放射出一个电中微子的衰变类型（衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在）（A，Z−1）2β-、β-β-双β-衰变原子核中放射出两个电子和两个反电中微子的衰变类型（A，Z+2）2β+、β+β+双正电子发射（双β+衰变）原子核中放射出两个正电子和两个电中微子的衰变类型（A，Z−2）\DEC、εε双电子俘获原子核吸收两个轨道电子并放射出两个电中微子的衰变类型（衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在）（A，Z−2）同种原子核间的转换：γγ衰变激发态原子核放射出高能光子（γ射线）的衰变类型（A，Z）IT同质异能跃迁亚稳态原子核（核同质异能素）放射出高能光子（γ射线）的衰变类型，即半衰期较长（10−9秒以上）的γ衰变（A，Z）IC内转换激发态原子核将能量转移至轨道电子上，轨道电子再脱离原子的衰变类型（A，Z）表格数据来源^[26]

半衰期指的是放射性核素半数原子核衰变（通过发射粒子和能量自发转变为其他种类的核素）所用的时间。即放射性核素的射线强度减半所用的时间。半衰期是放射性核素的特征量。不同的放射性核素有不同的半衰期，并且不易受外界环境（温度、压力、电场或磁场、化合等）条件的影响。例如人体中两种重要的放射性核素碳-14和钾-40，前者的半衰期大约5700年，后者则将近13亿年。由于后者的半衰期与地球的年龄具有可比性，故可以说，现存的钾-40是地球诞生时就有的。反之，地球诞生时就有的碳-14早已转变成了稳定的氮-14，现存的碳-14是宇宙射线与大气（氨）持续相互作用的结果。当初卢瑟福在提出半衰期这一概念时称之为“周期”，因为他发现，每经过相同的时间，放射性核素的辐射强度就在原有的基础上减半，呈现一种几何级数下降的态势，在此基础上，人们揭示了衰变过程的随机本性。^[27]

衰变常数与半衰期密切相关，是放射性核素的另一个特征量。衰变常量是单位时间内放射性核素衰变的份额，或单位时间内一个原子核衰变的概率。衰变常量与半衰期成反比关系。半衰期越长，则衰变常量越小，单位时间内放射性核素衰变的份额越小，半衰期长，衰变常数小，未必产生的射线粒子数目少（一次衰变匀能产生多个射线），反之亦然。例如，同样质量（1g）的铀-238和镭-226，前者的活度比后者小百万倍，主要原因就是铀-238的半衰期比镭-226大百万倍。^[27]

放射性主要来源于核工业、军事活动等方面，岩石、空气中的氡dōng也有放射性物质，有些食物也会含有放射性物质，比如食盐中的钾40，体检时的X射线透视。^[3][28][29]

放射性来源于核武器制造及核试验、核能生产、放射性同位素的生产和应用及核事故等。核试验产生的放射性核素有核裂变产物和中子活化产物。核裂变产物包括200多种放射性核素，如135Xe，133Xe，133mXe，131mXe，85Kr，89Sr，90Sr等一些重要放射性核素。中子活化产物是由核爆炸时所产生的中子与大气、土壤、岩石、建筑材料等发生核反应所形成的产物，如37Ar，3H，14C，55Fe，32P等。^[28]

军事活动会产生放射性物质，比如试制原子武器、军事上的芥子气桶、废弃的原子核等。^[29]

危害

放射性的危害根据剂量的不同而不同，过量的辐射对人体有危害作用，其对人体危害的大小与多种因素有关。接触射线的时间越长、离放射源越近、放射性强度越大，对人体的危害越大，另外，个体的敏感性也存在差异。射线进入人体内，与细胞发生电离作用，对人体组织造成损伤，甚至破坏人体的DNA结构，导致畸形、肿瘤等疾病的发生。大剂量的辐射在短时间内就可以造成人体死亡。^[3]

防护

时间防护：尽量减少受到辐射的时间。

距离防护：尽量远离辐射源，距离放射源越远，人体吸收射线的剂量越小，受到的伤害越轻。

屏蔽防护：在放射源与人之间设置能够阻挡射线的物体，比如铅板等。

监测防护：加强监测，防止意外事故的发生。^[3]

放射性工业中可以用来透视各种产品是否存在损伤。比如射线的穿透能力极强，能穿透30cm厚的铁板。^[3]此外，还可利用示踪原子检测机械的磨损程度。例如，有些大型机械在使用中很长时间不能停机（如焦化厂的大型鼓风机），人们要了解其轴承的磨损情况。一旦轴承磨损到一定程度，则必须更换。因此在制造该机械时，在轴承的最大允许磨损处掺入微量放射性核素。为了减少磨损，大型机器几乎每小时都给轴承上一次润滑油，通过对从轴承处漏下的废润滑油的检测，可判定该轴承是否到了磨损的极限。^[4]

利用粒子的特性，用射线照射种子，能引起DNA变异，在农业上常用来育种。用射线照射食品，能杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。^[3]

利用同位素原子的放射性原理可以更科学的施肥，肥料在农作物中的分布及农作物的各部分对肥料的吸收情况，用普通的方法很难探测。利用放射性同位素制成肥料，通过观测放射性元素在植物体内的分布情况，可以帮助人们了解农作物如何吸收营养。^[3]

医学上常用射线来对疾病尤其是癌症进行治疗，因为人体组织对射线的耐受能力不同，分裂越快的组织，对射线的耐受性越低。利用同位素放射性，可以示踪原子，通过示踪原子可以确定开刀位置及切除的干净程度，还有给人体内注入放射性同位素碘131，定时用探测器探测，有助于诊断甲状腺疾病。^[3]此外，放射性元素（亚甲基二磷酸盐）可应用于骨显像，这对多发性骨髓瘤（MM）患者治疗来说意义重大，可以实现动态观察。^[30]

射线照射可以灭菌灭虫，对于食物保存和杀菌具有重要意义。此外，在地质学上，可以利用放射性元素的衰变规律来判断古地质化石的年代，对于考古学有重要作用。^[4]