放射性
放射性或辐射性[1]是指某核素的原子核不稳定，会自发性地放出电离辐射（如α射线、β射线、γ射线等）而衰变成另一种核素（衰变产物），这种特性称为放射性。衡量放射性强度的国际单位为贝克勒尔（Bq），传统单位则为居里（Ci）。
原子核不稳定、具有放射性的核素称为放射性核素或放射性同位素，其衰变时放出的能量称为衰变能量。至于原子核足够稳定，不会或无法观测到其发生衰变的核素，则称作稳定核素或稳定同位素。每种元素都有着许多种放射性同位素，若某元素的所有同位素都具有放射性，则我们称该元素为放射性元素，原子序数为83（铋）以上的元素都属于放射性元素，而原子序数小于83的元素都具有至少一种稳定的同位素（锝和钷除外）。[2]
有趣的是，绝大多数稳定核素的质子或中子数都至少有一个是偶数，质子和中子数皆为奇数的稳定核素非常稀少；而周期表中原子序为偶数的元素，其稳定同位素的数量通常也比相邻的奇数者来得多；此外，从原子序84（钋）开始一直到97（锫）之间的放射性元素中，原子序是偶数者，其最长寿同位素的半衰期也都比相邻的奇数者长。这是由于原子核中的质子或中子互相成对时，能互相抵销彼此的自旋角动量，使得原子核具有较大的稳定度，因此核子数为偶数的核素形成稳定核的可能性本身便比奇数者来得高。除了核子是否成对外，原子核中具有特定数目的质子或中子时，将有利于形成特别稳定的配置结构，称为魔数（皆为偶数）。[3][2]
对单一原子来说，放射性衰变依照量子力学是随机过程，无法预测特定一个原子是否会衰变[4][5][6]。不过原子衰变的概率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言，可以用量测衰变常数计算其衰变速率及半衰期。放射性核素的半衰期没有已知的时间上下限，范围可以到55个数量级，短至几乎瞬间，长至宇宙年龄的一兆倍。稳定性愈高的放射性核素，其半衰期愈长，放射性愈低。在所有元素的放射性同位素中，有650种的半衰期超过一小时，而有数千种的半衰期更短。
发生衰变的放射性核素称为母核素（parent nuclide）或母同位素（parent isotope），其衰变后产生的核素称作子核素（daughter nuclide）或子同位素（daughter isotope）。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。
放射性衰变有许多种不同的类型。衰变过程中若原子核的中子数或质子数发生了改变，则称此衰变为核嬗变。若为中子数的改变，则核嬗变后的产物为同种元素的另一种同位素；若为质子数的改变，则核嬗变后的产物为另一种不同的化学元素。
最常见的衰变种类是α衰变和β衰变。α衰变是原子核放出α粒子（氦原子核），是发射核子的衰变中最常见的。不过有些原子核也会放出质子（质子发射）或中子（中子发射），或者释放比α粒子更重的原子核（自发裂变或簇衰变）。β衰变是原子核释放β粒子（电子或正电子）及中微子，并将质子转变为中子（或是将中子转变为质子）[7] 。原子核的质子也可能捕获轨道上的电子，使质子转变为中子，此为电子捕获。上述的衰变种类都属于核嬗变。
此外，也有一些核衰变不会改变原子核的组成，产生新的核素，例如γ衰变为激发态原子核的能量以γ射线的方式释出，而内转换则是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现象。这类衰变通常并不单独发生，而往往伴随在α衰变、β衰变或电子捕获之后而起。[2]
目前地球上有34个天然存在的放射性原始核素，分属于28个化学元素。它们的形成可以追溯到太阳系诞生之前，由于它们都具有非常长的半衰期，因此直至今日仍能以相当的量存在于地球上。著名的例子包括铀、钍等放射性元素，以及钾-40、钐-147等非放射性元素的长寿放射性同位素。除了以上34种长寿放射性核素外，地球上也存在着约50个非原生的、寿命较短的放射性核素。其中一部分是放射性原始核素衰变后的产物（例如镭-226、氡-222及钋-210等），部分则是宇宙射线散裂产生的宇生放射性核素（例如氚、碳-14及磷-32等），如碳-14就是由宇宙射线撞击氮-14所产生。
放射性核素也可透过粒子加速器或核反应堆来人工合成。使用人工合成的方式能制造出许多自然界中不存在的放射性核素，称为人造同位素，它们的寿命通常较短，且不处于自然界的3条主要衰变链中，因此只能以人工合成的方式生成。所有同位素皆为人造同位素的元素称作人工合成元素或人造元素，例如锿、镄等。
发现史
放射性是由法国科学家亨利·贝克勒尔在1896年研究磷光材料时发现[8]，磷光材料在暴露在日光下后，在黑暗中会发光，他认为X射线碰撞阴极射线管后发出的光和磷光有关。他将照片底片卷在黑色纸张内．上面放置许多不同的磷光材料，一直到用铀盐时底片才有影像，即使底片被黑色纸张包覆在内．底片仍显现出黑色的感光图像。这种穿透性质的辐射被称为“贝克勒尔射线”。
后来很快就发现上述的感光和磷光无关．因为使用非磷光材料的铀盐甚至铀金属，也会有一样的效果。因此推断有一种不可见的辐射可以穿过黑色纸张，使底片感光而变黑。
一开始人们认为这种辐射类似于刚发现的X光。而贝克勒尔、欧内斯特·卢瑟福、保罗·维拉尔、皮埃尔·居里、玛丽·居里等人的研究发现这种辐射比X光复杂。卢瑟福是第一个发现具有这种辐射性质的元素会依循着指数形式衰减的人。卢瑟福和他的学生弗雷德里克·索迪最早发现元素的衰变过程会使其原子嬗变成另一种元素的原子。随后，弗雷德里克·索迪和卡西米尔·法扬斯提出索迪-法扬斯放射位移定律，用于描述α衰变及β衰变的产物。
早期的研究者也发现除了铀之外，一些其他的化学元素也具有这种辐射性质，例如钍等。皮埃尔·居里和玛丽·居里发现沥青铀矿的辐射剂量远高于理论值，因此推断其中含有放射性远强于铀的未知元素，并经过反复实验后成功从中分离出两种新元素：钋和镭。镭一方面具有放射性，而且化学性质类似钡，增加了分离的难度，玛丽·居里也因分离了这二种元素而获得诺贝尔化学奖[9]。
居里夫妇对放射性的研究对科学和医学界有着重大影响。他们发现了钋和镭之后，创造了“放射性”（radioactivity）[10]一词来定义这种重元素发射高能电离辐射的性质[11]（后来该词的定义被扩展到所有元素）。他们对放射性的研究和镭的发现开启了使用镭治疗癌症的时代，不但是核能的首个和平用途，更是现代核医学的开端。[10]
放射性单位
国际单位制（SI制）的放射性强度单位为贝可勒尔（Bq），得名自科学家亨利·贝克勒尔尔，1贝可勒尔定义为一秒有一个原子衰变。
较早期放射性活度的单位为居里（Ci），定义为其一克的镭226放射性活度。现在一居里定义为每秒3.7×1010个原子衰变，因此1 居里 （Ci） = 3.7×1010 Bq。在放射保护的应用上，美国核能管理委员会允许使用居里及国际单位制单位 [12]，但欧盟的欧洲测量单位指令要求在公共卫生方面，自1985年12月31日起不能使用居里单位[13]。
衰变
放射性衰变是指不稳定的原子核放射出电离辐射并转换其核子组成或能级的现象。放射性衰变通常都有一定的周期，并且一般不因物理或化学环境而改变，这也就是放射性可用于确定年代的原因。由于一个原子的衰变是自然地发生，即不能预知何时会发生，因此会以概率来表示。假设每颗原子衰变的概率大致相同，例如半衰期为一小时的原子，一小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分之一，两小时后会是四分之一，三小时后会是八分之一。
放射性衰变根据过程和产物的不同分为非常多种类型，某些原子的放射性衰变会生成另一种核素的原子，并释放出α粒子、β粒子或中微子等粒子，在发生衰变后，处于激发态的原子还会释出γ射线。每种放射性核素通常都有其固定的衰变模式，但有些核素有可能发生多种形式的衰变，称为分支衰变（branching decay），例如钾-40有89.28%的概率发生β-衰变形成钙-40，10.72%发生电子俘获形成氩-40。
通常衰变所生成的产物大多也带有放射性，因此会进行一连串的衰变过程，直至该原子衰变成一稳定的核素，称作衰变链。但像碳-14、钾-40等核素则只会经过一次衰变便形成稳定核素，并不会一连串地发生衰变。
衰变后的实物粒子静止质量的总合会少于衰变前实物粒子静止质量的总和，根据质能方程，能量可以表现出质量。当物体的能量增加E，其质量则增加E/C²，当物体的能量减少E，其质量也减少E/C²，如果一个原子核衰变后放出实物粒子，假设该原子核在衰变前相对于某一惯性参照物静止，衰变后的新原子核和所放出的实物粒子相对于该惯性参照物运动，即对于该惯性参照物而言，新原子核和所放出的实物粒子具有动能，当新原子核或所放出的实物粒子与其他粒子发生碰撞，它便会失去能量。因此，衰变前和衰变后质量和能量都是守恒的，粒子的静止质量则不守恒。如果该原子核放出光子，同样的，光子也具有质量，但没有静止质量。
发生核衰变的放射性核素中，有的是在自然界中天然存在的，如铀-238、碳-14等，也有很多是经过粒子对撞等方法人工合成的核素，如钴-60、锝-99m等。
衰变类型
放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态，每种放射性核素均有其固定的衰变模式。下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数为A、原子序数为Z的原子核在表中描述为（A, Z），“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如，（A − 1，Z + 1）意为“子核质量数比母核少1（少一个核子），而原子序数比母核多1（多一个质子）”。
| 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： | ||||
| α | α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） | 238 92U → 234 90Th + 4 2He |
| 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） | 151 71Lu → 150 70Yb + p |
| 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） | 15 4Be → 14 4Be + n |
| 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） | 45 26Fe → 43 24Cr + 2p |
| 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） | 5 1H → 3 1H + 2n |
| 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 | 250 96Cm → 130 52Te + 120 44Ru |
| 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） | 223 88Ra → 209 82Pb + 14 6C |
| 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（ ν e）的衰变类型 |
（A，Z + 1） | 32 15P → 32 16S + e− + ν e |
| 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（ ν e）的衰变类型 |
（A，Z − 1） | 11 6C → 11 5B + e+ + ν e |
| 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） | 53 25Mn + e− → 53 24Cr + ν e |
| 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） | 130 52Te → 130 54Xe + 2 e− + 2 ν e |
| 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） | 130 56Ba + 2 e− → 130 54Xe + 2 ν e |
| 同种原子核间的转换： | ||||
| γ | γ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） | 60 28Ni * → 60 28Ni + γ |
| 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） | 99m 43Tc → 99 43Tc + γ |
| 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） | 203 81Tl * → 203 81Tl + 内转换电子 + 特性X射线 + 俄歇电子 |
天然辐射的来源
自然界中的辐射是由天然放射性核素所放射出，而天然放射性核素有以下四种可能的来源：
- 原始放射性核素：原始核素是指在地球起源时就存在于地壳中的核素，大多是在恒星核合成和超新星爆炸的过程中产生，包括所有稳定核素和一些半衰期极长的放射性核素，其中一些核素的半衰期甚至长达宇宙年龄的数倍，因此直到近年来才检测出其放射性。地壳中的原始放射性核素经历数十亿年的长久地质年代，母、子体之间已达到平衡，其中最重的三种核素在地壳中的衰变过程组成了现今自然界中三条最主要的衰变链，分别是以238U为母体的铀系、以235U为母体的锕系和以232Th为母体的钍系，这三条衰变链的初始核素具有极长的半衰期，且衰变的终点都是铅的稳定同位素。除了以上三种核素外，其他代表性的原始放射性核素还包括40K、48Ca和209Bi等，总共约34种。
- 次生天然放射性核素：为上述原始放射性核素的衰变产物。它们的半衰期通常较短，但由于处在自然界的三大衰变链中，因此能不断地作为衰变产物生成。例子包括镭、氡和钋等的天然同位素。由于它们的半衰期较短，单位时间内的放射剂量较大，因此矿场和地下室的放射性危害通常是由这些短寿命核素造成的。
- 宇生放射性核素：来自外太空的宇宙射线与地球上的物质发生碰撞（即宇宙射线散裂）后会产生许多新的核素，称为宇生核素，包括稳定核素和放射性核素。代表性的宇生放射性核素包括3H、14C和32P等。
- 核生成放射性核素：地球上的原子发生自发裂变、中子捕获等作用后也能产生各种稳定核素和放射性核素，称为核生成核素。例如自然界中的99Tc、239Pu等放射性核素主要是由核生成作用所产生。
放射性的用途
相关的警告标志
-
三叶形符号警告有电离辐射 -
![2007 针对IAEA1-3级的ISO辐射危险符号，可能会造成死亡或严重伤害的放射源[15]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Logo_iso_radiation.svg/145px-Logo_iso_radiation.svg.png)
2007 针对IAEA1-3级的ISO辐射危险符号，可能会造成死亡或严重伤害的放射源[15] -
辐射物质的危险物质运送标志（II 级黄放射性物质） -
放射性物质管理区域 -
一半ISO垃圾箱准备运输
![2007 针对IAEA1-3级的ISO辐射危险符号，可能会造成死亡或严重伤害的放射源[15]](/wiki/File:Logo_iso_radiation.svg)
参见
参考资料
- ^ 蔡嘉一，《辐射安全》，第1页。
- ^ 2.0 2.1 2.2 魏明通. 核化學. 五南图书出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5.
- ^ 叶锡溶 蔡长书. 放射化學（第二版）. 台湾台北县: 新文京开发出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（台湾））.
- ^ Stabin, Michael G. 3. Stabin, Michael G (编). Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics. Springer. 2007 [2022-09-15]. ISBN 978-0-387-49982-6. doi:10.1007/978-0-387-49983-3. （原始内容存档于2020-04-19）.
- ^ Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram. 1.3. Radiation Oncology Primer and Review. Demos Medical Publishing. 2013. ISBN 978-1-62070-004-4.
- ^ Loveland, W.; Morrissey, D.; Seaborg, G.T. Modern Nuclear Chemistry. Wiley-Interscience. 2006: 57. Bibcode:2005mnc..book.....L. ISBN 978-0-471-11532-8.
- ^ Konya, Jozsef. Nuclear and Radiochemistry. Elsevier. 2012: 74. ISBN 9780123914873.
- ^ Mould, Richard F. A century of x-rays and radioactivity in medicine : with emphasis on photographic records of the early years Reprint. with minor corr. Bristol: Inst. of Physics Publ. 1995: 12. ISBN 9780750302241.
- ^ Marie Curie – Scandal and Recovery (1910–1913) Part 2. American Institute of Physics. [7 November 2011]. （原始内容存档于2011-09-12）.
- ^ 10.0 10.1 L'Annunziata, Michael F. Radioactivity: Introduction and History. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science. 2007: 2. ISBN 9780080548883.
- ^ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey. General chemistry 8th. Prentice Hall. 2002: 1025. ISBN 0-13-014329-4.
- ^ 10 CFR 20.1005. US Nuclear Regulatory Commission. 2009 [2015-12-08]. （原始内容存档于2015-12-08）.
- ^ The Council of the European Communities. Council Directive 80/181/EEC of 20 December 1979 on the approximation of the laws of the Member States relating to Unit of measurement and on the repeal of Directive 71/354/EEC. 1979-12-21 [2012-05-19]. （原始内容存档于2013-10-19）.
- ^ 放射性與輻射. [2015-11-14]. （原始内容存档于2016-03-06）.
- ^ IAEA news release Feb 2007. [2015-11-14]. （原始内容存档于2007-02-17）.