天然放射性核素

Question

如题所述

Answer 1

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放射性核素。如

(铀)、²³²Th(钍)、⁸⁷Rb(铷)、⁴⁰K(钾)、¹⁴⁶Sm(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¹⁴C(碳)、¹⁰Be(铍)、²⁶Al(铝)、³⁶Cl(氯)等，它们广泛存在于第四纪地层、新的构造面和生物体内；因此有利于用来测定近代地质作用的年龄和考古研究，也常用来研究太阳黑子暴发。

在自然界已发现的天然放射性核素有230多种，其中绝大多数一次核衰变后即形成稳定核素。如⁸⁷Rb(铷)、¹⁴⁶S(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、钍系列和锕铀系列，其中铀、钍是核动力工程的主要原料，是由放射性矿产而来。

(一)三个天然放射性系列

1.铀系

铀是自然界存在的主要放射性元素矿产，起始的放射性母体核素为

(铀)，如图1-1-1(a)所示，符号写为UI。它自发α衰变(图1-1-1中向左斜箭头)使质量数减4，原子序数减2，生成钍同位素

(UX₁)；又经β衰变(图1-1-1中向右平箭头)原子序数增加一位生成镤同位素²³⁴Pa^m(UX₂)；²³⁴Pa^m有两种衰变方式，99.85%经β衰变生成铀同位素²³⁴U(UⅡ)，其中0.15%的原子核仅放出γ射线，转变为镤的同质异能素UZ；而UZ又经β衰变，生成铀的同位素UⅡ；UⅡ经过两级α衰变，生成长寿命放射性核素

(镭)；又经α衰变生成系列中唯一的气体放射性核素

(氡)；又经若干次α衰变和β衰变最后生成稳定的铅的同位素

(铅)。

铀系衰变的质量数变化都是4的整数倍加2，即A=4n+2，其中n=59～51，所以铀系也叫4n+2系列。

2.钍系

钍系的起始放射性母体核素为

(钍)，如图1-1-1(b)所示，经过10次α衰变或β衰变，最后也形成铅的稳定同位素

(铅)。其质量数变化都是4的整数倍，即A=4n，其中n=58～52，所以钍系也称4n系列。

3.锕(铀)系

锕系的起始放射性母体核素为

(AcU)，如图1-1-1(c)所示，经过11次α衰变或β衰变，最后也形成稳定的铅同位素

(铅)。锕系的质量数变化是A=4n+3，其中n=58～51，所以锕系又叫4n+3系列。

(二)三个放射性系列共同特点

1)每个系列都有一个长寿命的起始放射性核素(见表1-1-1～表1-1-3)。其半衰期都在7.13×10⁸～1.41×10¹⁰a之间。

2)每个系列的最后都是铅的稳定同位素，铀系为²⁰⁶Pb，锕系为²⁰⁷Pb，钍系为²⁰⁸Pb。

3)每个系列都有一个气体，氡的放射性核素：铀系为²²²Rn，钍系为²²⁰Rn(Tn)，锕系为²¹⁹Rn(An)。

4)每个系列核素的质量数变化有相似的规律性，钍系A=4n，铀系A=4n+2，锕系A=4n+3。这启发人们发现了人工放射性镎（

）系，其质量数变化为A=4n+1。由于它的半衰期仅为2.14×10⁶a，比地球年龄45亿年小很多，所以自然界已不存在。

图1-1-1 天然放射性系列衰变图

表1-1-1 铀系衰变常数及半衰期

表1-1-2 钍系衰变常数及半衰期

表1-1-3 锕铀系衰变常数及半衰期

(三)三个天然系列放射性核素的α、β、γ射线能量谱

1.α射线(粒子)能量谱

凡是产生 α 衰变的核素一定是母体质量m_Z大于子体(m_Z-2)和氦原子的质量(m_He)。进行α衰变的天然放射性核素绝大多数都是原子序数大于82的核素，人工放射性核素的α衰变也基本如此。根据(1-1-2)式，可以计算放射系列中每个α射线(粒子)的能量。

Q=m_Z-(m_Z-2-m_He) (1-1-5)

由于基本粒子的质量很小，常用原子质量单位来表示。原子质量单位是以

(碳)的原子质量值为12原子质量单位为标准定出来的质量度量单位(用u表示)。

1 u(原子质量单位)=1.6599×10^-24g

物理学上常用的能量单位焦(J)，尺度过大；一般用电子伏(eV)作度量能量单位。定义为：电子在电位差为1V的静电场中从阴极迁移到阳极，所获得的能量。由于电子所带电荷为4.8×10^-10静电单位，伏特电位差等于1/300静电单位，所以：

核辐射场与放射性勘查

还可以通过质量与能量互换关系，计算出：

核辐射场与放射性勘查

1MeV(兆电子伏)=10⁶eV(电子伏)

根据上述关系，可以计算：²²⁶Ra衰变为²²²Rn过程中放出的主要α粒子94.3%的能量为4.777MeV

²²⁶Ra→²²²Rn+⁴He+Q；其中m_Ra=226.09574u，m_Rn=226.09050u；Q=m_Ra-(m_Rn+m_He)=0.00524u。Q=0.00524×931.141MeV=4.88MeV，则

。Q=4.79MeV。由于伴有γ射线0.188MeV，使α射线分成(94.3%)E₂=4.777MeV，(5.7%)E₂=4.593MeV，而加权值为4.762MeV。；另一组5.7%为4.593MeV。两者的加权值为4.762MeV。

表1-1-4～表1-1-6中列出了铀系、钍系及锕系各主要α射线能量，这些能量值都是根据发射所得百分数计算的加数平均值能量，并列出了每个核素每百次衰变α粒子的产额以及能量的相对份额。

表1-1-4 铀系核素的α、β、γ射线能量谱

续表

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表1-1-5 钍系核素的α、β、γ射线能量谱

续表

表1-1-6 锕系核素的α、β、γ射线能量谱

续表

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根据盖革-努塔尔定律(Geiger-Nuttall Rule)，α粒子的能量(E_α)与核素的半衰期(T_1/2)关系式为

核辐射场与放射性勘查

由此可见，半衰期短的放射性核素放出的α射线能量较大。铀系中²²²Rn及以后几个短半衰期子体，如²¹⁸Po，如²¹⁶Po、²¹²Bi和²¹²Po放出的α射线能量都比较大。

2.β射线能量谱

由(1-1-3)式可知，β核衰变后除了形成子体，还同时放出β射线及中微子。在总动能中每个β粒子(E_β)和中微子(E_ν)所带走的能量不是固定的，因此β粒子的能量，可以从最小(E_β=0)至最大(E₀)，形成一个连续的能量谱线，如图1-1-2所示。表1-1-4～表1-1-6中所列的β粒子能量为最大能量。

3.γ射线能量谱

γ射线是放射性核素原子核从高能级向低级跃迁时放出的电磁辐射。三个天然放射系列中铀系在镭之后有2个高能量γ辐射体：²¹⁴Pb(RaB)和²¹⁴Bi(RaC)，铀后的第二个子体核素²³⁴Th(UX₁)也是重要的γ 辐射体。钍系有4个，即²²⁸AC(MSTh₂)、²⁷²Pb(ThB)、²¹²Bi(ThC)和²⁰⁸Tl(ThC″)。锕系也有4个主要γ辐射体。表1-1-4～表1-1-6 中还列出了一次核衰变发射 γ 射线的几率。

需要说明的是，各种天然放射性核素在岩石中含量都统一以克拉克值表示。由于⁴⁰K在自然界中分布广泛，克拉克值高，而且 γ辐射能量(1.46MeV)也高。相对来讲⁴⁰K的γ辐射能量总和占天然放射性核素γ辐射总和的42%，平衡钍系占32%，平衡铀系和锕系共占25%，¹³⁸La(镧)和¹⁷⁶Lu(镥)等核素共占1%。

图1-1-2 β射线连续能量谱

图中各核素β谱的最大值E₀分别为：ThB，0.32MeV；RaE，1.17MeV；Th(C+C″)，2.25MeV+2.38MeV；RaB，0.68MeV；RaC，2.10MeV