中文名：放射性同位素

外文名：RadioaCTiveisotope

特点：元素具有放射性、可标记

衰变类型：α、β、γ衰变

用途：示踪原子、放射射线等应用

衰变系列：铀系列、钍系列和锕系列

元素的原子由原子核和电子构成，而原子核又由质子和中子组成。同种元素具有相同的质子数，但可以有不同的中子数，这种具有相同的质子数而具有不同的中子数的元素叫同位素。其中有一些同位素的原子核能自发地发射出粒子或射线，释放出一定的能量，同时质子数或中子数发生变化，从而转变成另一种元素的原子核。元素的这种特性叫放射性，这样的过程叫放射性衰变，这些元素叫放射性元素。具有放射性的同位素叫放射性同位素。发生放射性衰变的元素称为母体，由放射性衰变形成的元素称为子体。

根据放射性元素释放或吸收的粒子或射线，可将放射性衰变划分为以下几个类型：

（1）α衰变：放射性元素自发地释放出α粒子的衰变过程叫α 衰变。α粒子质量数为4，由2个质子和2个中子组成，是原子序数为2的高速运动的氦原子。高速运动着的α 粒子流就是α 射线。经过α衰变形成的放射性元素与其母体相比质量数减4，原子序数降低2位。其衰变过程如下：

例如，铀-238（

（2）β衰变：放射性元素自发地使核内一个中子转变为质子，释放出β 粒子的衰变过程叫β 衰变。β粒子的质量与电荷均与电子相同，其实质就是一个高速运动的电子。高速运动着的β 粒子流就是β 射线。β 射线具有比α 射线高得多的穿透能力。经过β 衰变形成的放射性元素与其母体相比质量数不变，但原子序数增加1位。其衰变过程如下：

例如，铅-214（

（3）电子俘获：放射性元素自发地俘获一个核外轨道电子，使核内一个质子变为中子的衰变过程叫电子俘获。经过电子俘获形成的放射性元素与其母体相比质量数不变，但原子序数减少1位。其衰变过程如下：

例如，钾-40（

（4）同质异能γ 跃迁。通常α 衰变或β 衰变形成的新原子核处于不稳定的激发态，但这个时间很短（约10^-13s），很快跃迁到较低能级或基态，并释放出γ 射线（y 射线是一种波长很短的电磁波，具有穿透能力）。这种现象仅发生能级跃迁，而核的质量数和原子序数都不变，所以不产生新的元素。但有些原子核的激发态存在时间较长，可以作为独立的放射性核素，这种通过γ 跃迁形成的子体与母体称为同质异能素。

放射性元素最基本的特征是不断发生同位素衰变，而衰变的结果是放射性同位素母体的数目不断减少，但其子体的原子数目将不断增加。由于放射性同位素的衰变不受外界温度、压力或化学条件控制，其衰变速率的大小完全是每种放射性元素的固有特性，发生衰变的原子数目仅与时间有关如果起始时刻放射性元素母体的数目为N，经过一段时间dt后，已经发生衰变的放射性元素数目dN与剩余尚未衰变的母体数目N和dt的乘积呈正比，即

写成等式：

对上式进行积分可得

式中：λ 为每个放射性元素原子在单位时间内的衰变几率，又叫衰变常数：N₀为开始时（t=0）放射性元素原子个数：N为经过时间t后剩余的原子个数。

该式说明放射性同位素总原子数随着时间的减少服从于指数定律。这是放射性衰变基本定律，也是放射性同位素测年的基本公式。不同放射性元素的衰变速率相差很大，衰变常数越大，元素衰变得越快，并且衰变速度在整个衰变时间内并不是保持不变的，而是随着时间的增长而降低，但每个放射性元素的衰变常数是一定的。

当放射性元素原子数衰变减少到原来的一半（N=1/2N₀）时所经历的时间（T）称为半衰期。

每个放射性元素都有固定的半衰期，如²³⁸U的半衰期为4.468×10⁹ a，²³²Th的半衰期为1.41×10¹⁰a（141亿年），称为长寿命元素。一般认为放射性元素经历10个半衰期后就已经完全衰变。

放射性同位素不断地衰变，它在单位时间内发生衰变的原子数目称为放射性强度，也可理解为放射性活度。放射性强度的常用单位是居里，表示在1s内发生3.7×10¹⁰次核衰变，符号为Ci。除居里外，过去常用的单位还有dps和dpm。其中，dps表示每秒钟放射性元素衰变的次数：dpm表示每分钟衰变的次数。

自然界中已发现230多种天然放射性元素，其中绝大多数经一次核衰变后就形成稳定核素，如⁴⁰K、¹⁴C，但有部分放射性元素衰变后所形成的元素仍然是放射性元素，这样的元素大约有50个，并形成3个互不相干的放射性系列，即铀系列、钍系列和锕（铀）系列。

放射性同位素技术已广泛应用于国民经济的许多领域，在工业、农业、医学、资源环境、军事科研诸多领域的应用已获得了显著的经济效益、社会效益、环境效益，也是核能利用的重要方面之一。

示踪原子

将一种稳定的化学元素和它的具有放射性的同位素混合在一起，当它们参与各种系统的运动和变化时，由于放射性同位素能发出射线，测量这些射线便可确定其位置与数量。只要测出了放射性同位素的分布和动向，就能确定稳定化学元素的各种作用。这种方法称为示踪原子方法，应用很广泛。

（1）在石油工业上的应用。将含放射性γ 射线的物质压人井的管外通道或进入地层，或进入射孔孔道附近的地层面上，在此前后分别进行γ 测井，对比所测得的两条曲线就能知道注入的示踪剂沿井剖面的分布。若由于固井质量差或由于射孔及其他工程施工使水泥环破裂，造成层间串通，则对采油和注水均有不良影响，应及时测定并采取堵串措施。放射性示踪法是检查串槽的有效方法之一。当层间串槽、误射孔等需封堵时，也可用放射性示踪剂检查封堵效果。低渗透率地层经压裂后能增加产量，示踪测井能检查压裂效果。

（2）在机械工业上的应用。在机械工程中，有的机体当磨损超过一定限度时会发生危险。可以在离机件表面某一规定深度处安置一些放射性物质，当机件磨损到该处时，在被润滑油带走的磨屑中便会出现放射性物质，从而可以采取相应措施。

（3）在电子工业上的应用。在半导体元件制造工艺上，可用示踪原子的方法研究杂质在半导体中的扩散情况。例如，将放射性锌扩散到半导体锗中，然后逐层磨下，测量其放射性强度，就可知道扩散进去的锌在锗中的分布规律。

（4）在农业上的应用。可用示踪原子研究施肥的效果。例如，将含有放射性磷的肥料施在成熟期的棉花根部，测量后发现在棉株中的放射性磷很少，这说明在棉桃成熟期时根部很少吸收肥料；若将磷肥洒在叶子上，则很快在棉株中找到放射性磷，这说明叶子能吸收肥料，且效果更佳。

放射性射线

放射性射线的应用主要是：

（l）射线探测。将γ射线透过样品，若样品中有砂眼或裂痕，则射线在该处的吸收就减小，因此在样品后面放上照相底片，显影后的底片上将留下相应的痕迹。另外，射线通过物质时都按照一定的规律被物质吸收或散射，这样就可测量物体的密度及厚度等。在石油勘探方面，应用γ射线等可研究地层的性质，求出泥质含量，区分岩性，测定岩层中的孔隙度，找出生油层、储油层。

（2）在医疗上的应用。放射性射线可使癌肿的组织受到破坏，抑制癌肿的发展，利用它还可消毒杀菌、人体内部透视等。

（3）在农业上的应用。种子经过射线适当照射后，可刺激生长发育，使农作物提早成熟，增加产量，培育新品种。目前我国已开展推广稀土农用技术，并获得了很好的经济效益。

（4）在化工和其他方面的应用。例如，应用辐射化学进行乳汁融合来生产黏合剂；将核辐射技术用于印染助剂。射线穿过物质时能使物质的分子电离，利用它可使空气电离，获得导电能力，从而消除有害的静电积累。

对于岩石年龄的测量，科学家一般采用同位素测年法，即利用放射性元素核衰变规律测定地质体的年龄。“当岩石和矿物中含有的放射性同位素物质形成后，与周围环境隔绝的放射性同位素(母体)不断地衰变而减少，衰变产生的稳定同位素(子体)在该物体中相应积累而增加。”

核技术应用，是利用放射性同位素和电离辐射与物质相互作用所产生的物理、化学及生物效应来进行应用研究与开发的技术。在环保、材料和食品加工方面，都有广阔的应用前景。

1.放射性同位素与射线装置使用场所必须设置防护设施。其入口处必须设置放射性标志和必要的防护安全连锁、报警装置或工作信号。

2.单位必须设专人对放射源和射线装置进行管理，定期检查、维修并做书面记录。放射源和仪器、设备发生故障时，应由专人处理。

3.放射性同位素与射线装置的使用单位必须严格按照安全操作规程进行操作，严格控制照射剂量，防止对人体造成伤害，避免放射事故的发生。

4.放射性同位素和放射源的使用单位须设置专用源库，严格管理，防止泄漏、丢失。建立健全保管、领用、返还登记制度;配备必要的防护检测仪表及防护用品;建立应急处理方案。

5.从事放射性相关工作的人员应在上岗前体检和定期体检，由市、区卫生防疫站负责统一安排，各有关单位的主管领导应督促从事放射性相关工作的人员参加体检，并给予经费及各方面的保障。

6.发生放射源丢失、泄漏事故的单位，必须立即采取防护措施，控制事故的影响，保护事故现场，并向主管部门以及省市公安、卫生防疫部门报告。

7.各单位必须按省卫生厅管理规定办理年检和换证手续。注销、变更放射性同位素与射线装置，需持许可登记证到原审批部门办理注销、变更手续。

8.放射性同位素的使用单位停止使用放射性同位素时，须将放射性同位素、辐射源妥善处理，并将处理报告交到学校治安及技安部门，以便及时上报市卫生防疫站、市公安局及市环保局。经审查同意后，由市卫生防疫站、市公安局注销其许可证。

9.凡违反本规定造成事故的，学校将按卫生部、公安部颁发的《放射线事故管理规定》的条款，对有关单位和责任人进行处罚。对造成严重后果，构成犯罪的，由司法机关依法追究刑事责任。