放射性元素是指能够自发地从不稳定原子核内部放出粒子或射线（如α粒子、β射线、γ射线等），同时释放出能量，最终形成稳定核素的一类元素，这一过程叫做放射性衰变。一般原子序数在84以上的元素都具有放射性，原子序数在83以下的某些元素如锝（Tc）、钷（Pm）等也具有放射性。放射性元素分为天然放射性元素和人工放射性元素两类。天然放射性元素包括钋（Po）、氡（Ru）、钫（Fr）、镭（Ra）、锕（Ac）、钍（Th）、镤（Pa）和铀（U）等；人工合成的放射性元素，如锕系元素中在钚以后的元素。自然界存在三个主要天然放射系，分别为铀系、锕系和钍系，这三个系的“始祖”核素分别为238U、235U和232Th。由于“始祖”核素的寿命和地球的年龄相近，所以这些核素还没有完全衰变掉。系中每一个放射性核素都是由前代的放射性核素通过 α或β衰变产生，最后分别终止于稳定核素206Pb、207Pb和208Pb 。
放射性元素的发现
在近代化学诞生之后相当长的一段时间内，放射性并不为人们所知，放射性元素的发现实际上早于放射性的发现。1789年德国化学家克拉普罗特发现了铀。1828年瑞典化学家贝采利乌斯发现了钍。但在当时，铀和钍只被看作是一般的重金属元素。直到1895年德国物理学家伦琴发现X射线以后，许多科学家都兴致勃勃地去研究这类新的、具有巨大穿透能力的辐射现象，放射性才被发现。1896年法国物理学家贝可勒尔发现了铀的放射性。
1898年居里夫人从沥青铀矿样品中发现了钋和镭以后，人们才认识到这是一类具有放射性的元素，并陆续发现了其它放射性元素。1899年法国科学家德比埃尔内从铀矿渣中分离出放射性元素──锕。1900年，德国物理学家多恩指出，当镭发生衰变时，会生成一种气态元素。放射性气体在当时是一种新鲜的东西，这个元素后来被命名为氡，并被列为第86号元素；最后，到1917年，两个研究小组——德国的哈恩和梅特涅小组、英国的索迪和克兰斯顿小组——又从沥青铀矿石中分离出第9l号元素——镤。1937年意大利物理学家佩里埃和塞格雷用回旋加速器以氘核轰击钼发现了第43号元素锝。它是第一个用人工方法制得的放射性元素。
放射性元素—自然界平衡系统的一部分
天然放射性元素是构成地球和自然界的组成部分。在各类岩石、土壤，江河、湖海、大气中，都有不同数量的放射性元素存在。其中铀在地壳中占“克拉克值”平均含量的千分之一。放射性元素越来越被广泛利用在许多方面如核电站、空间技术、医疗技术、同位素技术等，为人类服务。自然界天然存在的低浓度的放射性辐射一般不会危害人类健康，而且已经是自然界平衡系统的组成部分，人类和其他生命在进化过程中，已经适应了这个平衡系统的本底辐射环境。。
常见放射性元素
常见放射性元素及其毒性大小如表1所示，包括天然放射性元素和人工放射性元素。
表1. 常见放射性核素及其简要特性
下面我们介绍几种主要的放射性元素。
放射性铯： 铯是一种银金色的碱金属元素，化学符号是Cs，原子序数是55，在1860年由德国化学家本生和基尔霍夫发现。铯的熔点低，熔点约为28.44°熔化。在空气中它容易氧化，可用于制造真空件器、光电管等，在化学上还可用做催化剂。
在核电站的乏燃料（燃烧以后的核燃料）的裂变产物中，长半衰期的铯-137的裂变产额较高，是重要的放射性元素。铯-137是β-辐射体，但由于其衰变产物137Bam为γ-辐射体，因此铯-137可同时用作β辐射源和γ辐射源，用途广泛。目前已发现的铯放射性同位素有34个，由铀裂变生成的铯重要同位素有铯135、铯137，其裂变产额分别为6.41％和6.26％，此外铯133也能在裂变中形成，产额为6.76％，吸收中子后形成铯134。
铯-137是裂变产生的最重要的放射性铯同位素，其半衰期约需30年，完全消失则长达3百年。由于具有放射毒性，一旦环境中的铯-137被人体吸收，就会对人体产生危害。因此，在核爆炸或者核事故所致的环境污染检测中，铯-137是重点检测的放射性元素。尽管用途广泛，铯作为γ辐射源的半衰期较长，且易造成扩散，目前铯-137源已逐渐被钴-60源取代。
放射性碘：碘也是核电站燃料的主要裂变产物。已表征的碘的同位素有37种，其中只有127I 是稳定同位素，其它均为放射性同位素。寿命最长的放射性碘同位素是129I，半衰期为一千五百多万年。由于其半衰期与地球寿命相比很小，碘-129是一种已灭绝的放射性核素，它在太阳系早期的存在可从其子体氙-129的观测来推断。碘-131是核废料中的主要裂变产物之一，由于碘具有易挥发的特点，在核爆炸及反应堆事故时，它是早期污染环境的主要核素。碘-131是β衰变核素，发射β射线（99%）和γ射线（1%），半衰期为 8天，用铅屏蔽就可以阻隔其放射线。在碘的放射性同位素中，碘-131和碘-125是毒性相对较大的放射性核素。进入血液中的放射性碘，约70%存在在于血浆中，30%很快转移到体内各组织器官内，且呈高度不均匀分布，大部分选择性地富集于甲状腺，通常甲状腺内碘浓度可达血浆浓度的25倍，在供碘不足的情况下其浓度可达到血浆浓度的500倍，所以，放射性碘对人体的危害主要表现为甲状腺辐射损伤。医学上也正是利用碘在甲状腺中的富集行为，来利用放射性碘-131治疗甲状腺疾病。
核电站严重事故有可能向环境释放大量放射性碘，但目前已运行的和未来的先进核能循环系统均有较高的安全防护设施，通常会尽量防止放射性碘排放到环境中。以美国三里岛事故为例，反应堆核燃料元件熔化导致大量放射性碘元素释放出来，但均被控制在安全壳内，只有小量放射性碘由于操作失误释放到环境中。类似日本福岛核电站这样的较大规模放射性元素泄漏事件是较为罕见的，同时，也为将来的核电站设计提出了更高安全性的新要求。
放射性锶：放射性锶的同位素共有27个，其中放射性同位素有19种。锶-85、锶-89和锶-90是具有重要意义的同位素。锶的主要放射性同位素及其核性质和产生方式见表2。裂变产生的有锶-90（裂变产额约5.90％）、锶-89 (4.81％)以及质量数为91～97的放射性锶，有实际意义的是锶-89和锶-90。
放射性锶可以作为环境放射性污染的重要标志物：锶-90和锶-89是用来评估核试验所致环境污染物的主要核素之一。锶-90居于被选对象的首位是因为它在裂变产物中的份额较高、物理半衰期较长、及进入人体后有重要的毒理学意义。反应堆运行和乏燃料（辐照后的燃料）后处理产生的放射性废物中含有较多的锶-90。锶-90可作为β辐射源，在军事，科学研究及医学上均有重要用途。锶-89也可作β放射源。锶-85则是纯γ辐射源，是一种常用的示踪剂。动物实验证明，进入体内的放射性锶主要造成骨髓造血组织和骨骼的损伤，其随机性效应主要是骨组织瘤，其次为白血病。
表2. 锶的主要放射性同位素
放射性氡：氡是天然放射性惰性气体（故也称氡气），无色无嗅，可溶于水，其化学符号为Rn。氡有很多放射性同位素，其中半衰期最长的同位素是氡-222（半衰期为3.82天），前面所说的氡通常即是指氡-222。有人把氡气比做“无形的杀手”，虽然有些夸大其词，但氡确实可以对人的健康构成危害。世界卫生组织已把氡列为19种致癌物质之一，研究表明氡吸入是仅次于吸烟的第二大致肺癌因素。
由于氡-222的放射性子体是固态放射性核素，能在空气中形成气溶胶被人吸入。氡-220是氡的另一种同位素，半衰期为55秒。由于氡-220是钍-222的衰变产物，也把它称为钍射气。在我国，已发现泥土房和窑洞中氡-220的浓度较高。
氡无所不在，遍布在我们的生活环境之中，而我们需要特别警惕的是室内的氡，因此，氡也称为居室中的危害气体。室内的氡气可以来自地基下的土壤，也可来自各种建筑材料，或来自空气或用水。一般地下室、窑洞或土坯房子的氡气浓度较高，而通风不好也会导致氡气积累而使浓度升高。因此，为了减少氡及其子体的危害，要保持室内通风良好。
锕系元素与核燃料： 锕系元素，是元素周期表原子序数为89 ～103的15种化学元素的统称。它们化学性质相似，所以单独组成一个系列，在元素周期表中占有特殊位置。前四种元素锕、钍 、镤、铀存在于自然界中，其余11种全部由人工核反应合成。人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔等年产量达到公斤级以上，锎仅为克级。锿以后的重锕系元素由于量极微，半衰期很短，仅应用于实验室条件下研究和鉴定核素性质。
α衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性，随着原子序数的增大，半衰期依次缩短，铀238的半衰期为44.68亿年；铹260的半衰期只有3分钟。锕系元素的毒性和辐射（ 特别是吸入人体内的α辐射体 ）的危害较大，必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。
在核能利用方面，最重要的核素有铀233、铀235和239,它们是反应堆、核电站或其他核动力的易裂变燃料。铀235在自然界存在，铀233和钚 239则分别通过钍232和铀238俘获中子等人工核反应生成。
天然铀有铀-234、铀-235和铀-238三种放射性同位素，按质量计，依次占0.006%、0.714%和99.27%。若按放射性活度计，则天然铀中铀-234和铀238，所所占份额相近，各约为48.9%，而铀-235仅占2.2%。
用同位素分离技术可使铀中的铀-235的丰度高于其天然铀中的原有丰度，此过程称为铀的富集。低丰度的铀可用作核动力堆燃料，而丰度高达90%以上的高浓铀可用作核武器装料，丰度20%以上的高浓度也可用作核爆炸装置的燃料。天然铀中经富集、提取核反应堆和核核武器用的铀-235后剩余的副产品—贫铀，可作为穿甲弹芯体或γ射线的屏蔽材料。
核燃料是指可裂变物质或可以裂变物质。可以发生裂变的物质与这里提到的可裂变物质不同。可以发生裂变的物质指的是任何原子核可以发生核裂变的物质，而可裂变物质特指那些能够俘获低能量中子发生裂变，从而具有维持链式反应的能力。例如钚-239是可裂变物质，而钚-240只能在快中子的作用下发生裂变，仅仅是可以发生裂变的物质。因此，可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分。铀-238是一种典型的可以发生裂变的物质，但是无法维持中子的链式反应。铀-235裂变产生的中子能量大约是2 MeV（相当于20000 km/s），仅仅有一小部分有足够的能量使铀-238发生裂变。但是氘氚核聚变反应产生的中子的能量达到14.1 MeV （相当于52000 km/s），可以很有效的使铀-238和其它不是可裂变物质的超铀元素发生裂变。但是铀-238裂变产生的中子的能量仍然无法使铀-238发生裂变，因此铀-238无法维持链式反应。核武器爆炸的第二阶段中铀-238的快速核裂变可以大幅度提升核武器当量，同时也产生了大量的放射性尘埃。
放射性元素氚: 氚是元素氢的一种放射性同位素。可写为3H，氚还有其专用符号T。它的原子核由一颗质子和二颗中子组成。在天然氢中，氚的含量为1×10-15％。1934年，英国卢瑟福等人在加速器上用加速的氘核轰击氘靶，通过核反应发现氚， 1939年美国科学家阿耳瓦雷等证明氚有放射性。氚会发射β射线而衰变成氦3，半衰期为12.5年。自然界的氚是宇宙射线与上层大气间作用，通过核反应生成的。利用核反应：Li＋n→4He＋3H，然后利用热扩散法，可使氚富集至99％以上。氚主要用于热核武器、科学研究中的标记化合物，制作发光氚管，还可能成为热核聚变反应的原料。
氚及其标记化合物在军事、工业、水文、地质，以及各个科学研究领域里均起着重要的作用；在生命科学的许多研究工作中，氚标记化合物则是必不可少的研究工具。例如，酶的作用机理和分析、细胞学、分子生物学、受体结合研究、放射免疫分析、药物代谢动力学，以及癌症的诊断和治疗等，都离不开氚标记化合物。（中国科学院高能物理研究所 赵宇亮 张智勇 柴之芳）
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