什么是放射性元素

不論是東方還是西方，都有一大批人在追求“點(diǎn)石成金”之術(shù)，他們妄想把一些普通的礦石變成黃金。當(dāng)然，這些煉金術(shù)之士的希望都破滅了，因?yàn)樗麄儾恢�道一種物質(zhì)變成另一種物質(zhì)的根本在于原子核的變化。不過，類似于“點(diǎn)石成金”的事情一直就在自然界中進(jìn)行著，這就是伴隨著天然放射現(xiàn)象發(fā)生的“衰變”。

原子核的衰變

原子核放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱之為原子核的衰變。鈾-238放出一個(gè)α粒子后，核的質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，稱為新核。這個(gè)新核就是釷-234核。這種衰變叫做α衰變。這個(gè)過程可以用下面的衰變方程表示：²³⁸₉₂U→²³⁴₉₀Th+⁴₂He。在這個(gè)衰變過程中，衰變前的質(zhì)量數(shù)等于衰變后的質(zhì)量數(shù)之和；衰變前的電荷數(shù)等于衰變后的電荷數(shù)之和。

大量觀察表明，原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒。在α粒子中，新核的質(zhì)量數(shù)于原來的新核的質(zhì)量數(shù)有什么關(guān)系？相對(duì)于原來的核在周期表中的位置，²³⁸₉₂U在α衰變時(shí)產(chǎn)生的²³⁴₉₀Th也具有放射性，它能放出一個(gè)β粒子而變?yōu)?SUP class=normal style="FONT-SIZE: 12px; CURSOR: default; VERTICAL-ALIGN: baseline; WHITE-SPACE: normal; POSITION: relative; COLOR: rgb(51,51,51); PADDING-BOTTOM: 0px; PADDING-TOP: 0px; PADDING-LEFT: 2px; MARGIN-LEFT: 2px; LINE-HEIGHT: 0; TOP: -0.5em; PADDING-RIGHT: 2px">234₉₁Pa（鏷）。由于電子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量小得多，因此，我們可以認(rèn)為電子的質(zhì)量為零、電荷數(shù)為-1、可以把電子表示為⁰_-1e。這樣，原子核放出一個(gè)電子后，因?yàn)槠渌プ兦昂箅姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒，新核的質(zhì)量數(shù)不會(huì)改變但其電荷數(shù)應(yīng)增加1。其衰變方程為：²³⁴₉₀Th→²³⁴₉₁Pa+⁰_-1e。放出β粒子的衰變叫做β衰變。β衰變的實(shí)質(zhì)在于核內(nèi)的中子數(shù)（¹₀n）轉(zhuǎn)化為了一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。其轉(zhuǎn)化方程為¹₀n→11H+0-1e，這種轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電子發(fā)射到核外，就是β粒子；與此同時(shí)，新核少了一個(gè)中子，卻增加了一個(gè)質(zhì)子。所以，新核質(zhì)量數(shù)不變，而電荷數(shù)增加1。2個(gè)中子和2個(gè)質(zhì)子能十分緊密地結(jié)合在一起，因此在一定的條件下他們會(huì)作為一個(gè)整體從較大的原子核中被拋射出來，于是，放射性元素就發(fā)生了α衰變。

原子核的能量也跟原子的能量一樣，其變化是不連續(xù)的，也只能取一系列不連續(xù)的數(shù)值，因此也存在著能級(jí)，同樣是能級(jí)越低越穩(wěn)定。放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時(shí)，往往蘊(yùn)藏在核內(nèi)的能量會(huì)釋放出來，使產(chǎn)生的新核處于高能級(jí)，這時(shí)它要向低能級(jí)躍遷，能量以γ光子的形式輻射出來。因此，γ射線經(jīng)常是伴隨α射線和β射線產(chǎn)生的。當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)發(fā)生衰變時(shí)，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時(shí)就會(huì)伴隨著γ輻射。這時(shí)，放射性物質(zhì)發(fā)出的射線中就會(huì)同時(shí)具有α、β和γ三種射線。^[1] 

半衰期

放射性同位素衰變的快慢有一定的規(guī)律。例如，氡-222經(jīng)過α衰變?yōu)獒?218，如果隔一段時(shí)間測(cè)量一次氡的數(shù)量級(jí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每過3.8天就有一半的氡發(fā)生衰變。也就是說，經(jīng)過第一個(gè)3.8天，剩下一半的氡，經(jīng)過第二個(gè)3.8天，剩有1/4的氡；再經(jīng)過3.8天，剩有1/8的氡。因此，我們可以用半衰期來表示放射性元素衰變的快慢。放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間，叫做這種元素的半衰期。不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。例如，氡-222衰變?yōu)獒?218的時(shí)間為3.8天，鐳-226衰變?yōu)殡?222的時(shí)間為1620年，鈾-238衰變?yōu)殁Q-234的半衰期竟長(zhǎng)達(dá)45億年。衰變是微觀世界里原子核的行為，而微觀世界規(guī)律的特征之一在于“單個(gè)的微觀世界是不可預(yù)測(cè)的”，即對(duì)于一個(gè)特定的氡原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時(shí)發(fā)生衰變。一個(gè)特定的氡核可能在下1s就衰變，也可能在10min內(nèi)發(fā)生衰變，也可能在200萬年之后再衰變。然而，量子理論可以對(duì)大量原子核的行為做出統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。例如，對(duì)于大量氡核，可以準(zhǔn)確地預(yù)言在1s后，10min后，或200萬年后，各會(huì)剩下百分之幾沒有衰變。放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)核外部條件都沒有關(guān)系。一種放射性元素，不管它是以單質(zhì)的形式存在，還是與其他元素形成化合物，或者對(duì)它施加壓力、提高溫度，都不能改變它的半衰期。這是因?yàn)閴毫�、溫度與其他元素的化合等，都不會(huì)影響原子核的結(jié)構(gòu)。 ^[2] 

基本概況

硅酸鋯是陶瓷生產(chǎn)中不可缺少的原料之一，主要在陶瓷中起增白的作用，其化學(xué)式為 ZrSiO₄。因其中附
　　帶有HfO₂，因此一般情況下將其通式視為Zr(Hf)SiO₄。硅酸鋯原砂產(chǎn)地不同，其中的HfO₂含量亦不同，正常情況下的含量為0.2～3%，但部分地區(qū)出產(chǎn)的鋯英砂中HfO₂的含量可以達(dá)到16%左右，在化學(xué)元素周期表中Zr、Hf是同一族元素，化學(xué)性質(zhì)相近。

ZrO₂和 HfO₂性質(zhì)接近，兩者都可以對(duì)光進(jìn)行反射，從而作為陶瓷材料的乳濁劑。因此，硅酸鋯中HfO₂作為伴生礦而被算作ZrO₂一個(gè)成份。理論上硅酸鋯中ZrO₂和SiO₂的含量分別為67.2%和32.8%，但是除了含約1%的鉿以外，礦物中通常還含有少量的Th(釷)、U(鈾)、Ra( 鐳) 、⁴⁰K( 鉀 -40) 、Y( 釔) 、Ca( 鈣) 、Mg( 鎂) 、Fe( 鐵) 、Al( 鋁) 、P(磷)和其它微量元素及釷和鈾放射生成的衰變變體。 ^[3] 

硅酸鋯中的放射性元素及其存在形式

硅酸鋯本身沒有放射性，其放射性來源主要是鋯石的伴生礦獨(dú)居石 ( La 、Ca、Th、U、Ra) PO₄和磷釔石( Y、Th、U…) PO₄。由于世界各地地礦結(jié)構(gòu)的差異，所產(chǎn)鋯石中放射性元素的含量也不同。

上海大學(xué)鋯材料研究中心曾對(duì)我國(guó)各地鋯英石放射性進(jìn)行了詳細(xì)比較，對(duì)硅酸鋯生產(chǎn)具有參考作用的部分內(nèi)容見表1。

從表1可以看出：( 1) 澳大利亞艾綠卡公司所產(chǎn)鋯英砂放射性相對(duì)較低； ( 2) 南非鋯英砂中放射性相對(duì)穩(wěn)定，略高于澳砂；( 3) 印尼鋯英砂中放射性相對(duì)較低，接近于澳大利亞砂；( 4) 越南鋯英砂放射性較高；( 5) 海南鋯英砂根據(jù)礦區(qū)的不同有較大差異，但總體偏高。

硅酸鋯中安全放射源推定

國(guó)內(nèi)建筑衛(wèi)生陶瓷GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》中根據(jù)陶瓷產(chǎn)品放射性的不同將其分為 A、B、C三類，具體指標(biāo)如下：

A 類：同時(shí)滿足 I_Ra≤1.0，I_r≤1.3

B 類：不滿足 A 類要求，但同時(shí)滿足 I_Ra≤1.3，I_r≤1.9

C 類：不滿足 A、B 類要求，但滿足 I_r≤2.8（其中：I_Ra為內(nèi)照射指數(shù)，I_r為外照射指數(shù)）

該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了這三類材料的具體使用范圍 ( 具體內(nèi)容可參考GB6566-2001的相關(guān)規(guī)定)。

陶瓷中放射源比較多的幾種原料依次為：硅酸鋯、長(zhǎng)石、石片類硬質(zhì)粘土，其它硬質(zhì)粘土( 如葉臘石、焦寶石
　　等) 、軟質(zhì)粘土等。軟質(zhì)粘土由于風(fēng)化時(shí)間或地質(zhì)沉積時(shí)間較長(zhǎng)，其中的重金屬元素和稀土元素含量相對(duì)較少，巖石型脈石英礦一般不具備稀土元素貼粘的自然條件，放射性元素較少，而海濱硅砂由于分離不完全，比之脈石英其放射性元素結(jié)合量相對(duì)較高。