放射性
放射性或輻射性[1]是指某核種的原子核不穩定，會自發性地放出電離輻射（如α射線、β射線、γ射線等）而衰變成另一種核種（衰變產物），這種特性稱為放射性。衡量放射性強度的國際單位為貝克勒爾（Bq），傳統單位則為居禮（Ci）。
原子核不穩定、具有放射性的核種稱為放射性核種或放射性同位素，其衰變時放出的能量稱為衰變能量。至於原子核足夠穩定，不會或無法觀測到其發生衰變的核種，則稱作穩定核種或穩定同位素。每種元素都有着許多種放射性同位素，若某元素的所有同位素都具有放射性，則我們稱該元素為放射性元素，原子序數為83（鉍）以上的元素都屬於放射性元素，而原子序數小於83的元素都具有至少一種穩定的同位素（鍀和鉕除外）。[2]
有趣的是，絕大多數穩定核種的質子或中子數都至少有一個是偶數，質子和中子數皆為奇數的穩定核種非常稀少；而週期表中原子序為偶數的元素，其穩定同位素的數量通常也比相鄰的奇數者來得多；此外，從原子序84（釙）開始一直到97（錇）之間的放射性元素中，原子序是偶數者，其最長壽同位素的半衰期也都比相鄰的奇數者長。這是由於原子核中的質子或中子互相成對時，能互相抵銷彼此的自旋角動量，使得原子核具有較大的穩定度，因此核子數為偶數的核種形成穩定核的可能性本身便比奇數者來得高。除了核子是否成對外，原子核中具有特定數目的質子或中子時，將有利於形成特別穩定的配置結構，稱為魔數（皆為偶數）。[3][2]
對單一原子來說，放射性衰變依照量子力學是隨機過程，無法預測特定一個原子是否會衰變[4][5][6]。不過原子衰變的機率不會隨着原子存在的時間長短而改變。對大量的原子而言，可以用量測衰變常數計算其衰變速率及半衰期。放射性核種的半衰期沒有已知的時間上下限，範圍可以到55個數量級，短至幾乎瞬間，長至宇宙年齡的一兆倍。穩定性愈高的放射性核種，其半衰期愈長，放射性愈低。在所有元素的放射性同位素中，有650種的半衰期超過一小時，而有數千種的半衰期更短。
發生衰變的放射性核種稱為母核種（parent nuclide）或母同位素（parent isotope），其衰變後產生的核種稱作子核種（daughter nuclide）或子同位素（daughter isotope）。子核種有可能是穩定核種，但也可能同樣具有放射性，會繼續衰變形成下一個子核種。大部分放射性核種並不直接衰變成穩定核種，而是經過一連串的衰變反應，最終達至穩定核種為止，稱作衰變鏈。
放射性衰變有許多種不同的類型。衰變過程中若原子核的中子數或質子數發生了改變，則稱此衰變為核嬗變。若為中子數的改變，則核嬗變後的產物為同種元素的另一種同位素；若為質子數的改變，則核嬗變後的產物為另一種不同的化學元素。
最常見的衰變種類是α衰變和β衰變。α衰變是原子核放出α粒子（氦原子核），是發射核子的衰變中最常見的。不過有些原子核也會放出質子（質子發射）或中子（中子發射），或者釋放比α粒子更重的原子核（自發裂變或簇衰變）。β衰變是原子核釋放β粒子（電子或正電子）及微中子，並將質子轉變為中子（或是將中子轉變為質子）[7] 。原子核的質子也可能捕獲軌道上的電子，使質子轉變為中子，此為電子捕獲。上述的衰變種類都屬於核嬗變。
此外，也有一些核衰變不會改變原子核的組成，產生新的核種，例如γ衰變為激發態原子核的能量以γ射線的方式釋出，而內轉換則是激發態原子核將能量轉移至軌態電子上，軌態電子再脫離原子的現象。這類衰變通常並不單獨發生，而往往伴隨在α衰變、β衰變或電子捕獲之後而起。[2]
目前地球上有34個天然存在的放射性原始核種，分屬於28個化學元素。它們的形成可以追溯到太陽系誕生之前，由於它們都具有非常長的半衰期，因此直至今日仍能以相當的量存在於地球上。著名的例子包括鈾、釷等放射性元素，以及鉀-40、釤-147等非放射性元素的長壽放射性同位素。除了以上34種長壽放射性核種外，地球上也存在着約50個非原生的、壽命較短的放射性核種。其中一部分是放射性原始核種衰變後的產物（例如鐳-226、氡-222及釙-210等），部分則是宇宙射線散裂產生的宇生放射性核種（例如氚、碳-14及磷-32等），如碳-14就是由宇宙射線撞擊氮-14所產生。
放射性核種也可透過粒子加速器或核反應堆來人工合成。使用人工合成的方式能製造出許多自然界中不存在的放射性核種，稱為人造同位素，它們的壽命通常較短，且不處於自然界的3條主要衰變鏈中，因此只能以人工合成的方式生成。所有同位素皆為人造同位素的元素稱作人工合成元素或人造元素，例如鎄、鐨等。
發現史
編輯
放射性是由法國科學家亨利·貝克勒爾在1896年研究磷光材料時發現[8]，磷光材料在暴露在日光下後，在黑暗中會發光，他認為X射線碰撞陰極射線管後發出的光和磷光有關。他將照片底片捲在黑色紙張內．上面放置許多不同的磷光材料，一直到用鈾鹽時底片才有影像，即使底片被黑色紙張包覆在內．底片仍顯現出黑色的感光圖像。這種穿透性質的輻射被稱為「貝克勒爾射線」。
後來很快就發現上述的感光和磷光無關．因為使用非磷光材料的鈾鹽甚至鈾金屬，也會有一樣的效果。因此推斷有一種不可見的輻射可以穿過黑色紙張，使底片感光而變黑。
一開始人們認為這種輻射類似於剛發現的X光。而貝克勒爾、歐內斯特·盧瑟福、保羅·維拉爾、皮耶·居禮、瑪麗·居禮等人的研究發現這種輻射比X光複雜。盧瑟福是第一個發現具有這種輻射性質的元素會依循着指數形式衰減的人。盧瑟福和他的學生弗雷德里克·索迪最早發現元素的衰變過程會使其原子嬗變成另一種元素的原子。隨後，弗雷德里克·索迪和卡西米爾·法揚斯提出索迪-法揚斯放射位移定律，用於描述α衰變及β衰變的產物。
早期的研究者也發現除了鈾之外，一些其他的化學元素也具有這種輻射性質，例如釷等。皮耶·居禮和瑪莉·居禮發現瀝青鈾礦的輻射劑量遠高於理論值，因此推斷其中含有放射性遠強於鈾的未知元素，並經過反覆實驗後成功從中分離出兩種新元素：釙和鐳。鐳一方面具有放射性，而且化學性質類似鋇，增加了分離的難度，瑪莉·居禮也因分離了這二種元素而獲得諾貝爾化學獎[9]。
居禮夫婦對放射性的研究隊科學和醫學界有着重大影響。他們發現了釙和鐳之後，創造了「放射性」（radioactivity）[10]一詞來定義這種重元素發射高能電離輻射的性質[11]（後來該詞的定義被擴展到所有元素）。他們對放射性的研究和鐳的發現開啟了使用鐳治療癌症的時代，不但是核能的首個和平用途，更是現代核醫學的開端。[10]
放射性單位
編輯
國際單位制（SI制）的放射性強度單位為貝可勒爾（Bq），得名自科學家亨利·貝克勒爾爾，1貝可勒爾定義為一秒有一個原子衰變。
較早期放射性活度的單位為居禮（Ci），定義為其一克的鐳226放射性活度。現在一居禮定義為每秒3.7×1010個原子衰變，因此1 居禮 （Ci） = 3.7×1010 Bq。在放射保護的應用上，美國核能管理委員會允許使用居禮及國際單位制單位 [12]，但歐盟的歐洲測量單位指令要求在公共衛生方面，自1985年12月31日起不能使用居禮單位[13]。
衰變
編輯放射性衰變是指不穩定的原子核放射出電離輻射並轉換其核子組成或能階的現象。放射性衰變通常都有一定的週期，並且一般不因物理或化學環境而改變，這也就是放射性可用於確定年代的原因。由於一個原子的衰變是自然地發生，即不能預知何時會發生，因此會以機率來表示。假設每顆原子衰變的機率大致相同，例如半衰期為一小時的原子，一小時後其未衰變的原子會剩下原來的二分之一，兩小時後會是四分之一，三小時後會是八分之一。
放射性衰變根據過程和產物的不同分為非常多種類型，某些原子的放射性衰變會生成另一種核種的原子，並釋放出α粒子、β粒子或微中子等粒子，在發生衰變後，處於激發態的原子還會釋出γ射線。每種放射性核種通常都有其固定的衰變模式，但有些核種有可能發生多種形式的衰變，稱為分支衰變（branching decay），例如鉀-40有89.28%的機率發生β-衰變形成鈣-40，10.72%發生電子俘獲形成氬-40。
通常衰變所生成的產物大多也帶有放射性，因此會進行一連串的衰變過程，直至該原子衰變成一穩定的核種，稱作衰變鏈。但像碳-14、鉀-40等核種則只會經過一次衰變便形成穩定核種，並不會一連串地發生衰變。
衰變後的實物粒子靜止質量的總合會少於衰變前實物粒子靜止質量的總和，根據質能方程式，能量可以表現出質量。當物體的能量增加E，其質量則增加E/C²，當物體的能量減少E，其質量也減少E/C²，如果一個原子核衰變後放出實物粒子，假設該原子核在衰變前相對於某一慣性參照物靜止，衰變後的新原子核和所放出的實物粒子相對於該慣性參照物運動，即對於該慣性參照物而言，新原子核和所放出的實物粒子具有動能，當新原子核或所放出的實物粒子與其他粒子發生碰撞，它便會失去能量。因此，衰變前和衰變後質量和能量都是守恆的，粒子的靜止質量則不守恆。如果該原子核放出光子，同樣的，光子也具有質量，但沒有靜止質量。
發生核衰變的放射性核種中，有的是在自然界中天然存在的，如鈾-238、碳-14等，也有很多是經過粒子對撞等方法人工合成的核種，如鈷-60、鍀-99m等。
衰變類型
編輯放射性原子核能以許多不同的形式進行衰變以使自身達到更穩定的狀態，每種放射性核種均有其固定的衰變模式。下表中總結了主要的幾種衰變類型。一個質量數為A、原子序數為Z的原子核在表中描述為（A, Z），「子核」一欄以這種描述方式指出母核衰變後產生的子核與母核的不同。例如，（A − 1，Z + 1）意為「子核質量數比母核少1（少一個核子），而原子序數比母核多1（多一個質子）」。
| 代號 | 衰變類型 | 衰變模式 | 子核 | 例子 |
|---|---|---|---|---|
| 伴隨核子發射的衰變類型： | ||||
| α | α衰變 | 原子核中放射出一個α粒子（A = 4，Z = 2）的衰變類型 | （A − 4，Z − 2） | 238 92U → 234 90Th + 4 2He |
| p | 質子發射 | 原子核中放射出一個質子（ p ）的衰變類型 |
（A − 1，Z − 1） | 151 71Lu → 150 70Yb + p |
| n | 中子發射 | 原子核中放射出一個中子（ n ）的衰變類型 |
（A − 1，Z） | 15 4Be → 14 4Be + n |
| 2p | 雙質子發射 | 原子核中同時放射出兩個質子的衰變類型 | （A − 2，Z − 2） | 45 26Fe → 43 24Cr + 2p |
| 2n | 雙中子發射 | 原子核中同時放射出兩個中子的衰變類型 | （A − 2，Z） | 5 1H → 3 1H + 2n |
| SF | 自發裂變 | 原子核自發地裂變成兩個或多個較小的原子核及其他粒子的衰變類型 | 隨機 | 250 96Cm → 130 52Te + 120 44Ru |
| CD | 簇衰變 | 原子核放射出一簇特定類型的較小的原子核或其他粒子（A1，Z1，比α粒子大，但比自發裂變的子核小）的衰變類型 | （A − A1，Z − Z1）+ （A1，Z1） | 223 88Ra → 209 82Pb + 14 6C |
| 各種β衰變類型： | ||||
| β- | β-衰變 | 原子核中放射出一個電子（ e− ）和一個反電微中子（ ν e）的衰變類型 |
（A，Z + 1） | 32 15P → 32 16S + e− + ν e |
| β+ | 正電子發射（β+衰變） | 原子核中放射出一個正電子（ e+ ）和一個電微中子（ ν e）的衰變類型 |
（A，Z − 1） | 11 6C → 11 5B + e+ + ν e |
| EC、ε | 電子俘獲 | 原子核吸收一個軌態電子並放射出一個電微中子的衰變類型（衰變後的原子核以不穩定激發態的形式存在） | （A，Z − 1） | 53 25Mn + e− → 53 24Cr + ν e |
| 2β-、β-β- | 雙β-衰變 | 原子核中放射出兩個電子和兩個反電微中子的衰變類型 | （A，Z + 2） | 130 52Te → 130 54Xe + 2 e− + 2 ν e |
| 2β+、β+β+ | 雙正電子發射（雙β+衰變） | 原子核中放射出兩個正電子和兩個電微中子的衰變類型 | （A，Z − 2） | |
| DEC、εε | 雙電子俘獲 | 原子核吸收兩個軌態電子並放射出兩個電微中子的衰變類型（衰變後的原子核以不穩定激發態的形式存在） | （A，Z − 2） | 130 56Ba + 2 e− → 130 54Xe + 2 ν e |
| 同種原子核間的轉換： | ||||
| γ | γ衰變 | 激發態原子核放射出高能光子（γ射線）的衰變類型 | （A，Z） | 60 28Ni * → 60 28Ni + γ |
| IT | 異構物躍遷 | 亞穩態原子核（同核異構物）放射出高能光子（γ射線）的衰變類型，即半衰期較長（10−9秒以上）的γ衰變 | （A，Z） | 99m 43Tc → 99 43Tc + γ |
| IC | 內轉換 | 激發態原子核將能量轉移至軌態電子上，軌態電子再脫離原子的衰變類型 | （A，Z） | 203 81Tl * → 203 81Tl + 內轉換電子 + 特性X射線 + 奧杰電子 |
天然輻射的來源
編輯自然界中的輻射是由天然放射性核種所放射出，而天然放射性核種有以下四種可能的來源：
- 原始放射性核種：原始核種是指在地球起源時就存在於地殼中的核種，大多是在恆星核合成和超新星爆炸的過程中產生，包括所有穩定核種和一些半衰期極長的放射性核種，其中一些核種的半衰期甚至長達宇宙年齡的數倍，因此直到近年來才檢測出其放射性。地殼中的原始放射性核種經歷數十億年的長久地質年代，母、子體之間已達到平衡，其中最重的三種核種在地殼中的衰變過程組成了現今自然界中三條最主要的衰變鏈，分別是以238U為母體的鈾系、以235U為母體的錒系和以232Th為母體的釷系，這三條衰變鏈的初始核種具有極長的半衰期，且衰變的終點都是鉛的穩定同位素。除了以上三種核種外，其他代表性的原始放射性核種還包括40K、48Ca和209Bi等，總共約34種。
- 次生天然放射性核種：為上述原始放射性核種的衰變產物。它們的半衰期通常較短，但由於處在自然界的三大衰變鏈中，因此能不斷地作為衰變產物生成。例子包括鐳、氡和釙等的天然同位素。由於它們的半衰期較短，單位時間內的放射劑量較大，因此礦場和地下室的放射性危害通常是由這些短壽命核種造成的。
- 宇生放射性核種：來自外太空的宇宙射線與地球上的物質發生碰撞（即宇宙射線散裂）後會產生許多新的核種，稱為宇生核種，包括穩定核種和放射性核種。代表性的宇生放射性核種包括3H、14C和32P等。
- 核生成放射性核種：地球上的原子發生自發裂變、中子捕獲等作用後也能產生各種穩定核種和放射性核種，稱為核生成核種。例如自然界中的99Tc、239Pu等放射性核種主要是由核生成作用所產生。
放射性的用途
編輯相關的警告標誌
編輯-
三葉形符號警告有電離輻射 -
![2007 針對IAEA1-3級的ISO輻射危險符號，可能會造成死亡或嚴重傷害的放射源[15]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Logo_iso_radiation.svg/145px-Logo_iso_radiation.svg.png)
2007 針對IAEA1-3級的ISO輻射危險符號，可能會造成死亡或嚴重傷害的放射源[15] -
輻射物質的危險物質運送標誌（II 級黃放射性物質） -
放射性物質管理區域 -
一半ISO垃圾箱準備運輸
![2007 針對IAEA1-3級的ISO輻射危險符號，可能會造成死亡或嚴重傷害的放射源[15]](/wiki/File:Logo_iso_radiation.svg)
參見
編輯
參考資料
編輯- ^ 蔡嘉一，《輻射安全》，第1頁。
- ^ 2.0 2.1 2.2 魏明通. 核化學. 五南圖書出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5.
- ^ 葉錫溶 蔡長書. 放射化學（第二版）. 台灣台北縣: 新文京開發出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（臺灣））.
- ^ Stabin, Michael G. 3. Stabin, Michael G (編). 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. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2013-10-19）.
- ^ 放射性與輻射. [2015-11-14]. （原始內容存檔於2016-03-06）.
- ^ IAEA news release Feb 2007. [2015-11-14]. （原始內容存檔於2007-02-17）.