环境监测——辐射与放射性监测

第七章辐射与放射性监测△本章教学目的、要求1.了解什么是放射性；2.一般的放射性源有哪些；3.掌握一般放射性监测的方法；△本章重点1.放射性的基本知识、半衰期；2.一般环境放射性监测的方法△本章难点1.放射性衰变类型、半衰期；2.放射性样品的采集和处理△本章教学目录7.1 放射性的基本概念7.2 放射性监测的方法7.1 放射性监测的基本概念7.1.1放射性和同位素原子核自发地放射出α、β、γ等各种射线的现象，称为放射性。

放射性是1896年法国物理学家贝壳勒尔（H.Becquerel）发现的。

他发现铀盐能放射出穿透力很强的，并能使照相底片感光的一种不可见的射线。

许多天然和人工制造的核素都能自发地放射出射线。

除了上述3种射线外，还有正电子、质子、中子和中微子等其它粒子。

能放射各种射线的核素，称为放射性核素。

发射放射性是核素一种固有的特性，不受加温、、加压或加磁场的影响，是由原子核内部的变化引起的，与核外电子状态的改变关系很小。

同位素是指具有相同核电荷但不同原子质量的原子（核素）称为同位素。

自19世纪末发现了放射性以后，到20世纪初，人们发现的放射性元素已有30多种，而且证明，有些放射性元素虽然放射性显著不同，但化学性质却完全一样。

1910年英国化学家F.索迪提出了一个假说，化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些变种应处于周期表的同一位置上，称做同位素。

不久，就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08，另一种则是208。

1897年英国物理学家W.汤姆逊发现了电子，1912年他改进了测电子的仪器，利用磁场作用，制成了一种磁分离器（质谱仪的前身）。

当他用氖气进行测定时，无论氖怎样提纯，在屏上得到的却是两条抛物线，一条代表质量为20的氖，另一条则代表质量为22的氖。

这就是第一次发现的稳定同位素，即无放射性的同位素。

当F.W. 阿斯顿制成第一台质谱仪后，进一步证明，氖确实具有原子质量不同的两种同位素，并从其他70多种元素中发现了200多种同位素。

到目前为止，己发现的元素有109种，只有20种元素未发现稳定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。

大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物，稳定同位素约300多种，而放射性同位素竟达1500种以上。

1932年提出原子核的中子一质子理论以后，才进一步弄清，同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。

由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数），并具有相同电子层结构。

因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质（如放射性等），也有所不同。

一般来说，质子数为偶数的元素，可有较多的稳定同位素，而且通常不少于3个，而质子数为奇数的元素，一般只有一个稳定核素，其稳定同位素从不会多于两个，这是由核子的结合能所决定的。

同位素的发现，使人们对原子结构的认识更深一步。

这不仅使元素概念有了新的含义，而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革，再一次证明了决定元素化学性质的是质子数（核电荷数），而不是原子质量数。

7.1.2放射性衰变的类型1. α衰变：α衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)，每发生一次α衰变，新元素与原元素比较，荷电荷数减少2，质量数减少4，即α射线是高速运动的氦原子核的粒子束，电离作用大，贯穿本领小。

2. β衰变：β衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子. 每发生一次β衰变，新元素与原元素比较，核电荷数增加1，质量数不变. 即β射线是高速运动的粒子束，它的电离作用较小，贯穿本领大。

3. γ衰变：γ衰变是伴随着α衰变和β衰变同时发生的，γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数.γ射线是波长很短的电磁波，称为γ射线。

它的电离作用小，贯穿本领大。

7.1.3放射性半衰期放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。

放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线。

核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。

放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。

半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。

如磷－32的半衰期是14.3天，就是说，假使原来有100万个磷－32 原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。

半衰期越长，说明衰变得越慢，半衰期越短，说明衰变得越快。

半衰期是放射性同位素的一特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。

地球的年龄究竟有多大？这个难题曾经考验过许多科学家的智慧。

有人想出用沉积岩形成的时间来测定，有人主张用海水含盐浓度的增加来推算，而最精确可靠、量程最大的宇宙计时器，显然要数放射性元素的蜕变了。

放射性元素衰变一半需要的时间叫半衰期，它不以外界物理化学条件变化为转移。

例如铀235，每隔4亿5千万年就有一半变成铅与氦，钍232的半衰期是13亿年，而铷82的半衰期则将近50亿年。

从这些同位素和他们衰变产物的相对浓度中，我们测定出地球最古老的岩石-西格陵兰片麻岩已有38亿年的历史。

但这显然还只是地球从“天文时期”进入“地质时期”前后的时间。

根据对月球岩石和太阳系陨星的测定和比较，我们地球的高寿应该是46亿岁了。

常用同位素的特征常用同位素性质列表7.1.4放射性污染源环境中的放射性主要分为天然放射性和人工放射性1、天然放射性天然放射性核素品种很多，性质与状态也各不相同，它们在环境中的分布十分广泛。

在岩石、土壤、空气、水、动植物、建筑材料、食品甚至人体内都有天然放射性核素的踪迹。

地壳是天然放射性核素的重要贮存库，尤其是原生放射性核素。

地壳中的放射性物质主要为铀、钍系和。

其中，空气中的天然放射性核素主要有地表释入大气中的及其子体核素，动植物食品中的天然放射性核素大多数是。

土壤主要由岩石的浸蚀和风化作用而产生的，可见，其中的放射性是从岩石转移而来的。

由于岩石的种类很多，受到自然条件的作用程度也不尽一致，可以预期土壤中天然放射性核素的浓度变化范围是很大的。

土壤的地理位置、地质来源、水文条件、气候以及农业历史等都是影响土壤中天然放射性核素含量的重要因素。

存在于岩石和土壤中的放射性物质，由于地下水的浸滤作用而受损失，地下水中的天然放射性核素主要来源于此途径。

此外，粘附于地表颗粒土壤上的放射性核素，在风力的作用下，可转变成尘埃或气溶胶，进而转入到大气圈并进一步迁移到植物或动物体内。

土壤中的某些可溶性放射性核素被植物根吸收后，继而输送到可食部分，接着再被食草动物采食，然后转移到食肉动物，最终成为食品中和人体中放射性核素的重要来源之一。

环境水中天然放射性核素的浓度与多种因素有关。

此外，天然放射性物质还包括宇宙射线。

宇宙射线是一种从宇宙空间射到地球上的高能粒子流，它由质子、粒子等组成。

天然放射性已为人类所适应，并未造成什么危害。

2、人工放射性核试验核试验产生的放射性核素有核裂变产物和中子活化产物。

核裂变产物包括200多种放射性核素，如89Sr、90Sr等一些重要放射性核素；中子活化产物是由核爆炸时所产生的中子与大气、土壤、建筑材料发生核反应所形成的产物，如3H、14C、32P等，此外还有剩余未起反应的核素如235U、239Po等。

核爆炸后，裂变产物最初以蒸气状态存在，然后凝结成放射性气溶胶。

其粒径＞0.1mm的气溶胶在核爆炸后一天内即可在当地降落，称为落下灰；粒径＜25μm的气溶胶粒子可在大气中长期漂浮，称为放射性尘埃。

放射性尘埃在大气平流层的滞留时间一般认为在0.3-3年之间。

核工业包括原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇等。

它们在运行过程中排放含各种核裂变产物的三废排放物；特别是发生事故时，将会有大量放射性物质泄漏到环境中去，造成严重污染事故。

如英国温茨凯制钚厂反应堆事故，美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故等。

工农业、医学、科研等部门的排放废物这些部门使用放射性核素日益广泛，其排放废物也是主要的人为污染源之一。

例如，医学上使用60Co、131I等放射性核素已达几十种；发光钟表工业应用放射性同位素作长期的光激发源；科研部门利用放射性同位素进行示踪试验等。

放射性矿的开采和利用在稀土金属和其他共生金属矿开采、提炼过程中，其三废排放物中含有铀、钍、氡等放射性核素，将造成所在局部地区的污染。

7.1.5放射性的危害必及防护的必要性随着放射同位素的广泛应用，越来越多的人们认识到放射性对机体造成的损害随着放射照射量的增加而增大，大剂量的放射性会造成被照射部位的组织损伤，并导致癌变，即使是小剂量的放射性，尤其是长时间的小剂量照射蓄积也会导致照射器官组织诱发癌变，并会使受照射的生殖细胞发生遗传缺陷。

放射性对人体的影响主极随机效应和非随机效应。

随机效应（stochasticeffect）指放射性对机体至癌或遗传效应的发生几率，此发生几率与照射剂量的大小有关，而随机性效应的严重程度与剂量有关，如放射性致癌、放射性诱发各种遗传疾病均属随机性效应。

非随机性效应（non-stochastic effect）是机体受照射后在短期内就出现的急性效应，以及经过一定时间后发现的发育功能低下、白内障和造血机能障碍等等。

其严重程度随受照射剂量不同而变化，存在着明确的剂量阈值，这种效应是随着受照射剂量的增加，而有越来越多的细胞被杀死而产生的。

ＩＣＲＰ第60号出版物把非随机性效应改称为确定性效应。

放射性防护的目的就在于防止有害的确定性效应，并限制随机性效应的发生率，使其达到认为可以接受的水平。

放射性物质可以从体外或进入体内放出射线，对人体造成损害。

就外照射而言，由于各种射线穿透能力不同，γ射线照射对机体的危害大于β射线，而β射线的危害性又大于α射线。

受照射部位不同，受害程度出不同，对某种放射性同位素蓄积率高的组织或器官，必然受害严重，如[32P]对骨骼系统危害较大，[125I]和[131I]主要危及甲状腺器官等。

但是，由于射线与机体作用可产生电离，射线这种电离本领的大小，决定了当放射性物质进入了体内，对机体造成内照射的情形下，α射线由于射程很短，其危害性大于β射线和γ射线的危害，而β射线的内照射危害又大于γ射线。

放射防护的必要性在于保护操作者本人免受辐射损伤，防止了必要的射线照射，保护周围人群的健康和安全，做好放射性污物、污水的收集与处理，避免环境污染，保证实验能够正常进行，取得的结果可靠。