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建筑材料中的主要放射性核素

发布日期:2018-08-25 信息来源:核能科普ABC 字号:【

所有建筑材料,甚至泥土和沙石都有放射性,其中的镭(Ra)、氡(Rn)、钍(Th)、钾(K)是重点要注意的放射性核素,因为他们是引起建筑物内放射性污染的罪魁祸首。其中前三个属于原子序数大于82的天然放射性核素,是建筑材料里面主要的放射性来源。而钾则属于原子序数小于82的核素,到处都有,连我们吃的盐里面也有。

地球年龄已经46亿岁了。经过了如此长的地质年代之后,那些半衰期比较短的核素,现在都已经基本衰变完了。目前还能天然存在于地球上的原子序数大于82的天然放射性核素基本都属于三个处于长期平衡状态的放射系中,只有这三大家族由于最顶层的那个老大半衰期足够长,所以留存下来了。

这三个放射系中的核素,主要是通过阿尔法衰变、贝塔衰变和伽马衰变的。经过一系列的衰变后,直到形成稳定核素为止

对于阿尔法衰变,质量数减少4、电荷数减少2,在元素周期表中将向前移动两个位置;对于贝塔衰变,质量数不变,而电荷数增加1,在元素周期表中向后移一个位置;而对于伽马衰变,质量数和电荷数都不变,因此在元素周期表中的位置保持不变。

由此可见,通过阿尔法衰变、贝塔衰变、伽马衰变而形成的放射系,其中各个核素之间,质量数只能差4的整数倍。

A.钍系(4n系)

B.铀系(4n+2系)

C.锕-铀系(4n+3系)

这三个放射系的第一个核素的半衰期和地球的年龄相近。如钍系的Th-232,半衰期为141亿年;铀系的U-238,半衰期为44.7亿年;锕-铀系的U-235,其半衰期为7.04亿年。

钾-40半衰期为12.48亿年,由于核子数太少并没有形成自己的放射系。钾-40也是食物中放射性的主要核素。

其他的原子序数小于82的天然放射性核素也还有很多,例如碳-14是由宇宙射线激发大气里面的碳产生的。

 

A.钍系(4n系)

钍系从Th-232开始,经过连续10次衰变,最后到达稳定核素。由于其质量数A232=4×58,是4的整倍数,故称4n系。这一家族里面的氡-220是室内空气污染的罪魁祸首之一(参见GB6566)。

 

B.铀系(4n+2系)

铀系由U-238开始,经过14次连续衰变而到达稳定核素Pb-206。该系的核素,其质量数皆为4n+2,故称4n+2系。这个家族里面的镭-226是建筑材料里面的伽马射线的主要来源之一(参见GB6566)。氡-222则为室内空气污染的罪魁祸首之一(参见GB50325),其半衰期虽然很短(3.8天),但是会源源不断地从镭-226那里衰变出来。

平常经常有人会问,装修石料的氡,半衰期只有3.8天,装修石料从开采到买到家里已经有很多天了,不是应该早就衰变得差不多了吗,怎么还会对人体有害?这是因为氡处于衰变系里面的,只要老大铀-238或Th-232还在,他的实际半衰期就会和老大一样长,几百万年内都不会减少的。因此只能对建筑材料里面的铀-238和Th-232的含量进行控制,不达标的不能够使用。

图片来自:中国辐射防护学会译《辐射: 影响与源》, 联合国环境规划署, 2016年

举个例子: 假如一个人每天要花掉钱包里一半的钱,也就是钱包里钱的半衰期为一天。若初始有1000元钱,10天后就剩下不到1元钱了。但是若每天都有收入100元,半衰期也仍然为1天,10天后还有多少钱呢?达到平衡态时是100元。所以处于衰变链中的核素的口袋里的钱还剩多少主要由最上游发工资的老大决定。

 

C.锕-铀系(4n+3系)

锕-铀系是从U-235开始的,经过11次连续衰变,到达稳定核素。该系核素的质量数可表示为4n+3。锕-铀系的一系列核素基本不构成建筑材料放射性的危害。

在天然存在的放射系中,缺少了4n+1系。后来,由人工方法才发现了这一放射系,以其中半衰期最长的Np-237(镎)命名,称为镎系(4n+1系)。Np-237的半衰期约为二百万年。镎系一旦被人类制造出来以后,就将在很长很长的时间尺度(百万年)内长期存在了。还好,镎系的核素并不会构成建筑材料放射性的危害。

 

结语: 就放射性而言,建筑和装修材料里面要关注的主要是氡引起的内照射,而要控制氡引起的放射性污染,主要要控制建材里面的铀和钍的含量不能超过国家标准的规定。

 

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