什么是阿尔法衰变?

α衰变是放射性衰变的一种基本类型,不稳定的原子核会喷出α粒子. α粒子由两个质子和两个中子组成,并结合在一起,与氦-4原子的核完全相同. 这一过程将原同位素原子数减少2个,质量数减少4个,将其转化为不同的元素. 例如,铀-238发生α衰变时,它会变成 ⁇ -234. 这种衰变模式受强核力和量子隧道的制约;α粒子必须克服凝固核的库隆布屏障. α衰变在重元素中最为常见(原子数大于82),因为其大核素的正电荷过大,使其稳定性降低.

α衰变期间释放的能量一般在4–9 MeV(百万电子伏特)范围内,而α粒子和后坐力核会将它带走。 由于α粒子相对重且充电量较大,它们在通过物质时会很快失去能量。 几厘米的空气或薄的纸片可以完全阻止它们。 这样的属性使得α衰变比β或γ辐射更不透水,但也意味着如果α-释放的同位素被摄入或吸入,它可以将所有能量沉积在极小的体积中,从而造成重大的生物损害。

阿尔法衰变在地壳的自然放射性中起着中心作用,因为许多寿命很长的原始同位素——这些自地球形成以来就存在的同位素——主要是α排放。 了解这些衰变的力学和速率对于地球化学、辐射安全,甚至对于约会地质材料来说都是必不可少的。

阿尔法衰变在地球自然放射性中的作用

地壳中含有各种自然产生的放射性同位素,包括铀-238、 ⁇ -232和 ⁇ -226。 这些同位素是复杂的衰变链的一部分,涉及多个α和β衰变,最终达到稳定的铅同位素(铅-206和铅-208 ) 。 这些链中的α衰变是围绕我们的背景辐射的主要促成者。 根据美国环境保护局(EPA)[,平均人年辐射剂量的85%来自自然来源,陆地辐射(来自岩石和土壤)占相当大的比例。

影响不同地质构造中α排放同位素浓度的因素有几种,例如,Granite的铀和钍含量往往高于玄武岩,这种变化意味着背景辐射水平在不同地区之间可能有很大差异,在富铀基岩的地区,室内的 ⁇ 含量也可能升高,对健康造成更大的风险。

关键放射性元素及其衰变链

地壳中最重要的α发射体是三大衰变系列的一部分:

  • 铀-238系列:铀-238(半衰期~45亿年)通过14个步骤的链条衰变,包括 ⁇ -226, ⁇ -222, ⁇ -210等的α排放,最终以铅-206结束.
  • ⁇ -232系列:[] ⁇ -232(半衰期~140亿年)衰变为10步,显著的α发射体如 ⁇ -220( ⁇ )和 ⁇ -212,其末端为铅-208.
  • 铀-235系列:[]铀-235(半衰期~7.04亿年)通过较短的链条衰变,包括来自 ⁇ -219等的α衰变,以207铅结束. 这个系列的含量较低,但仍然显著.

这些系列中的每一组都含有 ⁇ -222(来自铀-238), ⁇ -220(来自 ⁇ -232)和 ⁇ -219(来自铀-235). ⁇ 是一种能通过土壤扩散并在建筑物中积累的惰性气体,其α-排放衰变产物( ⁇ ,双子 ⁇ ,和铅同位素)附着在空气中的颗粒上,可以吸入,给肺部带来高局部辐射剂量.

其它引起兴趣的α发射物包括: ⁇ -147(半衰期~1.06×1011年)和某些从宇宙射线相互作用和原始材料中微量存在的 ⁇ 和钚同位素,尽管这些同位素对总地壳放射性作用作用微弱。

半生半生和热生产

铀-238和钍-232的极长半衰期意味着这些元素自地球形成以来就一直存在。 比如,45亿年前的原始铀-238只有一半已经衰败。 α(和β)衰变释放的能量是地球内部热量的主要来源。 地质学家估计,铀、钍和钾-40的衰变产生的放射性热量约占地球内部热量的一半。 这种热量驱动着地幔对流、板块构造和火山活动。 如果没有地壳和地幔中的α衰变,地球将更快地冷却,有可能抑制形成地球的地质过程。

α衰变对热的促进作用在大陆地壳中尤为显著,铀和 ⁇ 集中在 ⁇ 、monazite和allanite等矿物中,这些矿物具有抗耐受性,在气候下生存,沉积和颗粒层中富集,因此,大陆地壳厚的区域的热流比大洋地壳高,地热能系统经常利用辐射度较高的地区,如美国西部的盆地和兰奇省。

阿尔法衰变对健康和环境的影响

由于α粒子的射程短,线性能量转移(LET)高,因此在体内排放时特别危险。 外部暴露α辐射通常不引起关注,因为颗粒无法穿透死皮层。 但是,如果α释放的同位素被摄入或吸入,它可以从体内辐射敏感细胞,从而增加癌症风险。

放射性:初级健康风险

铀-238系列中由 ⁇ -226α衰变产生的 ⁇ 气是大多数人天然辐射照射的最大单一来源. 疾病控制和预防中心[CDC]指出 ⁇ 是美国吸烟后第二大肺癌原因. ⁇ 衰变时,其固体的亲子( ⁇ -218, ⁇ -214)会释放出若吸入会损害肺组织的α粒子,风险取决于 ⁇ 的浓度,这与地质学,建筑建设,通风不同.

缓解措施包括亚石板减压、封开地基裂缝和改善通风。 许多国家已经建立了室内 ⁇ 的操作水平,在美国,通常约为每升4匹皮克/升。 测试简单且成本低廉,补救可以大大减少接触。

体内其他天然阿尔法喷雾器

铀和 ⁇ 在食物和水中存在微量,人体含有约90微克铀,大多存在于骨骼中,其中铀-234和铀-238的α衰变贡献了少量的内辐射剂量,然而,与 ⁇ 衰变产物相比,铀的生物半衰期相对较短,因此稳态癌风险较低,同样, ⁇ 的衰变产生的 ⁇ -210可以积累在软组织中,但饮食摄入(特别是海鲜)是大多数人的主要途径.

环境监测和安全标准

美国核管理委员会(NRC)等监管机构对空气、水和土壤中允许的α放射性核素水平设定了限制。 监测方案测量家中的 ⁇ 、地下水中的铀和采矿地区的 ⁇ 。 由于α衰变是总体放射性的一个主要因素,理解其行为对于设计核废物安全储存、铀矿退役和评价前工业场所至关重要。

此外,α衰变还被用于地质约会. 例如,铀铅(U-Pb)的约会方法依赖于铀的衰变来进行铅,计算α衰变事件的积累. 这一技术对于确定岩石,陨石,甚至地球本身的年代都是必不可少的.

结论

阿尔法衰变远不止于核物理学的好奇心。 它是地球自然放射性、热流和地质活动相当一部分背后的动力。 长寿命的阿尔法同位素铀-238、钍-232及其衰变产物被编织成地壳的织物,释放出数十亿年的能量。 虽然它们产生的辐射一般不会从外部有害,但吸入的 ⁇ 气及其α排放的后代仍然是主要的环境健康风险。

通过研究α衰变,科学家可以更好地描述自然辐射背景,改进减少放射性辐射的战略,并驾驭地热能。 α衰变、地质学和人类生物学之间的相互作用是基本核过程如何塑造我们世界的有力例子 — — 以及如何管理其影响以保护公众健康。