放射性核素

放射性核种（radionuclide或radioactive nuclide），又称作放射性同位素（radioactive isotope），是指原子核不稳定、具有放射性的核种。放射性核种会发生放射性衰变，放出游离辐射（如α射线、β射线、γ射线等），衰变成其他核种。

每种放射性核种的核稳定性各不相同，半衰期有长有短。放射性核种的半衰期没有已知的时间上下限，范围可以到55个数量级，短至几乎瞬间（如铍-8），长至宇宙年龄的一兆倍（如氙-124）。稳定性愈高的放射性核种，其半衰期愈长，放射性愈低。已发现的放射性核种中，有650种的半衰期超过一小时，而有数千种的半衰期更短。目前已知最长寿的放射性核种为碲-128，半衰期长达2.2e24年，约为宇宙年龄的160兆倍。

## 定义

原子核中不同数目的质子和中子的组合会影响其稳定性，因此每种核种的核稳定性各不相同。若某核种的原子核不够稳定、会发生放射性衰变的话，它会被称为放射性核种或放射性同位素，例如氚（H）、碳-14（C）、钾-40（K）、钴-60（Co）、碘-131（I）、铯-137（Cs）等。反之，原子核足够稳定，不发生放射性衰变者，则称为稳定核种，例如氕（H）、氘（H）、碳-12（C）、钴-59（Co）、铯-133（Cs）等。

目前大多数已知的核种都是不稳定的放射性核种，已发现超过3000种。若某元素没有稳定同位素，即所有同位素都具有放射性，则该元素称为放射性元素，例如铀、镭和氡等。原子序83以上（铋以后）的元素以及43号锝和61号钷都属于放射性元素，而其余原子序82以下的元素都具有至少1种稳定的同位素。

在已知的3000多种放射性核种中，只有90余种是天然存在的，绝大多数都是人工合成的，称作人造放射性核种。人造的放射性核种大多半衰期较短，较为不稳定。所有同位素均为人造同位素的元素称为人造元素，例如镅、锔等，皆为放射性元素。

## 来源

### 天然放射性核种

天然存在的放射性核种依起源主要可以分成三类：原始核种、次生天然放射性核种和天然核反应生成的放射性核种。

- 恒星核合成和超新星爆发的过程会生成各种稳定核种及放射性核种，生成的放射性核种在形成后便不断发生衰变，直到变成稳定核种为止（即衰变链的终点）。其中部分放射性核种具有极长的半衰期，衰变速率缓慢，因此这些核种的原子从太阳系形成之初经历数十亿年后仍得以相当的量存留到现在。这些自太阳系诞生伊始存续至今的放射性核种称为原始核种。其中最重的三种原始放射性核种在地壳中的衰变过程组成了现今自然界中三条最主要的衰变链，分别是以钍-232为母体的钍系、以铀-238为母体的铀系和以铀-235为母体的锕系。除了前述三者外，还有约31种原始放射性核种并不属于上述三大衰变链之内，例如钾-40、铷-87、铟-115、碲-128、碲-130、钐-147、镏-176、铼-187和铋-209等。
- 次生天然放射性核种是天然钍和铀衰变的中间产物。它们的半衰期通常较短，但由于处在自然界的三大衰变链中，因此能不断地作为衰变产物生成。代表性的例子包括镭-226、氡-222和钋-210等。由于它们的半衰期较短，单位时间内的放射剂量较大，因此矿场和地下室的放射性危害通常是由这些短寿命核种造成的，尤其是容易扩散和被吸入的氡气，是仅次于吸烟的第二个造成肺癌的主要原因。
- 天然核反应也会产生许多短寿命的放射性核素，例如宇宙射线作用产生的宇生核素（氚、碳-14等），以及地球上的原子发生自发裂变、中子捕获等作用产生的核生成核素（锝-99、钚-239等）。

### 人造放射性核种

自然界中不存在的放射性核种主要经由核反应炉或粒子加速器人工制造而得。

- 核反应炉中核燃料的分裂和衰变过程会产生各种核种，其中大部分是放射性核种，因此从用过核燃料中可以提取出许多自然界中含量稀少或不存在的放射性核种，例如锶-90、铯-137、锝-99、碘-129和钚-239等。由这些化学性质及核性质各异的放射性核种所组成的复杂混合物使得核废料和放射性尘埃的处理成为一大麻烦。
- 除了从核废料中提取外，还可以在核反应炉中以中子照射靶核来生产放射性核种，例如钴-60、碘-131、磷-32、铊-201、铱-192和金-198等核种主要经由此法生产。
- 使用回旋加速器、直线加速器等粒子加速器加速带电粒子轰击靶核，可生产放射性核种，例如断层扫描常使用的铊-201、镓-67、氧-15和氟-18等核种通常使用回旋加速器制备。原子序超过100的超镄元素只能透过此途径合成。
- 放射性核种孳生器是一种通过长寿放射性母核种的衰变来少量供给短寿命放射性核种的装置，通常在核医学中用于提供放射性药物。孳生器中含有半衰期较长的放射性母核种，放射性母核种衰变产生的放射性子核种则用于医疗用途。放射性母核种通常在核反应炉中生产。代表性的例子是核医学诊断中常用的锝-99m一般来自锝-99m孳生器，孳生器中使用的母核种为钼-99。

## 用途

放射性核种在应用上可单独使用其核特性，或结合其化学性质进行运用：

- 铀-235、钚-239等可分裂物质被广泛用作核能发电的核燃料，以及研制核武器。
- 核医学和放射肿瘤学中利用放射性核种进行诊断、治疗和配置药物。使用会发射γ射线或正电子的放射性示踪剂可以提供有关人体解剖结构和器官功能的诊断资讯，应用于单光子电脑断层扫描（SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）等断层扫描技术上。放射性核种也用于治疗肿瘤，但成功率有限。更强大的γ射源可用于消毒注射器等医疗器材及设备。
- 在化学反应中使用放射性核种作为示踪剂或标记物，可用于追踪特定物质在某个物理作用过程、化学反应或在代谢等生理反应中的路径和去向。一般来说，目标元素的原子化学性质几乎相同，彼此并无法区分。然而，若使用该元素的放射性同位素进行替换，则可以通过其发出的辐射来检测它们，称作放射性示踪剂，可依此对目标元素的去向进行追踪。例如生物学中常使用碳-14、钠-24、铁-59等作为示踪剂，农业上则使用磷-32作为示踪剂来测定植物吸收磷肥的效率等。
- 放射性核种释出的辐射可用于食品保鲜，用于阻止根茎类作物发芽、杀死寄生虫和害虫、控制贮藏蔬果的成熟度等。食品辐照通常使用会放出强γ射线的β衰变核种，例如钴-60或铯-137等。
- 工厂中使用钋-210、镅-241、锶-90等放射性核种释放的辐射来消除纸张、橡胶薄片、塑胶薄片、丝线等绝缘体相互摩擦时产生的静电。
- 在工业和采矿业中，放射性核种用于检查焊缝、检测管道泄漏、研究金属的磨损、侵蚀和腐蚀速率等。
- 工业上使用钴-60、铯-137和锎-252等放射性核种和辐射度量仪器来计测物质的厚度、密度与均匀性，以及液位、界面高度与湿度等。
- 放射性同位素热电机（RTG）和放射性同位素加热器（RHU）中利用放射性核种的衰变来提供电力和热量，应用在人造卫星、太空探测器等太空飞行器上。
- 在生态学中，放射性核种用于追踪和分析污染物质、研究地表水的流动、测量雨水和流水的径流及溪流的流速等。
- 在地质学、考古学和古生物学中，天然放射性核种用于测定岩石、矿物和化石等的年龄，称作放射性定年法。方法为测定样本中天然放射性核种与其衰变产物的比率，可由该放射性核种之半衰期来推算样本的存在年代。最广为人知的例子是放射性碳定年法，用于测定化石等生物性有机物的年龄。

## 危害

若放射性核种透过一些事故、不良的处理或者其他方法而释放到自然环境中，则可能会造成放射性污染等有害影响。如果在治疗期间过度使用放射性核种或以其他方式过度暴露在其辐射中，会因辐射中毒而对健康造成损害。过度暴露在辐射中会产生皮肤发红、脱发、烧伤和急性放射线症候群等症状。长期暴露可能会损害人体健康组织及器官，导致其无法正常运行。放射线也会导致细胞受损、诱发突变，进而导致癌症。癌细胞扩散的迹象可能要在接触放射线后几年甚至几十年后才会出现。