原子结构与放射性核素

我们知道，原子是构成一切物质的基础，而原子是由原子核和核外电子构成的。原子的中心是原子核，其体积只占原子体积的几千分之一，而其质量占整个原子质量的99．9%以上。原子核又由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子和中子统称为核子，质量近似相等。原子核的外围是电子，电子带负电，在原子核周围按一定的运动规律排列。

习惯上，原子也被称为元素；质子数、中子数、核外电子数和能量状态完全相同的原子的集合称为核素；而质子数、核外电子数（核电荷数和原子序数）也相同，但中子数（原子量）不同的核素，由于在化学元素周期表中占据相同的位置，故相互称为同位素。

根据玻尔的量子理论和量子力学知识可知，核外电子的运动状态是按照一定的能级排列成若干运行轨道，靠近原子核的电子的能级最低，越向外能级越高。为了表述方便，人们将相同能级的轨道称为一个壳层，并将最靠近原子核的壳层称为K层，显然，K层能级最低，向外依次称为L、M、N、O、P、Q壳层，能级也依次提高。我们还知道，每一壳层的电子数是按一定规律排列的，通常情况下，电子填充壳层的规律是按照从低能级到高能级的顺序排列，即电子总是优先占据较低能级的壳层，占满低能级壳层之后再占据次低能级的壳层，以此类推，保证了原子处于能量最低状态，这种状态称为基态。处于基态的原子是稳定状态，处于稳定状态的原子没有放射性。

氢原子、碳原子和氖原子结构示意图，见图1-2-1。其中氢原子核外只有一个电子分布在K层，碳原子核外6个电子分别分布在K层和L层，氖原子核外10个电子也是布在K层和L层。原子的核外电子数更多的物质的原子会依次向M、N等其他壳层分布。

图1-2-1　氢原子、碳原子和氖原子结构

原子核内部也存在类似于电子排列的壳层结构和能级，每个壳层只能容纳一定数量的核子（质子和中子）。核子填充壳层也遵循从低能级到高能级的顺序，因此，处于基态或稳定状态的原子核也是没有放射性的。

但是，自然界的原子和原子核并非都是处于基态，也就是说，不同元素的电子数或核子数（质子和中子）并不总是按基态排列，这时的原子或原子核就处于不稳定状态。

一般来说，原子序数＜82的元素至少存在一种稳定核素，而原子序数＞82的元素都不稳定。

不稳定核素会自发地放出射线，转变为另一种核素，由于所发出的射线可以引起物质电离，因此，这种现象被称为放射性，这个过程称为放射性衰变。放射性衰变包括α衰变和β衰变，发生α衰变时释放出α射线，发生β衰变时释放出β射线。同时α衰变和β衰变后的子核很可能处于激发态，会以γ射线形式释放能量从而跃迁到较低的能态或基态，所以，α衰变和β衰变过程往往会伴随着γ射线的辐射，而γ射线是引起物质电离的主要原因。

由于各种同位素中都存在不稳定的核素，都会发生放射性衰变，因此，人们往往把同位素与放射性相提并论。

放射性核素是指通过放射性衰变而发射出各种射线的不稳定核素的统称。

理论分析和试验结果证实，放射性核素的衰变符合式1-2-1所示的指数衰变规律：N＝N0e-λt（1-2-1）

式中：N0为放射性核素的初始原子核数量；N为时间t时刻的原子核数量；λ为衰变常数，它表示单位时间内原子核的衰变量，其值的大小只与核素本身的特性相关，具有统计学意义，与外界条件无关。显然，λ的值越大，衰减越快。

由式1-2-1可知，核衰变的速度只与衰变常数λ和时间（t）有关，为了直观表示各种核素的这种衰变特性，引入了“半衰期”和“平均寿命”的概念。

半衰期（half-life）是指放射性核素在发生衰变的过程中，原子核数目从初始值减少到一半即N＝N0/2时所需要的时间，一般用T1/2表示，它是放射性核素的一种特征常数。令t＝T1/2并将N＝N0/2代入式1-2-1，可计算出半衰期T1/2与衰变常数λ之间的关系，如式1-2-2所示：

由式1-2-2可知，半衰期T1/2与衰变常数λ呈反比关系。这是很自然的，因为λ越大，表明衰变的越快，半衰期自然就越短。反过来说，半衰期越长，说明衰变得越慢，放射性的持续时间越长；半衰期越短，说明衰变得越快，放射性的持续时间越短。不同核素的半衰期差别非常大，有的半衰减期长达几十年甚至几千年的时间；有的半衰期只有几天、几小时甚至更短的时间。例如：镭的半衰期是1590年，60Co的半衰期是5．27年，192Ir的半衰期是74天。

平均寿命（mean life）是指放射性原子核平均存在的时间，它是核素衰变特性的另一个特征常数。

设N0个放射性核素的平均寿命为τ，在时间间隔为t→t＋dt内有寿命为τ的dN个原子核发生衰变，t的取值范围为0→∞，则N0个放射性核素的平均寿命可如式1-2-3所示：

可见，核素的平均寿命τ与衰变常数λ互为倒数，是半衰期T1/2的1．44倍。

需要说明的是，平均寿命并不代表放射性核素的实际辐射寿命，与半衰期一样，它只是标明了核素的衰变特性。由式1-2-1可知，只有当t→∞时，才有N→0，这说明放射性核素的实际辐射寿命要比平均寿命长得多，这是需要特别注意的一个基本概念。

放射性核素可以分为天然放射性核素和人工放射性核素两类。

1．天然放射性核素　天然放射性核素是自然界天然存在的放射性核素，它们多数属于铀、钍、锕三系，三系起始元素为238　U、232　Th、235　Ra。各系中包括许多子体（如226　Ra、210Po等），另有少数元素不属于三系，如46　K、87　Rb等。存在于地壳中还有一些元素（如14　C和氚）是宇宙线作用于大气中稳定性元素的原子核而产生的。在医学领域，过去只有226　Ra等少数天然核素在临床上应用，后来基本淘汰。

2．人工放射性核素　人工放射性核素是利用核反应堆或高能加速器等制备的放射性核素。由于人工放射性核素可以根据所需要的放射特性、寿命长短等技术指标进行设计制造，因此，目前在医学领域和其他领域所应用的放射性核素，基本上都是人工放射性核素。例如：60Co和192Ir就是目前在医学放疗领域被广泛应用的两种人工放射性核素，其中，60Co是用于精确放疗γ刀设备的辐射源；192Ir是用于内照射后装治疗机的辐射源。