氡(Rn)及钍射气(Tn)的短寿命衰变产物的积累和衰变

岩石及土壤中天然放射性元素的分布~

（一）岩石中天然放射性元素的分布
自然界中各种岩石中都含有一定数量的放射性元素，所有岩石都具有放射性。岩石的放射性强度主要取决于铀系、钍系和不成系列的天然放射性元素钾的含量。它们的主要特 点如下：
岩浆岩中，不同种类的岩石所含铀、钍、钾含量有很大差别，并随酸性的增加而增加。
沉积岩中，铀、钍、钾的含量相差也很大，常与其中的黏土含量有关；钍铀比例变化 也很大。
变质岩中，铀、钍、钾的含量与变质前原岩中的含量及其变质程度有关。具体见表5-2。
表5-2 不同类型岩石中几种主要放射性元素的平均含量（％）


（据北京第三研究所，1977）
蚀变岩石与未蚀变岩石相比，近矿蚀变围岩中的铀含量普遍增高。
不同时代的同一种岩性的岩石及不同地区的同一种岩性的岩石，其中的铀、钍、钾含量也有很大差异，一般是时代越新的铀含量越高。
（二）土壤及大气中天然放射性元素的分布
从岩石和水中的天然放射性元素衰变释放出的氡（Rn）、钍射气（Tn）和锕射气（An）及其衰变产物，广泛地分布在土壤和大气中。由表5-3可见，土壤和大气中Rn和 Tn的分布是有一定规律的：土壤中Rn浓度最高，其次是陆地上空大气中，最低的是海 洋上空大气中。Rn和Tn的浓度随高度的增加而减少。
表5-3 土壤和大气中氡和钍射气的浓度及大气中氡浓度随高度的变化


注：表中单位是由Ci/L换算的，Bq为活度单位；A为紊流扰动系数。（据石玉青等，1986）

氡，原子序数86，是天然放射性元素，稀有气体。1899年欧文斯和卢瑟福在研究钍的放射性时发现氡，当时称为钍射气，即氡220；1900年多恩在镭制品中发现氡222；现已发现质量数199～226的全部氡同位素。其中天然同位素只有氡219、220、222。

氡是无色、无味气体；熔点-71°C，沸点-61.8°C，气体密度9.73克/升；水溶解度4.933克/千克水，也易溶于有机溶剂，如煤油、二硫化碳等中；氡很容易吸附于橡胶、活性炭、硅胶和其他吸附剂上。氡较容易压缩成无色发磷光的液体，固体氡有天蓝色的钻石光泽。

氡的化学性质极不活泼，以制得的氡化合物只有氟化氡，它与氙的相应化合物类似，但更稳定，更不易挥发。

氡主要用于放射性物质的研究，可做实验中的中子源；还可用作气体示踪剂，用于研究管道泄漏和气体运动等。

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氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，它没有颜色，也没有任何气味。氡原子在空气中的衰变产物被称为氡子体，为金属粒子。常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气。容易被呼吸系统截留，并在局部区域不断积累而诱发肺癌。科学研究表明，氡人体的辐射伤害占人体一生中所受到的全部辐射伤害的55%以上，其诱发肺癌的潜伏期大多都在15年以上，世界上有1/5的肺癌患者与氡有关。所以说，氡是导致人类肺癌的第二大"杀手"，是除吸烟以外引起肺癌的第二大因素，世界卫生组织把它列为使人致癌的19种物质之一。
氡对人体的健康危害主要表现为确定性效应和随机效应。
1、确定性效应表现为：暴露在高浓度氡下，肌体出现血细胞的变化。氡对人体脂肪有很高的亲和力，特别是氡与神经系统结合后，危害更大。
2、随机效应主要表现为肿瘤的发生。由于氡是放射性气体，当人们吸入体内后，氡衰变产生的阿尔法粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。专家研究表明，氡是除吸烟以外引起肺癌的第二大因素，世界卫生组织把它列为19种主要的环境致癌物质之一，国际癌症研究机构也认为氡是室内重要致癌物质。据统计，我国每年因氡致肺癌为50000例以上。天津市区公众肺癌23.7%是由氡及其子体造成的。

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氡是从镭直接衰变而来的，但在不同条件下来源亦不尽相同。平房中的氡主要来源于地基下的土壤、岩石、构造带（特别是信构造带）以及镭水（如油气区）等；三层以上的楼房，氡主要来源于花岗岩等建材。室内环境中的氡可能还来自一些生活用品，例如水，特别是直接引用的地下水，煤气，燃煤，搪瓷制品等。
空气中氡浓度的增加是否对人体健康有不利影响，已引起了公众和科技界的普遍关注。氡及衰变产物（主要为短寿命子体，以下简称氡及其子体）在天然辐射对人体所致照射剂量中占有重要的地位，联合国原子辐射效应科学委员会（以下称UNSCEAR），1993年报告书中给出在正常地区氡及子体占有天然辐射源对人所致平均有效剂量的50%（1.2Msy）。也就是说在正常的生活环境中氡也是一个主要受照来源，因此氡及其子体对人类的危害至今仍为众所关心的课题。世界卫生组织曾将氡列为19种致癌物质之一，并已被被确认为室内重要的并可导致肺癌发病率增加的潜在污染物.氡的危害主要是当氡被吸人体内后，其衰变产生的短寿命子体沉积在肺部的支气管上皮细胞，发射的a粒子具有较高能量．会对细胞造成损伤，受损伤的细胞有可能发生变异，形成癌细胞．受机体免疫力等因素影响，就会发展成肺癌。当然这是一种随机稍应，只是随着接受辐射剂量的增加，受照人群中肺癌的发病概率也会增加。
早在1901年首次测量了矿中的氧，并将氧与肺癌联系起来，以后相继开展了有关调查研究工作。20世纪50年代以后居室内氡的潜在危害就引起人们的关注，但最初对氧的危害是由铀矿工人患肺癌的比正常人明显增多，而进行了研究，氡致肺癌的机理也得到阐明，证明氡有可致肺癌的危害。但至今对氡与患肺癌的定量相关都是以矿工中肺癌的相对危险度与氡的累积照射量呈线性关系这一假设来推导的。对居室内的低浓度水平氡的危害尽管做了大量的研究，目前也是以上述方法推导的。
国际放射护委员会（ICRP）1993年公布了第65号出版物“住宅和工作场所氡-222的防护一书”，书中对氡的认识筛出以下3点。
（1）室内水平变化范围大。
（2）敏感的支气管上皮细胞当量剂量较高。
（3）有关暴露于氡的矿工肺癌超额危险的令人信服的流行病学证据。
氡导致肺癌主要是由氡的子体所致。氡的半衰期是3.825天，而在体内停留时间又较短，而且在半小时内，吸入的氡与呼出的氡可达到平衡，所以在呼吸道内产生的剂量很小，危害也较小。而氡子体（同位素Pb、Bi、Po）则不然，它是金属离子，很容易被呼吸系统截留，在局部区段不断积累，并在原处衰变，产生电离和激发，破坏周边细胞，大部分肺癌首先是在这段发生的。氡直接致癌的几率较小。
关于室内氡及其子体的照射产生的致癌效应的评价，包括吸烟的协同影响，仍有较大的不确定度，对这个重要问题待可靠的定量回答。

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关于氡
氡（Rn），Ragon，原子序数为86。天然放射性元素，惰性气体。无色无味气体。固态氡呈天蓝色，有光泽。氡是镭的衰变子体，常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气，易被呼吸系统截留，并在肺部不断累积而诱发肺癌。氡是导致人类肺癌的第一大“杀手”，是除吸烟以外引起肺癌的第二因素，世界卫生组织把它列为使人类致癌的物质之一。




氡的危害
众所周知，一些天然石材具有放射性危害，它对健康的危害主要有两个方面，即体内辐射和体外辐射。体内辐射主要来自于放射性辐射在空气中的衰变，从而形成的一种放射性物质氡及其子体。氡是自然界唯一的天然放射性气体，氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的氡子体，进入人体的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一种生物效果，会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤。
常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气，由于它无色无味，很容易被人们忽视，但它却容易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积。长期吸入高浓度氡最终可诱发肺癌。
氡对人类的健康危害主要表现为确定性效应和随机效应：
①确定性效应表现为：在高浓度氡的暴露下，机体出现血细胞的变化。氡对人体脂肪有很高的亲和力，特别是氡与神经系统结合后，危害更大。
②随机效应主要表现为肿瘤的发生。由于氡是放射性气体，当人们吸入体内后，氡衰变产生的阿尔法粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。专家研究表明，氡是除吸烟以外引起肺癌的第十大因素，世界卫生组织（WHO）的国际癌症研究中心（IARC）以动物实验证实了氡是当前认识到的19种主要的环境致癌物质之一。



氡的来源
室内空气中氡的来源：
1、从地基上场所中析出的氡
在地层深处含有铀、镭、钍的土壤和岩石中人们可以发现高浓度有氡。这些氡可以通过地层断裂带，进入土壤，并沿着地的裂缝扩散到室内。一般而言，低层住房室内氡含量较高。
2、从建筑材料中析出的氡
1982年联合国原子辐射效应科学委员会的报告指出，建筑材料是室内氡的最主要来源，如花岗岩、砖沙、水泥及石膏之类，特别是含有放射性元素的天然石材，易释放出氡。各种石材由于产地、地质结构和生成年代不同，其放射性也不同。国家质量技术监督局曾对市场上的天然石材进行了监督抽查，从检测结果看，其中花岗岩超标较多，放射性较高。
3、从户外空气带入室内的氡
在室外空气中氡的辐射剂量是很低的，可是一旦进入室内，就会在室内大量地积聚。室内氡还具有明显的季节变化：通过实验可得，冬季最高，夏季最低。可见，室内通风状况直接决定了室内氡气对人体危害性的大小。
从日常用水以及用于取暖和厨房设备的天然气中释放出的氡。

1.Rn的短寿衰变产物的积累

Rn的短寿衰变产物主要包括RaA、RaB、RaC及RaC′四个核素。这属于多个放射性核素的积累问题。把Rn瞬时引入密封容器后,它们在任一时刻t的原子数,可利用式(1-15)计算。根据计算结果可作图1-17。由图1-17可看出RaA从Rn中积累,很快就达到最大值,而RaB、RaC相对增长较慢,经3～4h才能积累达到极大值。

Rn及其短寿子体中,Rn、RaA和RaC′是α辐射体。它们总的衰变率随时间的变化规律如图1-18所示。射气测量中,将Rn引入ZnS闪烁室后引起的闪烁效应的增长,就是由它决定的。

图1-17 从Rn中积累RaA、RaB、Ra过程曲线

图1-18 Rn及其衰变子体总的α衰变率随时间的变化曲线

2.Rn的短寿子体的衰减

物体被Rn射气污染后,物体表面上会沉淀Rn的衰变子体RaA、RaB及RaC′等。即使将Rn射气排除掉(或把物体从含Rn的空气中拿走),这些沉淀物不会马上消失,而是逐渐衰变并伴随放出α、β、γ射线。显然这会对放射性测量工作带来干扰。例如,射气测量中闪烁室被Rn射气污染,在坑道中测定天然产状下的射气系数时铁筒或铁板被污染等都属于这种情况。因此研究氡子体的干扰辐射照射量率随时间变化的规律是非常必要的。而这些干扰辐射照射量率随时间的变化规律与Rn射气浓度和作用时间有着密切的关系。下面分两种情况予以讨论。

1)物体与Rn射气接触时间较短(2min左右),由图1-19可以看出,这时主要是RaA的沉淀,而RaB与RaC沉淀很少。当Rn除去后,RaA便成为母体核素了,因而按指数规律

衰变,RaB、RaC、RaC′等核素则按多个核素相继衰变的规律衰变与积累。它们积累的量可由式(1-15)进行计算。三个子体(RaA、RaB、RaC)的变化规律如图1-19所示。因RaC′的半衰期很短,只有1.64×10^－4s^－1,RaC′与RaC处于平衡状态,其变化规律与RaC相同。

图1-19 短时间被Rn污染后，其衰变子体间的变化曲线

随着RaA的衰变,RaB迅速积累,10min左右达到极大值,而后逐渐减少。30min后(即10倍的T_RaA),RaA基本衰变完了。因此RaB按照

的规律衰变。RaC增长较RaB缓慢,约经30min积累到最大值,而后慢慢减少。

Rn短寿衰变产物中RaA与RaC′是主要α辐射体。在前10min里N_RaA＞N_RaC′,因此λ_RaAN_RaA＞λ_RaC′N_RaC′,这时的α辐射主要由 RaA来决定。RaC′贡献很小。20min后RaC的量显著超过RaA,此后的α辐射将由与RaC处于平衡的RaC′决定。RaB、RaC是铀系的主要β、γ辐射体,因此污染所产生的β、γ辐射将由这两个核素所决定。

图1-20 长时间(＞4h)被Rn污染后，其衰变子体间的变化曲线

2)如果Rn的浓度保持不变,物体被污染的时间超过4h,已接近10倍RaB的半衰期,这时将Rn射气去掉,物体表面上沉淀的RaA、RaB、RaC的积累和衰变规律与短时间接触不同,如图1-20所示。前10min,α辐射将由于RaA的迅速衰变而降低,而后决定于RaC的变化。而污染所引起的β、γ辐射,将由RaB与RaC的变化决定。无论α辐射,还是β、γ辐射都与RaC关系最为密切。经过2h后,α辐射将降低到开始时的2%左右。β、γ辐射将降低到开始时的4%左右。因此被Rn较长时间污染的测量装置或仪器在空气中放置3h左右,一般可继续使用。比如在射气测量中,当ZnS闪烁室被Rn的短寿沉淀物污染后,只要将闪烁室放在空气中2h左右,就可以继续工作,如果要立即工作则需要更换闪烁室。

3.Tn引入密封容器后α辐射照射量率的变化

当Tn引入密封容器后,其α辐射照射量率的变化规律如图1-21所示。Tn和它的衰变子体ThA是α辐射体。ThB的半衰期较长(10.64h),它以后的衰变产物无明显积累,所以α辐射照射量率将由Tn和ThA的衰变所决定。ThA的半衰期很短(T_1/2=0.15s),Tn与ThA很快达到平衡,然后都依照

的规律而衰减。Tn的半衰期约为55.6s,大约每隔一分钟减少一半,经过10min后,实际可以认为它衰变完了。

可见Tn引入密封容器后的α辐射规律与Rn的变化规律明显不同。可以利用这个差别来确定矿石起始核素的性质,射气测量中的Rn、Tn定性就是利用这一点。

图1-21 Tn引入密室后α辐射的变化曲线

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巢湖市19850942919： 关于放射性元素的半衰期,下列说法正确的是()A.氡的半衰期为3.8天,若取8个氡原子核,经7.6天后一 - ？
鲜贞康复： A、半衰期是统计规律,对少数核子无意义,A错误;B、7 8 发生衰变,说明剩余1 8 ,经历3个半衰期,则该元素的半衰期为T=11.4 3 =3.8天,B正确;C、半衰期只有原子核本身决定,与外部因素无关,C错误;D、根据质量数和电荷数守恒知, 22286 Rn衰变成21884 Po的过程放出的粒子是α粒子,1 g氡经过7.6天经历2各半衰期,剩余1 4 ,衰变了0.75 g,D正确;故选:BD

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鲜贞康复： 不都是,稀有气体He、Ne、Ar属于短周期元素,其余不是. 稀有气体 稀有气体或惰性气体是指元素周期表上的18族元素(IUPAC新规定,即原来的0族).在常温常压下,它们都是无色无味的单原子气体,很难进行化学反应.天然存在的稀有...

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