放射性元素入門：從發現到應用

1896年，法國物理學家亨利·貝克勒爾意外發現鈾鹽能夠使照相底片曝光，即使底片被不透光的紙張包裹。這一發現揭開了放射性研究的序幕，徹底改變了人類對原子結構的認識，並為核能、醫學診斷和癌症治療開闢了全新的領域。

什麼是放射性？

放射性是原子核自發地釋放能量和粒子，轉變成另一種元素的過程。這種現象發生在原子核不穩定時——當質子和中子的數量或比例不平衡，原子核就會通過放射性衰變來尋求穩定狀態。

三種主要輻射類型

• 阿爾法（α）輻射：由2個質子和2個中子組成的氦核，穿透力弱，一張紙即可阻擋
• 貝塔（β）輻射：高能電子，穿透力中等，需要幾毫米鋁板阻擋
• 伽馬（γ）輻射：高能電磁波，穿透力強，需要厚重的鉛或混凝土阻擋

半衰期

半衰期是描述放射性衰變速率的重要概念，指放射性物質的原子數減少一半所需的時間。不同元素的半衰期差異極大：碳-14的半衰期約5730年，而鈾-238的半衰期長達45億年，接近地球的年齡。

放射性元素的發現史

貝克勒爾與鈾

貝克勒爾的發現最初被認為與X射線有關，但進一步研究表明這是一種全新的現象。鈾（U）成為第一個被確認具有放射性的元素。這一發現為貝克勒爾贏得了1903年諾貝爾物理學獎。

居禮夫婦與鐳和釙

瑪麗·居禮和皮埃爾·居禮在貝克勒爾發現的基礎上深入研究，從數噸瀝青鈾礦中提煉出兩種新的放射性元素：釙（Po，以瑪麗的祖國波蘭命名）和鐳（Ra）。鐳的放射性強度是鈾的數百萬倍，在黑暗中發出幽幽的藍光。

居禮夫婦因放射性研究獲得1903年諾貝爾物理學獎，瑪麗·居禮又因發現釙和鐳獲得1911年諾貝爾化學獎，成為唯一獲得兩個不同領域諾貝爾獎的科學家。

週期表中的放射性元素

週期表中，原子序數大於83（鉍）的所有元素都沒有穩定同位素，它們全部具有放射性。這包括：

• 釙（Po, 84）：居禮夫人發現，用於消除靜電
• 砹（At, 85）：最稀有的自然元素之一
• 氡（Rn, 86）：放射性惰性氣體，室內污染物
• 鍅（Fr, 87）：最不穩定的自然元素
• 鐳（Ra, 88）：曾用於夜光錶盤
• 錒系元素（89-103）：包括鈾、鈈等核燃料
• 超錒系元素（104-118）：全部人工合成

放射性元素的應用

醫學診斷與治療

放射性同位素在現代醫學中有廣泛應用。鎝-99m是最常用的醫學成像同位素，每年全球進行超過3000萬次鎝-99m掃描。碘-131用於治療甲狀腺疾病，而鈷-60的伽馬射線用於殺死癌細胞。

核能發電

鈾-235是核電站的主要燃料。一公斤鈾-235釋放的能量相當於2500噸煤炭。全球約10%的電力來自核能發電。核能是低碳能源，在應對氣候變化中扮演重要角色。

碳-14年代測定

碳-14是一種天然存在的放射性同位素，在生物死亡後以固定速率衰變。通過測量樣品中碳-14的含量，科學家可以確定有機物的年齡，這種技術可追溯至約5萬年前。

煙霧探測器

許多家用煙霧探測器含有微量的鎇-241。鎇發出的阿爾法粒子使空氣電離，當煙霧進入探測器時會干擾這個過程，觸發警報。

放射性安全

雖然放射性有許多有益應用，但過度暴露於輻射會對健康造成傷害。科學家、醫療工作者和核電站工人都遵循嚴格的安全規程，包括使用屏蔽材料、限制暴露時間和保持距離。

對於普通公眾，最主要的輻射來源是天然本底輻射（來自宇宙射線和地殼中的放射性元素）和醫療檢查。氡氣是室內環境中最重要的輻射來源，良好的通風可以降低氡的濃度。

結語

從貝克勒爾的意外發現到今天的核醫學和核能發電，放射性元素的研究深刻地改變了我們的世界。這些不穩定的原子核既是強大的能量來源，也是精密的診斷工具。理解放射性的科學原理，有助於我們安全地利用這些元素的巨大潛力。