但是,由于原子序数“Z”始终可以通过化学符号确定,因此通常只说明质量数(例如,14 C),并将其发音为“碳十四”。如果字母“m”紧跟在质量数之后(例如,锝-99m),则表示原子核处于亚稳态(即同位素最低能量基态以外的稳定态)。
同位素特性
同一元素的同位素具有几乎相同的化学和物理性质,但它们的核性质各不相同,这使得一些同位素对人类来说无价,而另一些则没有实际价值(至少目前如此)。有些同位素被称为“稳定同位素”,这意味着它们的核组成不会随时间而改变。大多数天然存在的同位素都是稳定的。如果一种同位素的原子核有可能随时间自发变化(即放射性衰变),则该同位素具有“放射性”。在放射性衰变过程中,“母”同位素会转变为“子”同位素(可能来自不同的元素)。通常,在形成稳定的原子核之前,必须完成一系列被称为“衰变链”的子体衰变。放射性同位素衰变的速率由原子的半衰期(tH)来衡量, tH表示该物质衰变一半所需的时间。每种放射性同位素都有确定的半衰期,范围从几分之一秒(例如,215 At 为 0.1 毫秒)到数十亿年(例如,238 U 为 44.68 亿年)。
元素既可以具有稳定同位素,也可以具有放射性同位素。例如,锶有四种稳定同位素:锶-84、锶-86、锶-87 和锶-88;以及一种放射性同位素锶-82。随着时间的推移,锶-82 衰变为铷-82,半衰期为 25 天,因此适合用于发生器提供铷-82——用于心脏成像的最便捷的正电子发射断层扫描 (PET) 剂。26 种元素只有一种稳定同位素,而锡拥有最多的稳定同位素,有 10 种。
据估计,大约90种天然存在的元素以339种不同的同位素形式存在,其中约250种是稳定的,35种是不稳定的(放射性的),其半衰期极长,可达数百万年。此外,人工合成的放射性同位素超过3000种。自然界中,大多数元素都是由多种同位素混合而成的。
访问布鲁克海文国家实验室的国家核数据中心网站,查看核素交互式图表,该图表根据原子核中的质子和中子数量排列所有元素和同位素,并提供稳定同位素的天然丰度百分比、放射性同位素的半衰期、主要发射和能量(α、β、正电子、γ)等信息。
同位素形成和辐射类型
同位素可以通过原子核的放射性衰变(即以α粒子、β粒子、中子和光子的形式释放能量)自发(自然)形成,也可以通过加速器或核反应堆中的中子轰击稳定的原子核人工形成。在某些情况下,会产生同一种元素的新同位素。在其他情况下,一种元素会转化为另一种元素,这个过程称为“嬗变”。
随着放射性同位素的自然衰变,粒子在穿过空气、水和人体等物质时会沉积(即损失)能量。α粒子的能量沉积距离最短,因此最容易被“阻止”。β粒子需要略多的防护,而光子(γ射线和X射线)则需要更强大的屏蔽。中子辐射因其高动能而被认为是对人类最严重、最危险的辐射,因此通常需要最有效的屏蔽。原子序数较低的物质(水、碳、锂等)能够减慢中子的速度,通常能够提供最有效的屏蔽。
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