氡簡介
氡的發現
1901年埃爾斯特(Elster·J·)和蓋特(Gertel·H·)在研究大氣導電性時發現了氡。此後不久,E·盧瑟福、F·索迪和W·拉姆奇等一致確認這種氣體是一種惰性氣體,從此在氡的性質研究方面邁出了關鍵性的一步。E·盧瑟福稱這種惰性氣體為射氣(Ema-nation)。而W·拉姆奇和R·戈瑞把這種射氣命名為氡(Niton)。1910年施夫格勒 (Schifgner·j)等第一次在斯內佰格礦的坑道中測得了空氣中氡的濃 度。1923年國際會議上正式把這種氣體命名為Radon(氡)。這一名稱一直沿用到現在。
氡的性質
1.惰性氣體
標準狀態下,氡是一種無色、無味、透明的具有放射性的惰性氣體,又是單原子氣體。氣體狀態下純氡的密度為9.73 kg/m³,標準狀態下其密度為9.96 kg/m³,是惰性氣體中最重的元素,也是鈾衰變系中唯一的氣態元素。
由於氡是一種惰性氣體,化學性質極不活潑,一般不參加化學反應,近年來,有人證明:在25 ℃時氡能被氟化鹵素(如ClF,ClF3,ClF5,BrF,BrF2等)所氧化,它可使氡變成不揮發飛散的狀態,而且用氟化鹵素和金屬氟化物的混合物(ClF2SbF6,BrF2SbF6等),在低空氣流速度下成功地清除了空氣中的氡。雖然氡比空氣重得多,但它在空氣中所顯的比例極小,約為一萬億分之幾,其對空氣的重率毫無影響。
2.氡的放射性
氡是由鐳衰變而來的,氡繼續衰變產生一系列的子體。
氡是α放射體,其半衰期為3.825 d,一升純氡的放射性活度為5.51×10 16 Bq。3.7×10…10 Bq的純氡其體積僅為0.67 mm³,質量只有6.53μg,標準狀態下1 Bq Rn222的體積為1.6×10-2 m³。一般情況下,大氣中所含氡的質量百分比只有6.53×10-17%,相當於氡濃度為4.44 Bq/m³。
鐳的半衰期很長,比氡的半衰期長得多,所以在觀察氡的放射性活度時,鐳的數量變化是極其微小的完全可以視為鐳的數量是不變的,因此在二者之間能達到永久平衡狀態。
3.氡的變態性
隨著溫度的變化氡也有三態變化。常溫下為氣體;溫度下降到-61.8 ℃變為液體,密度為4.44 t/m³,液態氡的沸點為-61.8 ℃;溫度降低到-71 ℃(凝固點)時變成閃閃發光的橙色固體,汽化熱為4 325 k/mol。
4.易溶性
氡可溶解於水和多種液體中,也易溶於血液和脂肪中。
5.吸附性
氡容易被橡膠、黏土、活性炭等多孔材料所吸附,這種吸附是物理吸附,吸附係數是溫度的函式。活性炭吸附能力最強,隨著溫度的降低,活性炭對氡的吸附係數增大;反之,則吸附係數縮小。當溫度升高到200 ℃時,活性炭釋放出被其吸附的全部氡。
6.擴散性
在通常條件下,氡以氣體形式存在,這就表明,氡原子的熱運動相當強烈,說明氡具有較強的擴散能力。其擴散作用是由於氡原子的熱運動和氡在介質中濃度梯度的存在而出現的,表示氡在某一具體條件下氡擴散能力參數用擴散係數表示,氡在空氣中的擴散係數為0.105 cm²/s (20 ℃時),在水中的擴散係數為0.82×10-5cm²/s(20 ℃時)。
7.衰變特性
氡的化學性質很不活潑,但卻是放射性氣體,衰變產生一系列新的核素。習慣上把這些新生的核素叫做氡的子體,而氡叫做母體。
氡危害的特點
氡的危害有兩個特點:一是隱蔽性,二是隨機性
所謂隱蔽性,有兩重含義:氡作為一種化學物質,無色、無味,數量極微,難以覺察;另一方面,氡的危害主要是輻射生物效應,它的直接作用(對生命物資的破壞或傳輸的能量)相對機械力傷害、燙傷、觸電而言是很微小的,但由此引發的複雜生物化學過程可以導致嚴重的傷害。例如,短期接受1 Sv劑量照射時,在生物體內產生的電離,激發分子的比例只有一億分之一,傳輸的能量相當於2×10-4 cal/g。這本身是微小而難以覺察的,但它可以導致明顯的放射病症狀(嘔吐、疲倦、血象變化等)。
氡的放射作用一般是慢性的,一年內有0.1 Sv的量就算高的,其直接作用是不可能覺察到的,即無相關的自我感覺,但它仍可能引發肺癌,這就是人們常說的“潛伏期”。
所謂隨機性,就是指氡致肺癌是隨機性現象。對於一個人,可能發生也可能不發生,只有確定的幾率。也就是說,只對人數眾多的群體才能體現出確定的發病率。這就像大家熟知的吸菸可能導致肺癌的現象一樣,也是隨機性現象。對大量的人群統計,吸菸者的肺癌發病率明顯地比不吸菸者高;但就某個人而言,吸菸者不一定得肺癌,也不能根據某個人長期吸菸卻活到80歲未得肺癌來證明吸菸無害。
氡的來源
Rn-222來源於Ra-226的衰變,1 Bq的Ra-226每秒鐘產生2×10-6 Bq的Rn-222,而Ra-226的多少取決於自然界中的鈾(U-238)含量。鈾是自然界中廣泛分布的微量元素。
由於人類的生產實踐改變了鈾在自然界中的分布,使得氡的來源也多樣化。環境大氣中氡的來源是多種多樣的,但主要有以下9個方面。
大地釋放
鈾在地殼中的質量比分是3 g/t,海洋中是3 g/1 000 t,陸地為海洋的1 000倍。陸地上鈾的總量為4×109 t,是黃金總量的1 000倍。鈾在土壤和岩石中的含量是不同的。鈾在世界範圍內的平均含量為2.8×10-4%,相應的土壤中的Ra-226的放射性含量為25 Bq/kg,因此土壤中的氡含量很高,是空氣中的104~106倍。我國與世界一些天然本底較高地區相比土壤中天然放射性含量更高。
鐳衰變產生的一部分氡原子經放射性反衝、擴散遷移至地面,從而進入大氣中,地表氡的平均析出率為16 mBq/(m²·s),每年為5.5× 105 Bq/m²,乘上陸地的總面積1.5×1014 m²,得析出氡量7.6×1019 Bq/a,即為陸地表面每年向大氣中釋放的總氡量。
陸地表面氡的析出率受許多因素的影響,如土壤和岩石中的鐳含量、孔隙度、水分、氣象條件等。其中氣壓、水分、溫度的影響是明顯的。
(1)大氣壓的影響 大氣壓力的微小變化都會導致氡析出率的大幅度改變。圖6.2是牆壁內氡析出率隨氣壓的變化曲線,而土壤中氡析出率隨氣壓的變化比這更加顯著。氣壓變化1%,氡析出率要向相反的方向變化一倍。實驗還證明大氣壓力波動對氡析出影響明顯,但當大氣壓力趨於穩定後,氡析出影響較小。
(2)水分稍微潮濕的土壤比干燥土壤氡的析出率高,但水分增加到一定程度時析出率急劇下降,因為水分子堵塞了氡原子運動的通道。這是由於氡在水中的擴散係數(0.82×10-5 cm²/s)比氡在空氣中的擴散係數(0.1 cm²/s)小五個量級以上,水分是影響氡析出的最主要原因。
(3)溫度 隨著溫度的增加氡析出率也增加,但也有相反的實驗結果。
海洋釋放
海水中含有一定量的鐳-226,平均濃度為1 Bq/m³,海底比海面要高一個量級。這樣的鐳濃度導致海洋表面氡的平均析出率為7×10-5 Bq/(m²·s)，即2.2×103 Bq/(m²·a),乘以海洋的總面積3.6×1014 m²，得8×1017 Bq/a, 即海洋每年向大氣釋放8×1017 Bq的氡。該值比陸地釋放量低兩個量級,造成海洋上大氣中的氡濃度明顯低於陸地。
大陸和海洋上大氣中氡濃度差異懸殊,導致了海岸附近大氣中的氡濃度會受風向的影響。當風從海上吹向陸地時,氡濃度下降,反之上升。即使距海岸幾百千米的大陸深處,這種影響亦是明顯的。
植物和地下水的載帶
植物的生長將增加地表氡的釋放。實測結果表明,種五穀的土地氡的釋放率是那些不毛之地的3~5倍。地下水會把地殼深處的氡帶到地表面而釋放到環境大氣中。地下水中的氡濃度很高,一般在1.85×105 Bq/m³左右,高者可達1.85×107 Bq/m³左右,可形成局部地區的重要氡源。由於植物和地下淺層水的作用,每年向大氣中釋放約1×1019 Bq的氡。
核工業釋放
核工業的發展,尤其是在核燃料生產過程中,如採礦、水冶是釋放氡的主要環節。
隨著對核燃料需要量的增加,鈾礦石的產量以驚人的速度增長著。以鈾產量來衡量這種增長,1855—1900年間全世界的鈾產量總共只有3t,二次大戰期間迅速增加,1942年的年產量上升到100t,目前的年產量已達到30000 t。美國、俄羅斯、加拿大、澳大利亞等國都是產鈾國。
鈾礦井內積累的大量的氡,通過迴風井排入環境,排出量因礦山規模不同而有差異。我國一個正在生產的中等鈾礦山每天要排入環境1010 Bq的氡,對環境是有影響的。
在水冶過程中鈾-238與釷-230,鐳-226分離,其中95%的釷-230和99%鐳-226進入尾礦堆,於是尾礦堆便成了人工氡氣源。尾礦的特點一是數量多,二是占地面積大。到1977年止美國17個在役的水冶廠共有尾礦1.15×108 t,占地8.1×106 m²,已停產的23個水冶廠有尾礦2.3×10 7 t,占地4.05×106 m²。
不加覆蓋的尾礦堆氡的析出率是土壤的2~3 000倍。如此大的波動是由各尾礦堆中的鐳-226的含量不同,氣象條件的變化以及覆蓋情況的差異引起的，尾礦堆上空氣中的氡濃度明顯增高,在其周圍1 km內天然本底將有所增加。
估計全世界的鈾礦山和水冶廠每年釋放到大氣中1×1019 Bq的氡。這也是一個不可忽略的數字。
使用中的尾礦堆可利用水覆蓋，廢棄的尾礦堆要加土進行永久性覆蓋，一層60 cm的水可使氡的析出率降到10%,1 m厚的土層可使氡的析出率降到1%,6 m厚的土層可使尾礦堆附近氡氣降到本底水平。因為表層土壤會流失,需要定期修理和加厚。
煤的燃燒
煤是工業和居民生活中廣泛使用的化石燃料,每年各國要燃燒掉大量的煤。一個普通的取暖鍋爐(20 t)每年要燒掉6 000 t煤,一個中型的火力發電廠每年要燒30萬噸煤。煤中的鈾含量平均為1.0×10-4%,灰量以10%計,則灰中的鈾含量便被濃縮到1.0×10-3%。有鈾必然有鐳,煤灰也就成了一種人工氡氣源。估計全世界由於燃煤每年釋放到大氣中的氡約1×1013 Bq。
煤灰的產量是驚人的,而且隨意堆放,與尾礦堆相比,具有更大危害性
(1)尾礦堆被人重視而加以覆蓋,遠離居民點,而煤灰無人過問,分散在居民中間;
(2)尾礦堆中的放射性物質是以釷-230的半衰期(8.3×10 000 a)衰減
的,而煤灰堆中的放射性物質是以鈾-238的半衰期(4.5×109 a)衰減的,比尾礦堆要大5個數量級,也就是說煤灰幾乎是永不消失的氡源。
磷酸鹽工業
磷酸鹽礦石中的鈾含量較高,尤其以海生磷酸鹽礦石為最高。摩洛哥、前蘇聯、美國和中國都大量生產磷酸鹽礦石,美國此礦石的生產量約占全世界總產量的40%,而其中80%又集中產在佛羅里達。美國磷酸鹽礦石中的鈾含量為8×10-6~4×10-4，平均為8.0×10-5，1973年生產礦石1.27億噸,含鈾一萬噸,可供60座反應堆使用一年。
磷酸鹽的80%作為磷肥而施撒在土地上,施磷肥的土地其氡的析出率不亞於鈾尾礦堆,原因是土壤中富集了較高濃度的鐳-226。美國Belgan Agricultural研究中心在試驗田裡施撒磷肥(五氧化二磷)，11年間在兩塊地里分別施磷肥343 kg/ha和1 366 kg/ha(1 ha=104m²),結果使0~20 cm深的土層中鐳-226的平均比活度達32.2 Bq/kg,比正常土地增加了28%。
磷酸鹽工業的副產品石膏通常作為建築材料,無疑會增加室內的氡濃度。估計全世界由於磷酸鹽工業每年釋放到大氣中1×1018 Bq的氡。
非鈾礦山
據全國16個省市85個有色金屬礦山調查,礦井氡的平均濃度為 1 238~2 031 Bq/m3。據全國13個省市15個礦物局的煤礦調查,井下平均氡濃度在0.37~9.81 Bq/L之間,有氡危害的礦物局占85.71%。這一切說明非鈾礦山氡釋放量也是可觀的。
天然氣
20世紀初就知道天然氣中有放射性物質,並測定了其中的氡濃度。1919年召開了第一次世界性有關氡的報告,主要內容有:(1)美國天然氣中氡含量;(2)燃燒天然氣造成室內氡濃度增高;(3)計算呼吸道劑量。
天然氣中氡濃度差異很大,大致在(5.6~37)×104 Bq/m³。不同城市天然氣中氡濃度不同。估計每年由於天然氣的燃燒向大氣中釋放約1×1014 Bq的氡。
與燃煤相比,燒天然氣更容易增加室內的氡濃度。
建築物的釋放
由於建築材料中都含有一定量的鐳-226,牆壁、地板、天花板內產生的氡有一部分釋放到室內空氣中。我國普通磚、水泥和煤渣及工業廢渣磚,天然放射性核素含量見表6.13。
一般室內空氣中的氡濃度比環境中要高一個數量級,在通風和擴散的作用下室內的氡便進入環境。估計全世界有標準房間(室內表面積350 m²,體積200 m³)1×109個,每年釋放到環境中的氡約1×1018 Bq。
常見氡源
GD—L2流氣式固體氡氣源
構成原理
GD—L2流氣式固體氡氣源由裝有特殊的含鐳物質並有足夠禁止厚度的金屬容器、閥門、過濾器、托板及恆流泵組成。
GD—L2流氣式固體氡氣源是一種能產生確定量氡氣的發生器。由於鐳的半衰期長達1 602年。而且氡源中特殊含鐳物質的射氣係數穩定且高達95%以上，所以氡的產生率PR是非常穩定的，當空氣流量廠恆定時，氣流中的氡放射性活度濃度C(Bq/L)就會趨向一個恆定值。這個恆定濃度的氣流可以作為氡的標準樣品用來標定各種測氡儀。
RN-FD型循環式固體氡氣源
RN—FD型循環式固體氡氣源是由加拿大RN—150型固體氡氣源(包括國產FD一3024型固體氡氣源)改造而來，具體是利用固體鐳源，更換較大的足夠禁止厚度的金屬外殼整體密封。
金屬容器上方有2個出氣口閥門、2個進氣口閥門(其中2個為備用閥門)、一個密封抽氣泵及電源插頭等配件。其氡氣的生成原理與RN一150型固體氡氣源是一致的。在正常的環境條件下，由於該固體226 Ra源的強度是已知的，故放射出氡氣在封閉空間達到平衡時標準氡的總量也是確定的，固體源裝置的體積也是已知的，封閉30 d後氡放射達到平衡氡的活度濃度C(Bq/L)就已經基本恆定了。可以利用定值分配器(提取微量(1‰源體積)的有效氡氣來標定各種測氡儀。
RN-150型固體氡氣源
氡氣固體標準源的儲氣罐底部特製的鉛盒內裝有固體放射性鐳源(226Ra)，該鐳源不斷衰變產生氡氣，在10。12個氡的半衰期(3.825 d)後．儲氣罐內的氡氣達到放射性平衡狀態．氡氣的量保持不變。使用氡氣固體標準源時．用裝置內標準體積的定值分配器量取儲氣罐中氡氣總量的約0.1%，送入測氡儀器進行測量。由於鐳源的活度、衰變速率和體積都是確定的,所以每次吸取的氡氣量也是確定的，可以用來對測氡儀器進行標定。
