識食過人
一些元素同位素的原子核可以自发地以一定的速率进行蜕变，放出某种射线后形成新的原子核，这部分同位素称为放射性同位素。放射性蜕变是不稳定同位素原子核的一种特性，是由于原子核中中子过剩（即中子数与质子数之比大于）而引起的，其蜕变还具有一定的规律性。
（一）放射性同位素的衰变（或蜕变）定律
根据卢瑟福和索迪的理论，在任一时刻内不稳定同位素原子核（母核）的衰变速率正比于当时尚未衰变的原子数N，当列入一个比例常数（衰变常数λ）之后，就有下列数学式：
水文地球化学基础
式中：dN/dt——母核原子数的变化速率，此速率随时间而减小，故在其前面加一负号；
λ——衰变常数，它表示天然放射性同位素在单位时间内衰变机率的大小；
N——当时尚未衰变的母核原子数。
将上式整理与积分后为：
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得-lnN＝λt+C
式中：lN是以e为底的N的对数；C是积分常数，它可以从初始条件t=0时N=N0给出，
故有：
C=lnN0
将其代入上式，则有：-lnN＝λt-lnN0
整理后，
式中：N0——初始放射性母核原子数（即t=0时刻的放射性母核原子数）；
N——t时刻剩余的放射性母核原子数；
λ——放射性衰变常数；
t——衰变时间；
e——自然对数的底数（e=）。
（5-4）式为放射性同位素衰变定律的一般表达式。它表明原始放射性同位素原子核数（N0）的减少是按指数规律进行的。
描述放射性核衰变的特征值是半衰期。所谓半衰期是指具有一定数目的放射性原子核衰变到一半时所花费的时间，通常以T表示，当t=T时， 代入上式得：
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另一个描述放射性核衰变的特征值是平均寿命。所谓平均寿命是指放射性原子的平均概率寿命，并用τ表示。τ被定义为：
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据前式—dN/dt＝λN，代入则有：
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又知 ，则有：
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即τ＝T/
由此可见，平均寿命τ就等于衰变常数的倒数，它是半衰期T的倍，因此放射性衰变即可用半衰期，也可用衰变的平均寿命来描述，但通常多用半衰期来描述。在水文地质研究中常用的氚的半衰期为年，14C为5568±30年。
在水文地质工作中，可以通过这种衰变作用来计算地下水的年龄。下面仅以在地下水中研究得较好应用得较多的氚（T）和14C这两种放射性同位素为例加以说明。
（二）放射性同位素氚（T）在水文地质中的应用
氚 是氢的一种宇宙射线成因的放射性同位素，发现于1939年，原子量为，衰变时发射出β-射线，生成氦 。
水文地球化学基础
氚的半衰期是年。β-射线的最大能量是（兆电子伏特），最小能量是。氚在水中以氚水（HTO）形式存在，它是水的组成部分，随水一起运动。在天然水的循环中不会生成易沉淀的化合物，也不易被吸收，是最理想的天然示踪剂。
天然水中的氚是用液体闪烁计数方法测定的，一般用两种单位来度量，即放射性单位和浓度单位。测量放射性的基本单位用贝可（Bq）表示，它的定义为任何放射性核素只要每秒衰变数为1就称为1个贝可（Bq）。氚的浓度单位用氚单位表示，记作TU（Trit-iumunit）。1TU相当于在1×1018个氢原子中含有一个氚原子，即
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天然水中氚的主要补给来源有两个：天然氚和人工氚。
天然氚是在大气层上部由宇宙射线产生的快中子 与稳定的14N原子反应形成的。当14N与能量超过400万电子伏特以上的中子作用时，可产生
水文地球化学基础
人工氚主要由空中热核试验产生。据历史资料，1949—1950年大气降水中氚的平均浓度为5—10TU。1952年11月美国在低纬区进行的卡赛尔爆炸（核试验）之后14天，纽约的雨水中氚浓度为1240TU。1953—1963年，由于不断进行核试验，使大量人工氚进入空中，氚的浓度均大大超过天然背景值。1963年北半球大气降水中氚的浓度出现高峰值，可达数千TU。据统计，截止到1968年，由于核试验人们在大气圈内抛下了约220kg人工氚，而天然氚仅5—20kg（据）。
大部分氚在同温层积累，形成氚标记水分子，逐渐扩散到对流层，并以大气降水的方式到达地面。因此，雨水、地表水和浅层的地下水中都含有一定量的氚。
近20年来积累的大量天然水的氚含量分布资料表明，北半球的大气降水中氚含量随纬度增高而增加，而且以每年春末夏初时最高。这是因为在同温层积累的氚，大多在春末夏初由北半球高纬度地区进入对流层，然后被大气降水带至地表的缘故。
河水中氚的含量取决于流域范围内大气降水中氚的含量，以及那里的地质、地理条件。一般说来，河水中的氚含量与当地的大气降水是相当的，但若在河水的补给量中，循环时间较长的地下径流占较大比重时，则每年氚含量高峰值的出现时间会有些滞后。
通过对地下水中氚的研究，可以解决下列水文地质问题：
1.计算地下水的年龄
在空中氚原子生成后，很快就同大气中的氧原子化合生成HTO水分子。然后，HTO与大气水混合并随之一起降落到地表，随普通水分子一起渗入地下，成为地下水的组成部分。由于氚的半衰期为年，其寿命很短，在高空生成到进入地下成为地下水的一部分，在此过程中，氚在不断地进行衰变。也就是说，氚在水中的浓度在不断减低，特别是当氚进入地下以后，其浓度随地下水埋深的增加而减少。这样，根据氚自身的衰变而在地下水中的浓度不断减少的事实，客观上就起到了对地下水的地质计时作用。
用氚法测定地下水年龄称为氚法测龄。氚法测龄是通过测定地下水中氚含量（浓度）来计算地下水的年龄，其计算公式为：
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式中：t——地下水的年龄（储留时间）；
A0——补给区降水输入的氚含量；
A——排泄点地下水输出的氚含量。
但是由于人工核试验破坏了氚的自然平衡，再加上含水层的埋藏条件十分复杂，致使降水输入含水层的氚含量在时间和空间上有很大变化，要想正确地确定原始氚的输入量（A0）是比较困难的。在我国，缺乏1952年以来降水中氚含量的长期观测记录，更难以得到原始氚输入量的直接数据。此外，含水层中的地下水在径流过程中还可能发生弥散和混合作用，使地下水的氚含量与地下水储留时间之间的关系也发生改变。由此可见，式（5-7）的实际应用范围很小，它仅可以近似地应用于简单水流的年龄计算，否则必须加以修正。修正的方法有等提出的数学模拟法和提出的衰减比率法等。另外，还可以用经验估算法来大致确定地下水的年龄。据国际原子能委员会（IAEA,1972）同位素水文小组的建议，根据地下水中氚含量的多少，来确定地下水的年龄：
氚含量＜3TU的地下水，从补给区到采样点大约是20年（1952—1972年）；
氚含量为3—20TU的地下水，含有少量热核试验生成的氚，地下水可能是1954—1961年间补给的；
氚含量＞20TU的地下水，是最近形成的。
水中氚含量的多少，与氚的来源有关，也与地区的自然地理及水文地质条件有关。在干旱少雨地区，大气中蓄积了一定数量的氚，导致雨水中氚的富集。蒸发作用强的地区，由于蒸发而引起水中同位素分馏减弱，因此有利于氚在地下水中富集。地层岩性同样也影响着地下水中氚的含量，在黄土状亚粘土和中、细粒砂岩含水层中氚的含量明显减少。
氚（T）法测龄只适用于测定浅部的较年轻的地下水，一般只在50年以内的水，而不适于测定时间较久的深部循环水。
2.确定地下水的流向和渗透速度
根据地下水中氚含量资料可作出氚含量的等值线图（图5-1），从图中确定地下水的流向，分析地下水的径流条件。在某些情况下，若能计算出不同取样点处地下水的年龄，那么还可以计算地下水的渗透速度。
3.确定地下水与地表水之间的水力联系
图5-11975年5月北京市区地下水氚含量等值线图
根据地下水中的氚含量及其动态，与地表水（或大气降水）的资料相对比，可以判断它们相互间补给关系，研究水的来龙去脉。在某些情况下还可以据此进行补给量的计算。
此外，通过测定氚的含量，还可以研究包气带水的运动状况及解决工程地质中的渗漏问题。
（三）放射性同位素14C在水文地质中的应用
自然界存在着六种碳的同位素（10C、11C、12C、13C、14C、15C），主要有三种，它们的丰度分别为（12C）;（13C）;×10-10%（14C）。12C和13C是稳定同位素，14C是碳的一种宇宙射线成因的放射性同位素。自1934年在耶鲁大学首次提出14C的存在迹象以后，迄今，人们已14C有了清楚认识并对其进行了广泛应用。
14C是由于大气中N、O、C等稳定同位素原子在宇宙射线所产生的慢中子 与稳定的14N之间核反应产生的。其反应为：
水文地球化学基础
式中：P是由核反应发射出的一个质子。产生的14C原子将很快地被氧化并生成 ，或者通过与CO2（或CO）分子中的碳稳定同位素发生交换反应而存在于CO2中。 分子随着气体的流动很快混合在CO2中，并均匀地分布在整个大气圈。达到固定的稳定态平衡的浓度。这一平衡状态，一方面在大气中不断产生14C，另一方面又维持着连续的衰变。
14C在衰变时，放出一个电子（β-）重新恢复成14N。其反应为：
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式中：β-是β粒子；ν是反微中子；Q是终点能，等于（百万电子伏特）。
14CO2分子通过光合作用和从根部吸收进入植物组织中。活植物中14C的浓度是通过从大气中的连续吸收和连续衰变来维持平衡的。草食动物食用植物或者动物通过大气圈或水圈吸收含碳离子或分子也获得恒定的14C，所以，整个生物圈中都含有14C。由于大部分CO2溶解在海洋水中，形成含有14C的碳酸盐和重碳酸盐，一方面溶解，一方面又释放CO2，二者相互转换。在海洋中部分CO2被海洋生物吸收，二者之间又发生交换循环。由于上述情况，所以碳在整个大气圈—生物圈—水圈中交换循环。
通过对地下水中14C的研究，可以解决下列水文地质问题：
1.计算地下水的年龄
自然界中所有参加碳交换循环的物质都含有14C。但是，如果某一含碳物质一旦停止与外界发生交换，例如生物死亡或水中14C以碳酸钙形成沉淀，与大气及水中的二氧化碳不再发生交换，那么，有机体和碳酸盐所含14C将得不到新的补充，其原始的放射性14C就开始按照衰变定律而减少。根据放射性衰变定律，就可以计算出含碳样品脱离交换系统的时间。
为了研究地下水的年龄，还应当明确两点：
（1）系统应该是封闭的，没有其它放射性碳的补充。
（2）在关闭时刻，系统14C的放射性比度应该与同期大气圈中14C的放射性比度相同。
对于植物的遗体来说，关闭系统的概念是很容易理解的，即在它们死亡以后，被埋藏起来，停止了交换，系统也就被关闭起来。对于地下水中的碳酸盐或重碳酸盐来说，只有承压含水层才可能形成关闭系统。因此，计算地下水的年龄，主要是对承压水而言的。当大气降水进入地下，储存在承压含水层中，可以认为它被关闭起来，构成封闭系统，水中的14C不再得到外界补充。自大气降水进入地下以后，地下水中的14C就开始衰变。据此，来大致确定地下水的年龄。
具体计算地下水的年龄，可按下式进行：
水文地球化学基础
式中：t——地下水年龄（储留时间）；
T——14C的衰半期；
——地下水补给区14C初始放射性比度；]]
——待测地下水样品中14C的放射性比度。]]
，即地下水补给区14C的初始放射性比度。一般假定， 是一个常数，而且与大气圈中14C的放射性比度一致。即用地下水补给区大气降水中14C的放射性比度，来作为14C的初始放射性比度。
14C法测定地下水的年龄，一般可测得距今500—50000年以内的地下水年龄。
2.确定地下水的渗透速度
使用14C也可以确定地下水的渗透速度。基本方法是沿着地下水的流向选两个点（a、b），分别取水样测定其14C的含量，代入下式：
水文地球化学基础
式中：tb——b点水样的年龄；
ta——a点水样的年龄；
——b点水样中14C的放射性比度；]]
——a点水样中14C的放射性比度。]]
甜品达人范范
自1934年Soddy首次发现氚以来，氚的研究和生产已经有60多年的历史。对氚的研究和生产可分为两个阶段，在1954年热核武器的首次试验之前，人们对氚的研究纯属科学性的，主要研究氚的物理化学性质和测定氚在自然界中的含量。1954年前，人闪发现地球上约有2公斤的天然氚，其中10克存大气中，13克在地下水中，而其余的氚大都存海水中。首次热核爆炸后，人们开始大规模的生产氚，并对氚的各种化合物进行了广泛的研究，氚不仅用于军事目的，而且也有广泛的民用领域。目前世界上大规模生产氚都是采用在反应堆中辐照天然锂的办法。氚的生产包含铝—锂靶件的制备，靶件在堆中辐照，从靶件中提取氚，以及氚的纯化和浓缩。2H(d,p)H3反应导致了氚的发现，但是由于难以制备能抗大通量的加速器用的产氚靶，此法没有得到实际应用。在回旋加速器中轰击铍靶可以制备大量的氚，氚也可以作为核动力堆的废物，从载热剂(D2O)和慢化剂(D2O)中提取。自50年代初以来，美国已经大规模地生产氚，到1982—84年氚的产量达到最高峰，年产氚约10公斤，而1988年全部关闭了军用产氚堆，到1990年美国累积产氚约225公斤，而氚的贮量约100公斤。俄罗斯的产氚堆至今还在运行，估计氚的累积产量和贮存量大体与美国相当。据国外估计，英国和法国氚的贮量大约在5公斤左右。当前尽管美、俄正在进行一系列核裁军谈判，但他们没有全部销毁核武器，而且还在不断改进核武器性能，因此氚的生产仍是两国优先考虑的项目，以改进氚的供应，维持先进核武器系统的有效性。美国核武器用氚最初是由建在汉福特的轻水冷却石墨慢化反应堆提供的。表1列出汉福特生产的氚。早已知道，汉福特的8座生产堆在1971年即已全部停运，而氚的生产继续到1973年，这说明轻水冷却石墨慢化生产—发电两用堆也参加了氚的生产。 表：美国汉福特轻水石墨堆生产的氚年 度 产氚量(g) 年 度 产氚量(g)1949 15 1962 9051950 45 1963 9981951 121 1964 17761952 398 1965 8571953 257 1966 511954 770 1967 10961955 538 1968 12451956 79 1969 1351957 71 1970 111958 109 1971 791959 149 1972 01960 258 1973 1491961 447 合计 10600为了增加氚的供应和保证氚的来源，美国在萨凡纳河基地建造了5座以生产氚为主要目的之一的大型重水堆。其中一座(R堆)于1953年末投入运行，其余四座(P，L，K和C)于1954年—1955年投入生产。关于萨凡纳河重水堆的产氚量，美国官方至今仍未公布，表2所列数据是估计得出的2。1964年和1968年美国先后停闭了萨凡纳河两个重水堆(R堆和L堆)，氚的产量大幅度下降，1965年—1981年，美国年产氚约3公斤。1982年开始，里根政府实施扩大核武器积累计划，重新启动萨凡纳河L堆，氚的产量大幅度增加，80年代初，美国年产氚约为10公斤。据Cochran等估计，美国到1984年大约累计生产了190公斤氚，而1985年—88年间它生产了35公斤氚，总共生产了225公斤氚。1988年，美国停止了所有的生产堆，从此，美国停止了大规模地生产氚。由于氚每年要衰变掉，因此美国氚的储备量少于生产积累量。估计美国氚的储备量在100公斤左右，此数小于原先计划的储备量，而大体上与美国现有核武器所需的氚量相当。据报道，美国现有中子弹约400颗，核弹头约20000个，如果按每个中子弹需要氚15克和每个核弹头需要氚4克计算，则美国装备这些核武器需氚约90公斤。由于氚每年衰变减少，氢如要维持这些核武器每年需要补充6公斤的氚，但自1988年8月以来，美国的产氚堆一直没有运行，因此氚的供应发生了短缺。为了克服氚的短缺，美国采取了一些措施，包括短期措施与长期措施。 表：萨凡纳河工厂氚的释放量和以此估计的生产量及库存量 生 产 量 和 库 存 量F 和H 分离区 根据释放量估计 高 低年份 例行释放的氚 年度产量 库存量 年度产量库存量 年度产量 库存量kCi kg kg kg kg kg kg1955 20 420 1120 2250 820 645 654 736 736 963 311 301 308 411 272 246 379 530 312 189* 143* 125 192 192 180 200 231 257 407 合计 * 不包括11974年5月2日事故释放的470000居里和1975年12月31日事故释放的182000居里。短期措施主要对库存氚进行有效管理，具体办法是：①拆除原子弹，回收氚，重新制造；②加速陈旧核武器的退役；③减少某些核弹头的威力；④放慢一些新核弹头的部署；⑤延长氚存核弹头组合芯的存放时间；⑥从国外购买氚；⑦减少出售氚的量。 产氚堆的氚生产或建造新的产氚设施。80年代末，美国考虑了许多产氚的长期方案，这些方案包括：①建造新的产氚堆，曾考虑了9种堆型，后来集中在新建重水堆和高温气冷堆的两种堆型，两种新建堆的建造费用大约各需要55亿美元。②修复萨凡纳河重水堆(K堆)，为了修复萨凡纳河K堆，使之备用，每年的总费约2亿美元。③用加速器生产氚，加速器产氚在技术上可行的，而且放射性废物产生少、安全和环境保护问题易于解决，但投资高，建一台大型加速器多氚，投资约50亿美元。④利用研究堆产氚。美国可以用来生产氚的研究堆很多(表3)。但最有前途的是快中子通量试验堆。用它来生产氚，每年运行费用约为8800万美元，最大和最佳产氚量 为分别为公斤和公斤/年。表：美国热功率30兆瓦以上研究堆的核材料生产能力 热功率， 燃 料 堆的时 产氚量,最 产钚量，最 运行费堆 名 兆瓦 235U的 类型 间利用 大—最佳，大—最佳， 用*美元丰度，% 率，% 公斤/年 公斤/年 /年快中子 400 12%240Pu 氧化物芯块 75 — 140—44 8800万能量试验装置(FFTF)先进试验堆 25 93 Al/U金属 70 — 55— 1900万(ATR)工程试验堆 175 93 Al/U金属 90 — 49— 820万(ETR)高通量同位素 100 93 Al/U金属 94 — 29— 470万反应堆(HFIR)高通量束反应 40 93 U3O8—Al 80 — 10— 270万应堆(HFBR) 金属陶瓷芯块橡树岭研究反30 93 U3O8—Al 85 — 8— 180万应堆(ORR) 金属陶瓷芯块总 计 995 — — — — 291— —* 1994年美元值。⑤利用商业核电站产氚。
小兔菲宝宝
氚亦称超重氢，是氢的同位素之一，元素符号为T或H。它的原子核由一个质子和两个中子所组成，并带有放射性，会发生β衰变，其半衰期为年，原子量。对于如何处置核污水，生态环境部核与辐射安全中心首席专家刘新华认为，日本政府应采用去污因子高的废水处理技术和装置，对超标核素进一步净化处理，尽可能降低处理后废水中放射性核素含量；研究氚的处理技术，并及时公开研究进展和成果，如有可行技术应立即用于废水中氚的处理。
银眼的狮子王
据了解在氢元素的家族中，有着三个兄弟，亲密无间，科学家们给他们分别起了名字，老大叫做氕，老二叫做氘，老三叫做氚。
这三兄弟都是氢元素的同位素。他们共同的地方，是其原子核中都只有一个质子，一个电子。他们不同的地方，在于老大氕的原子核只有一个质子，没有中子。老二氘的原子核有一个质子，一个中子，老三氚的原子核，一个质子，两个中子。
三兄弟中，唯一表现出放射性的就是氚了。氕和氘不具备放射性。
下面，简单介绍一下氚的独特物理化学性质。
第一，氚因为具有放射性，所以可以放出β射线，衰变为氦3。在此过程中放出的β射线，通过和周围物质的相互作用，使其分子激发或者化学键受到破坏，并形成电子，离子对和自由基，进一步对物质产生辐射效应。
第二，氕氘氚的化学性质类似，物理性质有微小差异。
按照氕氘氚的顺序，其气态密度逐渐增加，液态沸点和凝固点逐渐升高，液态和固态蒸气压以及气态在固体物质中的溶解度和扩散率都逐渐减小。
例如，氕水的熔点是0度，沸点100度，而氘水的熔点是度，沸点度，氚水的熔点是度，沸点度。
第三，氚的放射生物学效应
氚的β射线比钴60的γ 射线具有更大的电离密度，可能导致更为严重的生物辐射损伤。
氚的不同化学形态在细胞中表现出不同的生物学效应。比如，氚水对生物表现出的辐射损伤是氚气的25000倍。
氚可以很容易被人体吸收。由于氚的β射线百分之九十射程只有1微米，所以氚对人体的外照射损伤可以忽略。值得重视的是氚在人体体内的内照射损伤。氚的内照射，相当于一个β射线放射源放置在人体内不间断照射。损伤的效果和进入体内的氚剂量多少有关。过量的氚照射可以引起白内障，不育，贫血，皮肤损伤。
事实上，从1935年发现氚以来，物理学家，化学家，以及其他学科的科学家们，早已经把氚研究了个底儿掉。仅仅是专门讲氚的专著，就有许多。氚有着鲜明的两面性，又有对人们有益的一面，又有对人们有害的一面。只要我们正确认识氚的特性，趋利避害，使用其长处，氚就能为人们做出贡献。
同样，对于氚的危害，也要有清醒认识，做好氚防护，把氚关在笼子里，氚就不能跑出来危害人类了！
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莎拉波哇 3人参与回答 2023-12-06 因为不能复制，你就慢慢看吧
greenxixi503 4人参与回答 2023-12-09 
