氡氣檢視原始碼討論檢視歷史
| 氡氣 | |
|---|---|
氡氣，元素符號為Rn，原子序數是86, 位於元素周期表中第六周期，零族。氡氣分子是氡原子的單原子分子，氡氣是稀有氣體中最重的一個。
氡有27種同位素，常見有三種，均為放射性核素。大氣中氡本身不參加化學反應, 但其衰變產生的射線及衰變產生的短壽命衰變產物對人體健康具有危害作用。對人體危害最大的主要是222Rn及其衰變產物。
基本信息
元素名稱:氡
中文讀音:dōng [1] 英文名稱:Radon
元素符號:Rn
相對原子質量:[222]
元素類型:稀有氣體
電子層:K-L-M-N-O-P
外圍電子層排布::6s²6p6
原子體積:(立方厘米/摩爾) 50.5
元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面 0.00000000000001
電離能 (kJ /mol) M - M+ 1037 [2]
發現人:多恩(F.E.Dorn)
發現年代:1900年
發現過程:1900年由德國人多恩(F.E.Dorn)在鐳製品中發現。
元素來源:由鐳、釷等放射性元素蛻變而獲得。
元素用途:由於氡具有放射性，衰變後成為放射性釙和α粒子，因此可供醫療用。用於癌症的放射治療:用充滿氡氣的金針插進生病的組織，可殺死癌細胞;利用鈷-60和粒子加速器對疾病進行輻射治療。它通常從輻射源泵中提取並密封於小玻璃瓶中，然後植入患者體內腫瘤部位。人們稱這種氡粒子為"種子"。
研究歷史
弗里德里希·道恩在1900年發現了氡元素。當時氡是繼鈾、釷、鐳和釙之後第五個被發現的放射性元素。道恩發現在一些試驗中，鐳化合物會散發一种放射性氣體。他將其稱為"鐳射氣"(Radium Emanation，簡稱Ra Em)。1899年，居里夫婦曾觀察到鐳所發出的氣體在一個月後仍保持其放射性。同年，蒙特利爾麥吉爾大學的羅伯特·B·歐文斯(Robert B. Owens)和歐內斯特·盧瑟福在測量來自氧化釷的輻射時，注意到了輻射量的波動變化。盧瑟福發現，釷的化合物會持續散發某种放射性氣體，這種氣體會在數小時內保持放射性。他將其稱為"散發物"(Emanation)，後來又稱為"釷射氣"(Thorium Emanation，簡稱Th Em)。1901年，他證明此散發物確實具有放射性，但把元素髮現者的名譽留給了居里夫婦。1903年，安德烈-路易·德貝爾恩(André-Louis Debierne)在錒元素中觀測到了類似的散發物，即"錒射氣"(ActiniumEmanation，簡稱Ac Em)。
人們為這三種氣體提出了多套命名方案:1904年的exradio、exthorio和exactinio，1918年的radon、thoron和akton，1919年的radeon、thoreon和actineon以及1920年最終的radon、thoron和actinon。由於這些氣體的光譜與氬、氪和氙相似，而且氣體呈化學惰性，所以威廉·拉姆齊於1904年猜測，散發物可能含有屬於稀有氣體一族的新元素。
1910年，拉姆齊和羅伯特·懷特洛-格雷(Robert Whytlaw-Gray)分離出了氡氣，並對其密度進行了測量，確定它是已知最重的氣體。他們寫道"鐳射氣這一詞十分累贅"，並提出了新的命名"niton"(符號為Nt)。該名稱來自拉丁文"nitens"，意為"發光的"，因為氣體能夠輻射發光。國際原子量委員會於1912年採用了這一命名。1923年，國際化學元素委員會和國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)決定從radon(Rn)、thoron(Tn)和actinon(An)三者中選擇命名。之後，各元素的同位素不再擁有不同的名稱，而是以數字標號，統一命名。因此最穩定同位素radon就成了元素的正式命名，而Tn和An則分別改稱220Rn和219Rn。直到1960年代，文獻一般都只是以"散發物"稱之。1962年合成的氟化氡是首個被合成的氡化合物。
礦場中氡輻射量可以高達1,000,000 Bq/m3。1530年，帕拉塞爾蘇斯曾描述礦工所患的一種疾病，格奧爾格·阿格里科拉因此建議為礦井添加通風系統，以避免這種"山病"(Bergsucht)。1879年，這種病症被判定為肺癌。對波希米亞亞希莫夫地區的鈾採礦所作出的調查，是第一項有關氡對健康的影響的研究。在美國，冷戰初期美國西南部鈾礦工人經過數十年的健康問題之後，直到1971年才有安全標準得以實施。
早在1950年，就有關於室內空氣中氡氣含量的記錄。1970年代開始，人們開始研究室內氡氣的來源、影響濃度的因素、對身體的影響以及減輕氡含量的方法。室內氡氣問題於1984年在美國獲得了廣泛的關注和深入的調查。當年，一位工程師在對賓夕法尼亞州一座核電站進行例行監察的時候，被發現受到放射性污染。最終找到的放射性源頭，是其家中濃度過高的氡氣。
性質
物理性質
氡氣無色、無臭、無味。在標準溫度和壓力下，氡是一種單原子氣體，密度為9.73 kg/m，約為海平面地球大氣密度(1.217 kg/m)的8倍。氡是密度最高的稀有氣體，也是室溫下密度最高的氣體之一。雖然在標準溫度和壓力下無色，但它在冷卻至冰點202 K以下後會因放射性發光，隨溫度降低而從黃色漸變為橘紅色。在凝結之後，氡同樣會因放射性發光。
氡作為稀有氣體，其化學活性很低。不過，氡-222同位素的半衰期為3.8天，適合做物理科學中的放射性示蹤劑。
化學性質
氡屬於稀有氣體。它對於多數常見化學反應呈惰性，例如燃燒反應，因為其擁有8個外層價電子。這種電子排布會形成穩定的低能量狀態，此時外層電子緊緊束縛在原子中。其第一電離能為1037 kJ/mol。但根據元素周期表的趨勢，氡的電負性比位於上一周期的元素氙要低，所以化學活性會比氙高。
氡略溶於水，其可溶性相對比它輕的稀有氣體高。在有機化合物液體中，氡的可溶性則高得多。早期研究發現，水合氡的穩定程度應該與氯(Cl2)和二氧化硫(SO2)的水合物相當，且明顯比硫化氫(H2S)的水合物高。
由於價格高、放射性強，所以科學家不常進行氡的化學研究。已知的氡化合物很少，都屬於氟化物或氧化物。氡可以被氟等強氧化劑氧化，形成揮發性低的二氟化氡。
在250 °C以上溫度，二氟化氡會分解成各組成元素單質。由於氡壽命之短和放射性之強，研究未能確定該化合物的具體屬性。理論性研究則預測，二氟化氡分子中的氡-氟鍵長為2.08pm，且它的熱力學穩定性比同系物二氟化氙(XeF2)更高，揮發性更低。另一種氟化物RnF6的分子結構為八面體型，其生成焓預計將比二氟化氡更低。有研究稱RnF4和RnF6等較高氟化物是存在的，而且根據計算它們都是穩定化合物，但一些化學家則懷疑這項研究的結論。
其他可能存在的氡化合物還包括氧化氡，其中只有三氧化氡已經確認存在。根據預測，羰基氡(RnCO)是一種具有直線形分子構型的穩定化合物。根據計算，Rn2和RnXe分子的穩定性因自旋-軌道作用而大大提高。有科學家提出把氡原子包在富勒烯分子中，作為治療腫瘤的一種藥物。雖然氙可以形成Xe(Ⅷ)，但氡卻沒有發現能夠形成Rn(Ⅷ)化合物。就算存在，RnF8的化學穩定性也會非常低(XeF8為熱力學不穩定化合物)。最穩定的Rn(Ⅷ)化合物預計會是高氡酸鋇(Ba8RnO8)，類似於高氙酸鋇 。
氡的同位素
氡已知的放射性同位素共有27種，其相對分子質量在193和228之間。最穩定的同位素是Rn，它是Ra的衰變產物，而Ra則是U的衰變產物。Rn的子同位素還包括極微量的不穩定同位素Rn。
除此之外半衰期超過一小時的同位素還有三種:Rn、Rn和Rn。其中Rn是釷的最穩定同位素Th的自然衰變產物，通常稱為"thoron"。它會釋放，半衰期為55.6秒。Rn則是錒的最穩定同位素Ac的產物，可稱"actinon"。它同樣釋放α粒子，半衰期為3.96秒。鎿(Np)衰變系不會產生大量的氡同位素，唯一產生的是微量極不穩定的Rn。
氡的衰變特性
Rn是鐳和鈾-238的衰變系成員之一，其半衰期為3.8235天。它的主要衰變途徑會產生四種壽命很短的元素(八種核素)Po、Pb、Bi、Po、Pb、Bi、Po、Pb，所以通過測量產物的瓦解，可以得知最初氡的分布情況。
氡的危害
氡是世界衛生組織(WHO) 公布的19 種主要致癌物質之一, 是僅次於香煙引起人類肺癌的第二大元兇。
國際癌症研究署( IARC) 認為氡及其子體是人類的致癌因子, 無閾值。
聯合國原子輻射效應科學委員會( UNSCEAR )估計， 來自天然的輻射對公眾的年有效劑量為 2.4mSv ，其中氡及其子體的貢獻占 54% 。
動物實驗研究表明, 氡的生物學效應主要集中在呼吸道腫瘤、肺纖維化、肺氣腫和壽命減少方面。人體各器官受到氡子體輻射劑量的程度是不同的， 其中肺部受到的劑量最大。 而氡子體在肺部產生的劑量分布也是不均勻的,，氣管、支氣管上皮細胞層的劑量大大高於肺區或全肺的平均劑量。 流行病學研究顯示低劑量的放射性污染物質氡長期作用是人群肺癌發生的危險因素之一,有研究揭示室內環境中氡濃度升高與肺癌的高發有密切關係。
氡對人類的健康影響表現為確定性效應 (determination effect) 和 隨機效應( stochastic effect )。確定性效應表現為:在高濃度氡的暴露下，機體出現血細胞的變化如外周血液中紅細胞增加，中性白細胞減少，淋巴細胞增多，血管擴張，血壓下降，並可見到血凝增加和高血糖。氡對人體脂肪有很高的親和力，特別是神經系統與氡結合產生痛覺缺失。隨機效應主要表現為腫瘤的發生，由於氡是放射性氣體，當人們吸入後，氡衰變過程產生的α粒子可在人的呼吸系統造成輻射損傷，誘發肺癌。流行病學研究表明:氡及其衰變子體的吸入是礦工肺癌發病的重要原因。美國估計每年有 7000-10000 例肺癌由於是室內氡所引起的，即除吸煙以 外引起肺癌的第二大因素。荷蘭認為由氡引肺癌為交通事故的 2/3 。 在瑞典，氡在所有癌症誘因中排第五位。 氡是 ICRP 推薦的慢性照射行動水平具體數據的唯一核素，被 WHO (世界衛生組織)公布為 19 種主要的環境致癌物質之一 。 1987 年氡被國際癌症研究機構列入室內重要致癌物質。不過人們對由居室內氡引起的照射的潛在健康的認識仍然有限。
氡及其子體使外周血紅細胞、淋巴細胞數量減少，脂質過氧化增強，其對骨髓細胞的效應為雙向性，即在低劑量時刺激骨髓細胞的增生，而高劑量下則為抑制作用。苯使外周血中各系血細胞數量減少，機體脂質過氧化增強，並抑制骨髓細胞的增生。氡及其子體和苯聯合作用時，表現為增毒作用，即對機體的毒作用大於兩者單獨作用的效應之和。
氡的使用
醫學
20世紀初，有人曾利用氡來治療各種疾病。病人在密封的小房間內接觸氡，以獲取"治療功效"。很快人們便發現，氡的致電離輻射能夠致癌。雖然氡的放射性可以殺死癌細胞，但它對健康細胞同樣有損害。致電離輻射會導致自由基的形成，進而在細胞及基因上造成更大的傷害，甚至會引發癌症。
曾有人提出用氡的輻射激效來治療關節炎等自體免疫性疾病。20世紀末至21世紀初，美國蒙大拿州傑佛遜縣的一些"健康礦井"吸引了不少渴望消除關節炎等疾病的人來飲用放射性井水和暴露在氡氣之中。然而因為高劑量輻射會對身體產生負面影響，所以這一療法並不受到醫生的鼓勵。
捷克亞希莫夫自1906年起便有使用放射性水浴，而奧地利巴特加斯泰因則在氡被發現之前就已有放射性水浴的使用。日本鳥取縣三朝町也有富含鐳的溫泉。德國巴德布蘭巴赫則有飲用放射性水的療法。奧地利加斯泰納-海爾施多蘭(Gasteiner-Heilstollen)、波蘭希維拉杜夫-茲德魯伊、切爾涅瓦-茲德魯伊(Czerniawa-Zdrój)、科瓦雷、隆代克-茲德魯伊等地、羅馬尼亞米耶爾庫雷亞丘克和美國蒙大拿州傑佛遜縣都有吸入含氡空氣的療法。在美國和歐洲有各種氡水療，人們相信在這種高氡含量環境下暴露幾分鐘至幾個小時，所受到的輻射有提神的作用。
氡可用於放射治療，但大部份已被粒子加速器及核反應爐所產生的其他放射性同位素所取代。氡可以經金或玻璃"種子"植入體內，用於治療癌症。鐳所放出的氡氣經一個泵進入一條金制長管進行收集，長管再經擠壓、切割，形成多個較短的部份。金可以包住氡氣，並阻止α和β粒子的逃離，只濾出氡及其衰變鏈中的短壽命同位素(218Po、214Pb、214Bi、214Po)所發出的伽馬射線，從而殺死病變細胞。每個種子的輻射量在0.05至5毫居里(2至200 MBq)之間。
氡以及衰變鏈中的首幾個衰變產物都具有較短的壽命，因此種子一開始留在體內。在12個半衰期(43天)之後，氡的輻射量已達到原先的2000分之一。此時主要的殘餘輻射來自氡的衰變產物之一210Pb，以及它的子同位素210Bi和210Po。210Pb的半衰期為22.3年，即氡的2000倍，輻射量因此是氡的2000分之一。
20世紀初，一些受210Pb污染的金進入了美國珠寶業。這是因為曾經含有222Rn的金種子在氡衰變殆盡後，經過重新熔化流入了市場。
環境科學
泥土發出氡氣的量隨土壤類型和表面鈾含量而改變。一些大氣學家利用這一現象來追蹤空氣的流動。由於氡會迅速流失到大氣之中並且衰變，所以可在水文學中用於研究地下水和溪水之間的相互作用。溪中若含有較高濃度的氡，就意味着附近有地下水的注入。
地質斷層上方的氡濃度較高，所以通過測量氡在土壤中的濃度，可以測繪地表斷層地圖。同樣，氡濃度可以用來測量低溫梯度。
一些科學家利用地下水氡濃度的變化作地震預測。氡的半衰期有3.8天，所以可在地底裂縫剛形成後不久被探測到。有科學家猜想，氡濃度的上升是新的地底裂縫形成的跡象。裂縫促進了地下水的流動，使氡得以逃逸出來。新裂縫有可能是大型地震的前兆。然而在1970至1980年代，人們通過測量發現，斷層附近的氡濃度並未因地震而升高，有時測量到氡以後也沒有發生地震。因此以氡作為地震發生的指標並不可靠。截至2009年，美國國家航空航天局將氡氣列為地震發生的可能前兆之一，正在調查當中。
氡是地熱發電廠的污染物之一，因為從地底深處所抽出的物質含有氡。但是氡能快速散發，所以不少調查都發現其放射性不會造成危害。另外，地熱發電過程一般會將抽出的物質再次打入地底，所以對環境的影響較小。
氡曾在1940至50年代用於工業放射性攝像。第二次世界大戰後不久，其他價格更低、α輻射危害較低的X射線源便取代了氡
氡的來源與防治
來源
氡是由放射性元素鐳衰變產生 , 鐳又是由放射性元素鈾衰變而來 , 鈾起了一個氡的永久源作用。室內氡的主要來源如下 :
1 、 從建材中析出的氡;
2 、 從房基土壤中析出的氡;
3 、 由於通風從戶外空氣中進入室內的氡;
4、 從供水及用於取暖和廚房設備的天然氣中釋放出的氡
表1不同建材室內的氡濃度
Table1 Indoor Rn concentrations resulted from various building materials Bq/m
建材類型
粘土磚
混凝土
煤渣磚
粉煤灰陶粒
花崗岩
磷石膏
石煤炭化磚
室內氡濃度
47.4±24.6
32.2±4.8
91.8±12.4
23.3±5.5
31.5
131±7.2
363±15
表2 中國幾處地下水的氡含量
Table2Radon concentration of ground warm waterin some areas of China kBq/m
地點
廣東從化
廣西廬山溫泉
新疆烏蘇南溫泉
遼寧湯河
陝西臨潼華清池
遼寧撫順溫泉
安徽泮湯溫泉
北京小湯山
水中氡濃度
111
185
227
2720
1461
194
370-444
96
防治
1、建築施工單位對於建築過程中的選址、建築材料及裝飾材料的使用必須嚴格把關, 從污染源上控制, 以減少氡向室內的釋放;
2 、生活用水方面, 減少地下熱水的使用. 用水、用煤、用氣時應保持戶內外的有效通風;
3 、日常生活中應養成良好的生活習慣, 經常開窗換氣, 以保持室內環境空氣的清潔。
環境標準
氡及其衰變子體對於人體健康的危害主要與室內環境中氡的濃度和人在室內滯留的時間長短有關, 也就是說與暴露濃度與暴露時間有關. 一般室內空氣中都有氡的存在( 室外亦是如此) , 那麼室內空氣中氡濃度在多大情況下人體健康有害, 對於人體健康而言有無安全濃度範圍, 這一問題可從世界各國政府及有關組織所制訂的室內氡濃度的上限值和行動值得到回答. 室內氡濃度上限值的含義是指人在其中生活而終生不受氡危害的室內空氣氡濃度的範圍, 該值一般為70~ 150 Bq*m。室內氡濃度超過上限值較多, 而達到行動值 時, 就應採取措施。 室內氡濃度的/行動值一般為150~ 400 Bq*m。.
存在狀況
天然空氣中含有微量的氡氣，但很少，其含量不到百分之0.1。(天然空氣指的是天然形成的空氣，例如被汽車尾氣污染的空氣不是天然空氣。)