氚
一般資訊
氚是氫唯一的放射性同位素,通常是以H-3、3H或簡單的T化學符號來表示。因具有放射性使得氚會進行放射性衰減的過程。在這衰減過程中,氚原子會轉換為非放射性的氦原子,並在這過程中,發射已知為貝它粒子的游離輻射。就是因為在衰減過程中發射這個貝它粒子,使得氚成為一有潛在危害的物質。於1934年,歐尼斯特·拉塞福、馬克·奧利芬特和保羅·哈特克在用氘核(由一個質子和中子所組成)轟擊氘後,首次發現了氚;路易斯·阿爾瓦雷茨和羅伯特·科諾格在實驗中成功分離了氚,並發現了氚的放射性;另威拉得·利比發現到氚可用於水和葡萄酒的放射性定年法。
氚的化學行為與氫是一樣的。意思是氚正好也類似穩定氫,能以氣體狀態或更普通地以水(H2O)形式存在。事實上,氚原子傾向於取代水中一個或兩個穩定氫原子,以變為水分子中的一部分。所產生的組成就是氚水(tritiated water),而以化學式HTO或T2O來表示。氚水如正常水是無色與無味的,且能與正常水分子共同存在。由於氚的這個化學性質及人體重約有2/3是水的組成,故人體內存在有氚是十分普通的。
生物與健康效應
氚的半化期為12.3年;某一數量的氚在12.3年內,會有一半的原子進行放射性衰減(發射貝它粒子,詳述如下)。由氚發射的貝它粒子具很低的能量(18.6 keV);結果,這些特殊的貝它粒子只能在空氣中行走6 mm。而不是來自氚的典型貝它粒子,則能在空氣中行走1 m或更長。對於人體組織,氚的貝它粒子無法穿透皮膚典型厚度的死皮層,並停留在人體之外。基於此理由,氚發射的貝它粒子,只有在大量的氚被呼吸入、皮膚吸收及攝入氚水,才會被考慮有危害。氚在人體內大致會表現得跟普通水一樣,在人體的水中相同地被分佈著,亦被以水一樣的相同方式排出,如同以尿與汗一樣。
氚不會有化學毒性效應,它對於人的危害只有來自發射游離輻射(貝它粒子)。該輻射曝露只有會使人在生命期稍微增加致癌的機率。然而,了解個人的癌症風險是由許多因素所影響是重要的,這包括遺傳(由你的父母、祖父母傳遞下來)、生活方式、吸菸及環境因素,而輻射只是其中之一。考慮到在一生當中被診斷個人的致癌率為45%;每個人每天均會曝露在輻射中。平均而言,在美國,個人的輻射曝露主要來自醫用過程與天然背景輻射。事實上,人總是曝露在輻射中,而我們的身體細胞在因輻射造成的傷害時,會有修復的機制。尚且,雖然已被認定高水平游離輻射的曝露能引起癌症,但對於較背景輻射相當的低劑量,則未曾被觀察到。
應用
氚可在許多的商品中被使用,因為它可以與磷結合使它可以自我發光(在黑暗中的輝光),意思是這些物項可以不需要電源就可產生光。要了解氚本身並不產生可見光或在黑暗中的輝光(glow in the dark);而氚只是在這些裝置裡的物項中,扮演著給產生光的磷加能(energize)。這些物項(items)包括有準星、錶盤、鑰匙鏈與出口標誌等。一般而言,越大的裝置所需要的氚就要越多。在每一應用,都有薄的塑膠版或玻璃板包覆著,以阻擋所有貝它輻射逸出,但它有能讓光被看見的好處。氚也是發展商用可行的核融合反應器,所預期使用的燃料。氚也是在現代武器裡的一關鍵組件,故為了這個目的而須維持氚的儲存量。在生命科學裡,氚時常被鍵結合在有機化合物中,而被當作一放射性示蹤劑來使用,以研究該化合物在生物組織(如一個器官或細胞)的新陳代謝。
在我們環境中的氚
氚來自天然與人造的,存在於我們周遭世界裡的大氣、地下水、土壤、河流、湖泊、溪流與海洋中。它在大氣中由來自外太空輻射(就是宇宙線)與空氣中的氮作用而天然地產生;在天然產生的氚中,最重要的反應是快中子(能量大於 4.0 MeV)和大氣中的氮的反應;不過,這部分所產生的氚比例很低。氚也是可由人造核子反應所產出,如中子與鋰-6, 7作用,產生氦原子與氚;氦-3與中子作用,會產生質子與氚。這些一般是限制在那些發生在核反應器內的、在核武器爆炸時或在粒子加速器。氚在環境中的濃度經常會改變,會隨著天然過程與人為活動而增加,也會因放射性衰減而減少。
長期以來,氚排放至環境中,藉由遷移水同樣過程(稱為水文循環或水循環)而分佈著。這個過程傾向於藉由散佈它們來稀釋排放的氚,而大致地避免在環境中有任何地累積。然而,氚的分佈與稀釋是不會是立即的;因此,個人在離氚排放十分接近處,一般預期會接受較遠處其他人多的輻射曝露。實際上,這意思是安全與合法地釋出少量氚的組織如核能電廠,需要確保它們的排放將不會造成民眾的曝露超過民眾劑量限度。若某些自我發光商品(如含有氚的出口標誌)被嚴重地破壞的話,亦能釋出氚到環境中。這意思是將這些產品根據地方與州法規好好地處置,是重要的。
法規與防護
在美國,主要關切氚的聯邦法規署有環保署、核管會與能源部。此外,許多個別州現正執行著他們自己的由核管處贊助放射性物質法規專案;能源部與國防部則管理用在核武器的氚。適用的法規主要為限制對任何民眾個人成員的輻射劑量,以及輻射工作人員能接受的職業曝露限值。因為氚存在於環境各處,有關氚的一般民眾防護,大多屬於產生或擁有氚的公司或企業,以及政府管制局署的責任。擁有如氚出口標誌的組織,需要確保他們是可以適當地維護與處置。
偵測
游離輻射能使用儀器來偵測,但由於氚只發射一非常微弱的貝它粒子,使用正常的輻射偵測儀器很難偵測到。事實上,最普通的手持式輻射偵測儀器如蓋革偵檢器,通常無法偵測到氚。最可靠與廣泛的偵測氚方法為液態閃爍計數器,但典型地只有在實驗室才會有。氚亦能被吸氣(sniffed)或導入游離腔中,就能量測輻射劑量率。偵測氚的困難曾導致如上述環境部與核管會限制氚的排放。
綜述
氚是一種氫的放射性形式,能被以天然或人造過程產生。它最常以氚水形式存在,表現如同環境與身體中的水一般。因為這個理由,氚廣泛地散佈在環境中,對輻射背景水平只有一非常小的增量。由於它的化學性質與微弱的放射性發射,氚被考慮為最沒有危害的放射性核種之一。不管這個事實,由於氚被用在一些普通的裝置如氚出口標誌,若沒有適當地處置或被破壞的話,它是會釋出氚的,而這是重要的。