放射性核素放出辐射后变为其他核素或同一种核素的不同能态，这种变化称为放射性衰变，简称衰变。衰变时放出的能量称为衰变能量。

1895年德国科学家W.C.伦琴发现了X射线。X射线管中产生射线时，在玻璃管壁上总是伴随有荧光。法国物理学家H.贝可勒尔^[注]起初认为，X射线可能是由荧光物质放出的，于是对几十种荧光物质进行实验。1896年，他发现一种荧光物质──硫酸铀酰钾复盐能放出X射线。在进一步研究中，他发现铀盐所放出的这种射线能使空气电离，也可以穿透黑纸使照相底片感光。他还发现，外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响。贝可勒尔的这一发现意义深远，它使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。

1898年，居里夫妇^[注]又发现了放射性更强的钋和镭。由于天然放射性这一划时代的发现，居里夫妇和贝可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。居里夫妇继续研究了镭在化学和医学上的应用，并于1902年分离出高纯度的金属镭，居里夫人又因此获得了1911年诺贝尔化学奖。在贝可勒尔和居里夫妇等人研究的基础上，后来又陆续发现了许多其他的放射性核素。以上发现，有力地推动了放射性现象的理论研究和实际应用。

按原子核是否稳定，可把核素分为稳定核素和放射性核素两类。能发生放射性衰变的核素，称为放射性核素（或放射性同位素）。在已发现的100多种元素中，约有3000多种核素。其中稳定性核素仅有251种，属于81种元素。放射性核素有2700多种，又可分为天然放射性核素和人工放射性核素两大类。

放射性核素的标志除了一般核素的标志原子序数Z和质量数A以外，还有放射性衰变规律、类型、半衰期、激发态以及辐射能量等标志。放射性核素最常见的衰变类型是α衰变和β^-衰变，即由原子核中自发放出氦原子核和电子的衰变。随着核物理研究的深入，不断发现一些稀有的衰变类型。现代实验技术水平能够进行研究的放射性核素半衰期范围为10^-12秒至10¹⁵年。处于激发态的原子核如果放出光子，则所放出光子的能量约为1×10⁴～7×10⁶电子伏；放出电子的最大能量为1.76×10⁴～2.0×10⁷电子伏；放出正电子的最大能量为5×10⁵～1.6×10⁷电子伏；放出α粒子的能量为1.8×10⁶～8.7×10⁶电子伏。

随着辐射探测技术的进步，有些寿命特别长或者衰变特别慢的、原来认为稳定的核素，现在证明是放射性的。在辐射探测器中总是存在着某些本底信号，当研究的核素放出的辐射所产生的信号十分微弱时，由于本底信号严重干扰，不能探测到这些微弱信号，于是便认为这种核素是稳定的。按现代的测量水平，“放射性”核素的半衰期大于10¹⁵年时，就当作稳定核素。从理论计算预言某些核素的寿命则不限，如有人预言质子也是不稳定的，半衰期（年）的量级为10³¹左右。

衰变是自发进行的，核反应是依靠外力产生的。但是如果把轰击粒子与靶核生成复合核的时刻当作起点，则复合核的变化（大约经历10^-14～10^-13秒完成）也可以看作自发变化，这样将与放射性衰变相混淆。为了区别这两种过程，通常把放射性核素的最短寿命限制为10^-12秒。如果相继衰变中存在寿命短于10^-12秒的情况，则认为该中间态为一个亚稳态，由起始激发态跃迁到该亚稳态为一种独立的衰变类型，由该亚稳态跃迁至基态发射的粒子或辐射归属于该亚稳态，而不归属于原始激发态。

放射性核素自发转变为另一种或几种核素的过程。同一种核素的一种能态自发转变为另一能态也称为衰变，例如：

这里钾-40的衰变称为分支衰变。伴随衰变过程总要发射某种形式的能量或粒子，或起始核素发生了变化。对特定的某种放射性核素来说，大量原子核衰变的统计平均速率是一定的，因此可以用半衰期的量值来表征。

放射性核素的原子数或放射性活度随时间而改变的规律。1903年，E.卢瑟福^[注]和F.索迪^[注]提出放射性衰变理论，首先揭示了放射性物质的不稳定性，并且在研究钍X（²²⁴Ra)的放射性衰变率时提出了定量的负指数关系式。通过对大量原子核进行研究，发现所有的放射性物质都遵守一种普遍的衰变规律，放射性核素的原子数随时间按负指数函数衰减，这就是指数衰减规律。实验表明，在时间dt内，放射性核素衰变的原子核数dN与放射性核素的原子核数N以及dt成正比，即：

 …（1）

式中是放射性核素原子的衰变速率；λ是衰变常数，其物理意义是单位时间内一个原子核的衰变概率。式（1）积分得：

…（2）

式中N₀为起始时刻（t=0）该核素原子的数目。式（2）两边同乘以λ，则得到活度的相应关系：

…（3）

式中A₀和A为起始时刻和t时刻的活度。式（2）表示原子核衰变的统计规律，即放射性原子核的数目随时间按指数规律减少。每一种放射性核素单独衰变时都服从这一基本规律，但是各自具有特征的衰变常数。如铀-238的λ为1.55×10^-10年^-1，镭-226的λ为4.33×10^-4年^-1。原子核的衰变有时是一代又一代地连续进行，这些混在一起的衰变情况非常复杂。

单位时间内放射性核素发生自发核衰变的总数。放射性活度的国际单位是贝可勒尔（Bq），简称贝可，其定义为每秒发生一次衰变。与放射性活度的曾用单位居里（Ci，简称居）的关系是：1居=3.7×10¹⁰贝可。单位质量的放射性活度称为比活度。

处于某一特定能态的放射性原子核的数目或活度衰减到原有值的一半所经历的时间，用T_1/2表示。它是表示放射性核素性质的特征量，于1904年由卢瑟福提出：

 …（4）

由于是指数衰减，经历两个半衰期后活度（或原子数）减少为原来值的1/4，而不是零。各种放射性核素的半衰期长短不同，如钋-212的半衰期为0.3微秒，钕-144的半衰期为2.1×10¹⁵年，相差10²⁹倍。对中等长度的半衰期（1分至1年）可以通过测量试样活度衰减过程，然后利用数据作图计算得到；对于长半衰期（＞1年）可以利用子体的平衡活度、比活度等方法测定；对于短半衰期（＜1分）可以用转轮法、飞行时间法、延迟符合等方法测定。

理论上放射性核素的活度（或原子数）只有经历无限长时间后才变为零。实际上经过7个半衰期，活度就降低为原来值的（1/2）⁷＝1/128，一般可以忽略。

某种放射性核素所有原子存活寿命的平均值，用τ表示，于1904年由F.索迪提出。平均寿命与半衰期的关系为：

…（5）

当一种放射性核素以两种或多种类型衰变时，称为分支衰变。这时放射性核素的λ=λ₁+λ₂+…，λ₁、λ₂称为分支衰变常数。与此相应的半衰期称为分支半衰期。

母体（核素1）衰变成子体（核素2），子体衰变成稳定核素，且母子体处于同一体系中。这时式（6）和式（7）可以计算不同时间核素1和孤立的核素2的原子数。与核素1共同存在的核素2的改变速率应该包括两部分，一部分是核素1的衰变而产生核素2，另一部分是核素2的衰变。所以：

…（6）

…（7）

开始时只有母体核素（N_2,0=0），给定N_1,0的样品中，N₁、N₂随时间的变化只取决于λ₁、λ₂，有三种情况：

①λ₂＞＞λ₁。核素2的活度（A₂）最初随时间而增加，然后达到某一饱和值，与核素1的活度相等，随后核素2的活度一直按核素1的半衰期衰减，出现长期平衡（图1a）。曲线A是核素1和2的活度总和，曲线A₁是开始时纯粹核素1的活度，曲线A₂是从纯粹核素1中逐渐积累的核素2的活度，曲线A₃是孤立的核素2的活度随时间衰减的状况。铀-238中产生钍-234，镭-226中产生氡-222都属于这种情况。另外，利用反应堆中的中子或加速器产生的离子束通过核反应生产放射性核素时，只要核反应速率保持恒定，放射性核素的活度变化也与长期平衡状况一致。

②λ₂＞λ₁。核素2的活度最初随时间而增大，在t_m达到某一极大值后，核素2的活度大于核素1的活度，随后逐渐趋向于按核素1的半衰期衰减，出现暂时平衡（图1b，曲线A、A₁、A_2、A₃的意义同图1a）。铅-212中产生铋-212，碲-132中产生碘-132都属于这种情况。

③λ₁＞λ₂。在这种情况下不成平衡，核素1和核素2的活度随时间改变状况见图1c。

图1　长期平衡（a）、暂时平衡（b）和不成平衡（c）示意图

1910年，英国数学家H.贝特曼^[注]得到了这一过程的解。原则上不论有多少成员的放射性衰变系列，数学求算各代成员的原子数和活度都是可能的。实际上中间成员常常可以忽略，一般以考虑两代放射性核素（即母子体）的情况为最普遍。根据放射性衰变规律，除了计算放射性核素的原子数和活度（这方面的用途很多，如用于放射性核素的生产和地质样品年龄的测算中）以外，通过曲线分析还可以求出放射性核素的半衰期。

不稳定原子核因放射性自发转变为另一种核时发射粒子而变化的类型，这些类型可以是α衰变、β衰变、γ衰变、自发裂变、电子俘获、内转换、双β衰变、簇衰变等。

放射性现象发现后，1897年卢瑟福在测量铀矿物发射的射线时证明，此射线由两种穿透能力不同的射线组成，其中的软组分（很容易被薄层物质吸收）称为α射线，硬组分（不易被物质吸收）则称为β射线。1899年，贝可勒尔用磁场偏转法证明α射线带有正电荷，β射线带有负电荷。1900年，法国科学家P.U.维拉尔^[注]又从放射性物质发射的射线中分辨出γ射线，穿透力特别强，不受磁场偏转，类似于X射线。α射线、β射线、γ射线的贯穿本领比较见图2，α射线是高速运动的氦原子核的粒子束，它的电离作用大，贯穿本领小；β射线是高速运动的电子束，它的电离作用较小，贯穿本领较大；γ射线是波长很短的电磁波，它的电离作用小，贯穿本领大。1903年卢瑟福和索迪提出放射性衰变理论以后，特别是在1913年索迪等人阐明了位移定律和H.G.J.莫塞莱^[注]测定了元素的原子序数以后，放射性原子核衰变前后的化学性质与发射粒子之间的联系就完全清楚了。人工放射性现象的发现及大量人工放射性核素的出现，增添了许多放射性衰变的类型。核反应研究、核探测技术以及核稳定性规律理论研究水平的提高，为探测和预言新的衰变类型提供了条件。

图2　α射线、β射线、γ射线的贯穿本领比较

放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态，主要的衰变类型见表1。一个质量数为A、原子序数为Z的原子核在表中描述为（A,Z），“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。

表1　不同的衰变类型

衰变类型	衰变过程	子核
α衰变	原子核中放射出一个α粒子（A=4,Z=2）	（A-4,Z-2）
质子发射	原子核中放射出一个质子(p)	（A-1,Z-1）
中子发射	原子核中放射出一个中子(n)	（A-1,Z）
双质子发射	原子核中同时放射出两个质子	（A-2,Z-2）
自发裂变	原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子	-
簇衰变	原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子(A1,Z1)	（A-A1,Z-Z1）+(A1,Z1)
β衰变	原子核中放射出一个电子(e-)和一个反中微子()	（A,Z+1）
正电子发射（β+衰变）	原子核放射出一个正电子(e+)和中微子(ν)	（A,Z-1）
电子俘获	原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子(ν)	（A,Z-1）
束缚态β衰变	自由中子或者原子核发生β衰变产生电子和反中微子，但是电子并没有被放射出而是被空的K层俘获，子核处于一个激发的不稳定态。由于氢离子化的能量比较低，因此这个过程主要发生在少数自由中子的衰变（0.0004%）中	（A,Z+1）
双β衰变	原子核放射出两个电子和两个反中微子	（A,Z+2）
双电子俘获	原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子	（A,Z-2）
伴随正电子发射的电子俘获	原子核吸收一个轨道电子，再放射出一个正电子及两个中微子	（A,Z-2）
双正电子发射	原子核中放射出两个正电子和两个中微子	（A,Z-2）
同质异能跃迁	激发态原子核放射出高能光子（γ射线）	（A,Z）
内转换	激发态原子核将核能量转移至轨道电子上，轨道电子再脱离原子	（A,Z）

又称放射系、放射链、衰变系、衰变链。指一系列亲缘相关的放射性核素，系中每一个放射性核素都是由前代的放射性核素通过α或β衰变产生。每个放射系有一个“始祖”核素，它具有最长的半衰期，系列终止于一个稳定核素。通常以“始祖”核素来命名这个系列。

自然界存在三个主要放射系：①²³⁸U系，又称铀系或铀镭系；②²³⁵U系，又称锕系或锕铀系；③²³²Th系，又称钍系。由于这三个放射系的“始祖”核素的寿命和地球的年龄相近，所以这些核素还没有完全衰变掉。这些系列分别终止于稳定核素²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb。在每一系列中各核素的A彼此间的差值都是4的倍数，可将上述三个放射系分别命名为4n+2、4n+3和4n放射系。这三个天然放射系中所包含的核素及其性质见天然放射性衰变系。三个天然放射系的建立和阐明是20世纪初到30年代末放射化学和核物理学的主要成就之一。研究天然放射系所取得的经验，后来在研究人工放射系和裂变产物衰变链中得到了广泛的应用，至今对放射性化学研究仍具有指导作用。

即²³⁷Np系，又称镎系、4n+1放射系。由于这一放射系中寿命最长的成员²³⁷Np的半衰期为2.14×10⁶年，比地球的年龄短得多，它即使早期曾有一定数量存在，也已经衰减殆尽。这一放射系的核素都是在20世纪30年代末和40年代初通过人工核反应产生和研究确定的。20世纪50年代又发现这一放射系的核素以痕量存在于天然的钍矿物中，它们是由中子引起的核反应所产生的。

除了上述四个主要的放射系外，其他的分支放射系、重元素裂变产物衰变系的数目很多，例如：

在大剂量的照射下，放射性对人体和动物存在着某种损害作用。如在4戈瑞（辐射吸收）的照射下，受照射的人有5%死亡；若照射6.5戈瑞，则人100%死亡。照射剂量在1.5戈瑞以下，死亡率为零，但并非无损害作用，往往需在20年以后，一些症状才会表现出来。放射性也能损伤遗传物质，主要在于引起基因突变和染色体畸变，使一代甚至几代受害。图3和图4分别是放射性物质对人体影响和日常生活与辐照剂量的关系图。

图3  放射性物质对人体影响

图4　日常生活与辐照剂量

一定量放射性物质进入人体后，既具有生物化学毒性，又能以它的辐射作用造成人体损伤，这种作用称为内照射；体外的电离辐射照射人体也会造成损伤，这种作用称为外照射。辐射损伤是各种电离辐射作用于人体所引起的各种生物效应的总称。这是由于各种电离辐射（如X或γ射线、β射线、α射线和中子束等）引起电离、激发等作用而把能量传递给机体，造成各组织器官的病理变化。

放射性防护又可分成内照射防护和外照射防护。

内照射与外照射的显著差别是，即使不再进行放射性物质的操作，已经进入体内的放射性核素仍然在体内产生有害影响。造成内照射的原因，通常是因为吸入放射性物质污染的空气，饮用放射性物质污染的水，吃了放射性物质污染的食物，或者放射性物质从皮肤、伤口进入体内。由于核素的种类不同、毒性不同，带来的危险程度也不同。因此，根据放射性核素摄入体内产生危害作用的大小和在空气中的最大容许浓度，把它们分成极毒、高毒、中毒和低毒四组（表2）。操作不同毒性的核素时，对操作设备和建筑物的设置地点等都有不同的要求。

内照射防护的基本原则是尽可能地隔断放射性物质进入人体的各种途径，采取的基本措施有：

防止放射性物质经呼吸道进入人体内：①空气净化。通过空气过滤、除尘等方法，尽量降低空气中放射性粉尘或放射性气溶胶的浓度。②换气稀释。利用通风装置不断排出被污染的空气，并换以清洁空气。③密闭操作。把可能成为污染源的放射性物质放在密闭的手套箱或其他密闭容器中进行操作，使它与工作场所的空气隔绝。④加强个人防护。操作人员应戴高效过滤材料做成的口罩、医用橡胶手套，穿工作服；在空气污染严重的场所，操作人员要戴头盔或穿气衣作业。

防止放射性物质经口腔进入人体内：严禁工作人员用可能被污染的手接触食物、衣服或其他生活用具。防止放射性物质不经过处理而大量排入江河、湖泊或注入地质条件差的深井，造成地面水或地下水源的污染。

建立内照射监测系统：应对工作环境和周围环境中的空气、水源和有代表性的农牧产品进行常规监测，以便及时发现问题，改进防护措施。

外照射的特点是只有当机体处于辐射场中时，才会引起辐射损伤，当机体离开辐射场后，就不再受照射。对人体而言，外照射引起的辐射损伤主要来自γ和X射线、中子束，其次是β射线。由于α射线在空气中的射程短，能被一张纸或衣服挡住，一般α射线不会造成外照射辐射损伤。外照射防护通常可采用下列三种方式：

缩短受照射时间。受照射的累积剂量和受照射时间成正比。在一切接受电离辐射的操作中，应以尽量缩短受照射时间为原则。例如，在用X射线进行胸部透视时，患者所受照射剂量随检查时间而增加，医生应当在查清病灶情况下，尽量缩短透视时间。为了能迅速和准确地操作放射性物质，在正式操作之前，应进行模拟操作练习（即不含有放射性物质的相同步骤操作）。对于工作时间较长的强放射性操作，可以限制个人操作时间，更换操作人员，以减少每人所受的照射剂量。

增大与辐射源间的距离。增大操作人员与辐射源间的距离，可以降低受照射的剂量。对于点状放射源，人体受照剂量率与距离平方成反比。在实际操作中常使用远距离操作的工具，如长柄钳、机械手、远距离自动控制装置等以降低剂量率。

屏蔽防护。根据辐射通过物质时被减弱的原理，在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽物（减弱材料），把外照射剂量减少到容许水平以下。当缩短受照时间和增大与辐射源间的距离仍不能达到安全操作时，就必须考虑采用屏蔽防护。合理的屏蔽防护必须注意：①屏蔽方式。根据放射性防护要求和放射源的不同，屏蔽方式分固定式和移动式两种。固定式的屏蔽物有防护墙、地板、天花板、防护门和观察窗等；移动式的有包装容器、各种结构的手套箱、防护屏和铅砖等。②屏蔽材料。对不同的电离辐射，应采用不同的屏蔽材料。γ射线和X射线的常用屏蔽材料有水、土壤、岩石、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、钨等。β射线能引起组织表层的辐射损伤，还能产生轫致辐射。所以对β射线防护应采用两层屏蔽：第一层用低原子序数的材料屏蔽β射线，并可减少轫致辐射，常用材料有烯基塑料、有机玻璃及铝等；第二层用高原子序数材料屏蔽轫致辐射，常用生铁、钢板和铅板等。由中子源发射出来的快中子，在屏蔽层中主要通过弹性散射和非弹性散射损失能量，被物质吸收后一般放出γ射线。因此，对中子的屏蔽除考虑快中子的减弱过程和吸收过程外，还应考虑γ射线的屏蔽。常用的中子屏蔽材料是各种含氢材料，如饱和硼酸水溶液、石蜡、含1%～2%硼的石蜡等。对具有强γ本底的中子源（如镭-铍中子源）则应考虑两层屏蔽，第一层用石蜡和吸收中子的物质等屏蔽中子，第二层用铅吸收γ射线。

放射性废物中的放射性物质，采用一般的物理、化学及生物学的方法都不能将其消灭或破坏，只有通过放射性核素的自身衰变才能使放射性衰减到一定的水平。而许多放射性元素的半衰期十分长，并且衰变的产物又是新的放射性元素，所以放射性废物与其他废物相比在处理和处置上有许多不同之处。

①放射性废水的处理。处理方法主要有稀释排放法、放置衰变法、混凝沉降法、离子变换法、蒸发法、沥青固化法、水泥固化法、塑料固化法以及玻璃固化法等。

②放射性废气的处理。铀矿开采过程中所产生的废气、粉尘，一般可通过改善操作条件和通风系统得到解决；实验室废气通常是进行预过滤，然后通过高效过滤后再排出；燃料后处理过程的废气，大部分是放射性碘和一些惰性气体，可令其通过活性炭吸附系统后排放。

③放射性固体废物的处理和处置。为了安全、经济地进行放射性废物最终处置，需对固体放射性废物进行加工。过程包括收集、减容、去污、封装、转运、贮存或焚烧等步骤。放射性固体废物主要是被放射性物质污染而不能再用的各种物体，其主要来源有铀的开采和冶炼过程产生的废矿渣、尾矿砂；铀加工、核燃料元件制造、反应堆操作、核燃料后处理厂运行及应用放射性同位素的科研、医疗等单位产生的放射性物质污染物；放射性废液浓缩物转化成的固化体。