2.2.1　原生放射性核素

原生放射性核素（primordial radionuclides）是指地球形成初期就有的放射性核素。太阳系的物质均由几个级联核反应过程生成，包括太阳形成之前短时间内原始星云附近的超新星爆炸和太阳系行星的凝结。最初，由质子和α粒子激发并参与的一系列核反应生成了质量数小于60的核素。这些核素中的一部分为稳定核素，另一部分为放射性核素。其中除40K 外，大部分放射性核素为半衰期比地球年龄短的β放射性核素。质量数在60～90的核素主要通过质量数较小的核素的一系列逐级中子俘获反应生成，生成的丰中子核素再通过β衰变生成较稳定的核素。同样，生成的大多数放射性核素的半衰期远小于地球的寿命，除87Rb外，这些核素已经全部衰变成其他稳定核素了。铀及超铀元素（Z＞92）也可通过低质量数核素的中子俘获反应生成。然而在这种情况下，由于库仑斥力相对核引力，会随着原子序数的增加而更快速地增加，核裂变和α衰变成为这些核素的主要衰变方式。这些核素中232Th、235U 和238U 的半衰期与地球的寿命相比较长，也成为天然衰变系放射性核素的主要来源。其他更高质量数的核素是通过逐级中子俘获反应生成的，由于形成核素的核裂变和一系列α衰变终止并重新生成中等质量数的核素（A=80～160），这些生成的中等质量数的核素又通过逐级中子俘获反应生成更高质量数的核素。目前地球上存在的所有稳定核素均是通过这些核反应过程形成的。通过这些核反应过程生成的放射性核素，绝大部分由于半衰期较短而在地球演变过程中已经衰变殆尽，仅有少数半衰期与地球寿命相当或大于地球寿命（4.5×109a）的核素仍存在于自然界中。这些天然生成的放射性核素（原生放射性核素）可以分成两类：一类包括232Th、235U和238U，它们通过一系列衰变过程，经过多种中间放射性核素（衰变子体），最终衰变成稳定铅同位素，这类中间放射性核素通常称为天然衰变系核素或次生放射性核素；另一类核素则是由母体直接衰变成稳定核素，我们称之为单次衰变原生放射性核素（no series primordial radionuclides）。通常，原生放射性核素主要是指单次衰变生成稳定同位素的原生放射性核素。表2-1列出了目前发现的半衰期小于1016a的19种单次衰变原生放射性核素。

表2-1　原生放射性核素（t1/2＜1016a）

注：EC 为轨道电子捕获；—表示暂无数据。

另外，在自然界还发现一些半衰期大于1016a的原生放射性核素，这些核素包括50V（1.4×1017a）、76Ge（1.5×1021a）、82Se（1.0×1020a）、96Zr（3.9×1019a）、100Mo（1.2×1019a）、128Te（7.2×1024a）、130Te（2.7×1021a）、150Nd（1.7×1019a）、204Pb（1.4×1017a）和209Bi（1.9×1019a）。

在这些原生放射性核素中，由于40K 和87Rb在自然界有较高的活度水平，是环境中两个最重要的原生放射性核素和本底辐射剂量的主要来源。40K 是钾的三种天然同位素之一，其天然丰度为0.011 7%。钾是自然界丰度较高的元素，地壳中40K 的放射性活度为0.642 Bq/g，海水中的活度为12.249 Bq/L。70 kg成人体内平均含有140 g的钾和4 300 Bq的40K，由此产生的年当量剂量为0.17 mSv，成为公众放射性内照射当量剂量的一个主要来源。Rb有两种天然同位素，87Rb的天然丰度为27.83%。地壳中Rb的平均浓度为1 mg/kg，相应87Rb的活度为0.078 1 Bq/kg，海水中87Rb的活度为0.104 Bq/L，因此由86Rb导致的辐射当量剂量可以忽略不计。