2.2.3　宇生放射性核素

产生于太阳系外层空间的初级宇宙射线，主要是高能重粒子、光子和介子，穿透整个空间到达地球大气层后与大气和地表物质发生级联反应，生成大量次级粒子（次级宇宙射线），如中子、质子、电子、光子等（图2-4）。这些次级粒子再与大气层和地表元素的原子核反应生成一系列放射性核素，这类放射性核素称为宇宙成因核素或宇生核素。这些反应主要为高能粒子的散裂反应（如与Xe的散裂反应生成129I）和低能粒子活化反应，如中子活化反应[14N（n，p）14C 与35Cl（n，γ）36Cl]、质子活化反应[27Al（p，2n）26Si（β+）26Al]，以及光子、介子活化反应等。已发现的宇生放射性核素有几十种，表2-2列出了环境中的主要宇生放射性核素及其在地球上的储量。宇生放射性核素的产额及其分布与宇宙线的组成、通量、能谱及其时空变化有关，也与受照射物体的化学组成、大小、几何形状及样品的埋藏深度有关。宇生核素可用于研究历史上宇宙射线的组成、通量、能谱的时空变化，也可以用于测定陨石的宇宙暴露年龄和落地年龄。地表物质中的宇生放射性核素如14C、10Be、26Al、129I可用于测量其形成、埋藏或暴露年龄。其中14C 测年是应用最为广泛的年代测定方法。而这些宇生核素在自然界的含量极低，对环境和人体的辐射剂量贡献可以忽略不计。

图2-4　大气层和地表次级宇宙射线的形成过程

表2-2　主要宇生放射性核素及其在地球上的储量[1]

虽然宇生放射性核素对环境和人体的辐射当量剂量贡献极小，但宇宙射线，特别是次级宇宙射线（主要是μ介子、光子、电子以及中子）是环境本底辐射的重要组成部分，主要通过外照射对人体产生危害。由于大气对宇宙射线形成的屏蔽效应，宇宙射线造成的辐射当量剂量随海拔高度的升高而增加，在高海拔地区和高空，如飞机和宇宙飞船上，宇宙射线的辐射影响尤为显著。表2-3为天然放射性源导致的辐射水平，可以看出天然放射性源中氡及其子体是人体受到的辐射剂量的主要来源，占年均个人辐射当量剂量的一半左右。宇宙射线导致的外照射贡献10%左右，陆地放射性核素导致的外照射占20%左右，人体内的40K 内照射导致的剂量占6%左右。(https://www.daowen.com)

表2-3　天然辐射源所致个人年有效剂量平均值[2]

天然放射性物质一直存在于自然界，人为活动可造成其分布发生变化，进而造成辐射暴露水平发生变化。这些人为活动中最为重要的是铀矿开采、冶炼和加工。由于铀矿中含有极高水平的铀、钍及其衰变产物，在开采过程中除氡挥发造成氡及其衰变产物向大气中释放外，含有大量铀衰变产物、钍及其衰变产物的粉尘、尾矿和矿渣会导致区域环境污染，造成环境辐射水平升高。其他工业活动，如金属冶炼、磷酸盐加工、煤矿和燃煤电厂、石油和天然气开采、稀土金属和氧化钛工业、锆与制陶工业、天然放射性核素的使用（如镭和钍的应用）以及建筑业等也会造成环境放射性水平的改变。由于铀和钍在某些矿物中高度富集（如稀土、磷酸盐、钛、锆矿等），这些矿物的开采和冶炼导致其中的铀、钍及其衰变链中的天然放射性核素释放，造成区域环境放射性水平升高。表2-4列出了各种稀土矿物及其开采和冶炼产生的废物的天然放射性水平。在一些工业活动中，虽然其原料中的铀、钍和衰变产物核素的放射性水平不高，但开采和冶炼过程可使其在矿渣和废物中富集，导致环境放射性水平升高，如金属冶炼、燃煤、石油和天然气工业等。另外一些建筑材料掺入含有高水平放射性物质的炉渣，也会导致环境放射性水平升高。人为因素导致的天然放射性物质（TENORM）已成为环境辐射的一个重要来源和关注对象。

表2-4　主要稀土矿物及其废物的天然放射性水平