海洋中放射性核素既可以污染海域、危害人類和海洋生態，又可能用來研究海洋學中的許多問題。
基本介紹
- 中文名：海洋中放射性核素
- 缺點：污染海域、危害人類和海洋生態
- 優點：研究海洋學中的許多問題
- 種類：鈾系
正文,
正文
海洋中存在著天然的和人工的放射性核素，前者包括鈾系、錒－鈾系和釷系等天然三大放射系的元素在核反應過程中產生的放射性核素，和與地球同時形成並獨立存在的長壽命放射性核素；後者是20世紀以來由於人類利用原子能而產生的放射性核素。這兩類放射性核素，大都可用作海洋研究的示蹤劑（見核素在海洋學中的套用）。
研究簡史 1939年，E.弗因等測定了海水中的鈾和釷的含量；40～60年代，弗因、H.彼得松、И.Е.斯塔里克、E.羅納等用螢光法、同位素稀釋法和質譜法測定了世界大洋海水中的鈾和釷的含量；60～70年代，三宅泰雄等人研究了鈾、釷、鐳和(即釷-230)在海洋中的含量分布，還研究了海洋中某些元素的同位素的比值，如234U/238U，230Th/232Th ,228Th/232Th等的分布;70～80年代,美國李遠輝和顧德隆等對天然核素的含量、逗留時間、年代學等問題進行了一系列的研究。
40年代以後，陸續出現了原子反應堆，核子彈、氫彈和核動力艦艇等，使海洋環境中出現了人工放射性污染（見海洋放射性污染），促使同位素測試技術迅速發展。
從40年代以來，海洋放射化學的研究有了很大的發展，已從放射性核素的含量分布的調查，發展到對其存在形態、轉移規律和機制的研究。 海洋中的天然放射性核素 由三部分組成：
① 天然放射系──鈾系、錒-鈾系和釷系(表1)它們分別起始於鈾-238、鈾-235和釷-232,終止於鉛-206、鉛-207和鉛-208。海洋中這 3個放射系的核素，主要來源於大陸。海水中鈾的 3種天然同位素鈾-238、鈾-235和鈾-234,主要以UO2(OH)婣和UO2(CO3)嬈-兩種絡合陰離子形式存在，故分布比較均勻,平均含量約為 3微克/升，而且234U/238U一般為1.14。在海洋沉積物中，鈾的分布從近岸向外洋遞減,近岸處的含量大約3.0微克/克,陸架區約2.5微克/克，外洋約1.4微克/克。在富有磷酸鹽和有機物的缺氧沉積物中，含鈾量通常較高。
釷在海水中多以顆粒狀態存在，分布不均勻，極易與懸浮物質結合而沉積到海底。鐳-226與其母體釷-230恰恰相反，容易從沉積物中溶解出來。因此，深層水中的鐳含量，通常比表層高1倍。由於鈾和釷的存在狀態的差異，海水中的Th/U值大約為岩石圈的1/300。
中國沿海的海水中,鈾和釷的含量分別為 3微克/升和0.001～0.015微克/升。 ② 宇宙射線與空間物質作用而生成的核素(表2)。在這類核素中,以氚和碳-14的全球儲量最大。大氣中形成的氚，通過降水和在大氣中的沉降進入海水，它在表層水中的含量比底層高兩個數量級。
由於核武器試驗能產生氚和碳-14,所以這兩種核素在海洋中的含量是兩種來源的總和。
③ 長久以來獨立存在於海洋中的其他天然放射性核素。這類核素是在地球形成時產生的，它們的顯著特點是半衰期都很長，其中最為重要的是鉀-40和銣-87。在鹽度為35的海水中，鉀的平均含量為 0.387克/千克，鉀-40為天然鉀量的 0.0118%，其放射性活度為11.8貝可/升，占海水總放射性的90%以上；銣-87在天然銣中占27.85%，放射性活度為0.11貝可/升。此外，在這類核素中,還有釩-50、銦-115、鑭-138、釹-144、釤-147、釓-152、鑥-176、鉿-174、錸-187、鉑-190、鉑-192等。它們的半衰期為1010～1015年。 海洋中的人工放射性核素 海洋中不但存在人工裂變核素，而且還有感生放射性核素（表3）。這些人工放射性污染物，主要來源於核試驗。自從1945年美國第一次核子彈試驗以來，世界各國進行了 400多次大氣層和海上核試驗。根據1945年至1963年（此時期約占整個核試驗期間的95%）的18年中核試驗的裂變產物計算，約有 2.8×1028個鈾或鈽的原子裂變。其中，進入海洋的鍶-90為3.1×1013貝可，銫-137為 4.4×1013貝可。以鍶-90在海洋中的分布為例（見圖），最高濃度在西北太平洋，北半球大約比南半球高1～4倍，太平洋高於大西洋和印度洋。 除以上放射性核素之外，還有氚和碳-14,這兩者既來源於宇宙射線與大氣物質的作用，也來源於核試驗。 海洋中人工放射性核素的放射性活度總量，估計可達1019貝可的數量級。
核素在海洋中的存在形態和運動規律 海洋中的核素以三種形態存在：離子態、膠態和顆粒態（表4）。它們在海水中的運動受水文因素（海流、擴散）、物理化學因素（吸附、沉澱等）和生物因素（吞食、吸收等）的影響而分布不同。離子態的核素如磷-32、 鉻-51、鍶-89、鍶-90、銻－125、銫-137等，主要受水文因素影響，其分布比較均勻。稀土元素和性質相似的核素多以膠態或顆粒態存在，如錳－54、鐵－55、鐵－59、鈷－60、鈷-57、鈷-58、釔-90、鋯-95、鈮-95、鉬-99、釕-103、釕-106、鈰-141、鈰-144、鉕-147、鈽-239、鉍-207等，這些核素的運動主要受物理化學因素和水文因素的影響，分布不均勻。還有一些核素與生物有密切的關係，容易被吸收和濃縮，如鈷-60、磷-32、碘-131等，它們的運動過程受生物因素的影響較大，其分布也不均勻。上述的核素中，有的在海洋中可能以多種形態存在，運動也受多種因素的影響。
在氧化性的沉積物中，核素的分配係數（沉積物中含量與水相中含量之比）的大小依下列次序排列：
研究簡史 1939年，E.弗因等測定了海水中的鈾和釷的含量；40～60年代，弗因、H.彼得松、И.Е.斯塔里克、E.羅納等用螢光法、同位素稀釋法和質譜法測定了世界大洋海水中的鈾和釷的含量；60～70年代，三宅泰雄等人研究了鈾、釷、鐳和(即釷-230)在海洋中的含量分布，還研究了海洋中某些元素的同位素的比值，如234U/238U，230Th/232Th ,228Th/232Th等的分布;70～80年代,美國李遠輝和顧德隆等對天然核素的含量、逗留時間、年代學等問題進行了一系列的研究。
40年代以後，陸續出現了原子反應堆，核子彈、氫彈和核動力艦艇等，使海洋環境中出現了人工放射性污染（見海洋放射性污染），促使同位素測試技術迅速發展。
從40年代以來，海洋放射化學的研究有了很大的發展，已從放射性核素的含量分布的調查，發展到對其存在形態、轉移規律和機制的研究。 海洋中的天然放射性核素 由三部分組成：
① 天然放射系──鈾系、錒-鈾系和釷系(表1)它們分別起始於鈾-238、鈾-235和釷-232,終止於鉛-206、鉛-207和鉛-208。海洋中這 3個放射系的核素，主要來源於大陸。海水中鈾的 3種天然同位素鈾-238、鈾-235和鈾-234,主要以UO2(OH)婣和UO2(CO3)嬈-兩種絡合陰離子形式存在，故分布比較均勻,平均含量約為 3微克/升，而且234U/238U一般為1.14。在海洋沉積物中，鈾的分布從近岸向外洋遞減,近岸處的含量大約3.0微克/克,陸架區約2.5微克/克，外洋約1.4微克/克。在富有磷酸鹽和有機物的缺氧沉積物中，含鈾量通常較高。
釷在海水中多以顆粒狀態存在，分布不均勻，極易與懸浮物質結合而沉積到海底。鐳-226與其母體釷-230恰恰相反，容易從沉積物中溶解出來。因此，深層水中的鐳含量，通常比表層高1倍。由於鈾和釷的存在狀態的差異，海水中的Th/U值大約為岩石圈的1/300。
中國沿海的海水中,鈾和釷的含量分別為 3微克/升和0.001～0.015微克/升。 ② 宇宙射線與空間物質作用而生成的核素(表2)。在這類核素中,以氚和碳-14的全球儲量最大。大氣中形成的氚，通過降水和在大氣中的沉降進入海水，它在表層水中的含量比底層高兩個數量級。
由於核武器試驗能產生氚和碳-14,所以這兩種核素在海洋中的含量是兩種來源的總和。
③ 長久以來獨立存在於海洋中的其他天然放射性核素。這類核素是在地球形成時產生的，它們的顯著特點是半衰期都很長，其中最為重要的是鉀-40和銣-87。在鹽度為35的海水中，鉀的平均含量為 0.387克/千克，鉀-40為天然鉀量的 0.0118%，其放射性活度為11.8貝可/升，占海水總放射性的90%以上；銣-87在天然銣中占27.85%，放射性活度為0.11貝可/升。此外，在這類核素中,還有釩-50、銦-115、鑭-138、釹-144、釤-147、釓-152、鑥-176、鉿-174、錸-187、鉑-190、鉑-192等。它們的半衰期為1010～1015年。 海洋中的人工放射性核素 海洋中不但存在人工裂變核素，而且還有感生放射性核素（表3）。這些人工放射性污染物，主要來源於核試驗。自從1945年美國第一次核子彈試驗以來，世界各國進行了 400多次大氣層和海上核試驗。根據1945年至1963年（此時期約占整個核試驗期間的95%）的18年中核試驗的裂變產物計算，約有 2.8×1028個鈾或鈽的原子裂變。其中，進入海洋的鍶-90為3.1×1013貝可，銫-137為 4.4×1013貝可。以鍶-90在海洋中的分布為例（見圖），最高濃度在西北太平洋，北半球大約比南半球高1～4倍，太平洋高於大西洋和印度洋。 除以上放射性核素之外，還有氚和碳-14,這兩者既來源於宇宙射線與大氣物質的作用，也來源於核試驗。 海洋中人工放射性核素的放射性活度總量，估計可達1019貝可的數量級。
核素在海洋中的存在形態和運動規律 海洋中的核素以三種形態存在：離子態、膠態和顆粒態（表4）。它們在海水中的運動受水文因素（海流、擴散）、物理化學因素（吸附、沉澱等）和生物因素（吞食、吸收等）的影響而分布不同。離子態的核素如磷-32、 鉻-51、鍶-89、鍶-90、銻－125、銫-137等，主要受水文因素影響，其分布比較均勻。稀土元素和性質相似的核素多以膠態或顆粒態存在，如錳－54、鐵－55、鐵－59、鈷－60、鈷-57、鈷-58、釔-90、鋯-95、鈮-95、鉬-99、釕-103、釕-106、鈰-141、鈰-144、鉕-147、鈽-239、鉍-207等，這些核素的運動主要受物理化學因素和水文因素的影響，分布不均勻。還有一些核素與生物有密切的關係，容易被吸收和濃縮，如鈷-60、磷-32、碘-131等，它們的運動過程受生物因素的影響較大，其分布也不均勻。上述的核素中，有的在海洋中可能以多種形態存在，運動也受多種因素的影響。
在氧化性的沉積物中，核素的分配係數（沉積物中含量與水相中含量之比）的大小依下列次序排列：
147Pm>106Ru>54Mn，
95Zr+95Nb>59Fe>65Zn>137Cs>90Sr
它與核素在沉積物中的分布，存在狀態、沉積類型、水合氧化物覆蓋層的存在、氧化還原狀態等因素有關。在還原性沉積物中，錳-54、鐵-59、鋯-95與鈮-95混合物、釕-106、鉕-147很少被吸附，而鍶－90、鈷-60、鋅-65卻很容易被吸附。
展望 海洋中的放射性核素的研究，應著重用來探索與地球和海洋的形成和發展有關的理論和實際問題，如核素的分餾理論、地質年齡、沉積速率、沉積環境和沉積機制等；還著重探討人工核素對生物及環境的影響和危害，如研究在海洋中處理放射性廢物的可能性和現實性；制訂海水和海洋生物對核素最大允許濃度的標準，研究生物濃縮和稀釋擴散的規律等。此外，研究人工放射性核素的形態和物理化學特性，改進和提高現有的分離純化方法，並以人工放射性核素作示蹤劑，研究海洋學的巨觀問題和微觀問題等。
參考書目
J.P.Riley,G.Skirrow,eds,ChemicalOceanography，2nd ed.，Vol.3，Academic Press，London，1975.
NAS，radioactivityin the Marine Environment，Washington，D.C.，1971.
展望 海洋中的放射性核素的研究，應著重用來探索與地球和海洋的形成和發展有關的理論和實際問題，如核素的分餾理論、地質年齡、沉積速率、沉積環境和沉積機制等；還著重探討人工核素對生物及環境的影響和危害，如研究在海洋中處理放射性廢物的可能性和現實性；制訂海水和海洋生物對核素最大允許濃度的標準，研究生物濃縮和稀釋擴散的規律等。此外，研究人工放射性核素的形態和物理化學特性，改進和提高現有的分離純化方法，並以人工放射性核素作示蹤劑，研究海洋學的巨觀問題和微觀問題等。
參考書目
J.P.Riley,G.Skirrow,eds,ChemicalOceanography，2nd ed.，Vol.3，Academic Press，London，1975.
NAS，radioactivityin the Marine Environment，Washington，D.C.，1971.
