(元素的世界)氚的來源與生物循環歷程

劉公典 2023/10/15 10:30 點閱 2531 次
氚具有高擴散係數,很容易透過橡膠等多孔物質擴散,也可以透過金屬擴散。(網路截圖)
氚具有高擴散係數,很容易透過橡膠等多孔物質擴散,也可以透過金屬擴散。(網路截圖)

氚(T)是有二個中子的氫同位素,主要來自大氣中氫氣與宇宙射線(中子,¹n)撞擊後產生核融合:½¹H2 + 2¹n → ³H (T)。這裡暫時先解釋核種的二種正確寫法應該是:(1)將原子核內中子與質子總和的「質量數」以「上標」寫在左上角,如「³H」;或是(2)加上「-」寫在右後方,如「H-3」。

氚常溶於水

除了天然來源,氚也會在核武爆炸、核設施與核醫藥物反應過程產生。此外,氚還存在於一系列常見商用消費品,如槍枝瞄準具、手錶錶盤、鑰匙鍊、建築出口標誌、飛機緊急照明及機場跑道燈中。這是因為氚雖然不會產生可見光或自行在黑暗中發光,但卻可以與螢光劑結合後在黑暗中發光,而無需任何電源。在這些設備中,氚可以提供激發能量。而設備的塑膠薄殼或玻璃蓋便可以阻擋所有β輻射。

氚是目前核工業排放的主要放射核種之一。可以溶在水中,隨著水系統循環,分佈至全球大氣、地下水、土壤、河流、湖泊、溪流和海洋。1945至1980年間進行的核試驗,使大氣中氚的含量增加三個數量級(~1000倍)。

氚的半衰期12.3年。而另一個常被誤解的觀念是(以氚半衰期12.3年為例),假設有1000個氚,那表示經過12.3年後,會剩下一半(1000×0.5=500) 氚,再經過12.3年後還會剩下多少氚?答案是還剩下一半(500×0.5=250) 氚,而不是0。

氚水會被人體吸收

氚具有高擴散係數,很容易透過橡膠等多孔物質擴散,也可以透過金屬擴散。由於氚水(HTO或T₂O)有高腐蝕性,因此難以長期儲存。這種腐蝕性很可能是由氧化氚從水的輻射分解產生自由基(•OH),及撞擊周圍分子的β衰變產生的額外能量造成。

氚不具化學毒性,對人體健康的潛在危害是微弱的β衰變,最大能量18.6 keV,這些特定β粒子在空氣中只能傳播約0.6公分。由於β能量很低,所以不會造成外部輻射危害;唯有一旦吸入身體後,才是主要的暴露途徑。

空氣中HTO的生物吸收效率非常高,高達99%吸入的HTO可在幾秒內攝入體內。幾乎完全被胃腸道吸收並很快進入靜脈。幾分鐘內,它就會以不同的濃度存在於身體各器官、體液和組織中。吸收的HTO在45分鐘~2小時內,會均勻分佈在所有生物液體中。接觸HTO後不久,它就均勻分佈在體內水分和有機分子中可交換氫位子的身體組織中。

容易累積在內臟

HTO具有水的滯留作用,在體內的表現與普通水一樣,均勻分佈在體內,並與水以相同的方式,如尿液和汗水排出體外。實驗觀察,每天飲水量為2.7公升,HTO的半衰期為10天;當飲水量增加到每天12.8公升時,半衰期下降到2.4天。

比較值得探討的,是一小部分HTO會與生物,例如魚的碳水化合物、脂肪或蛋白質裡某些有機分子(如氫氧化物、硫醇、磷化物和胺)進行氫氚交換(氫⇄氚),近一步形成有機結合氚(OBT),OBT可以在體內滯留更長時間。

有研究發現,日本太平洋秋刀魚因為新陳代謝及水溫差異,OBT生物半衰期範圍為40-60天。這些魚類透過飲食進入人類體內,改變人體OBT含量,因滯留時間更長而產生更大生物效應。研究也發現,所有器官(內臟)的OBT活性濃度,往往高於魚肉中的OBT活性濃度。