镭（拼音：léi，注音：ㄌㄟˊ，粤拼：leoi4；英语：Radium；旧译鈤[a]、銧），是一种化学元素。其化学符号为Ra，原子序数为88。镭是元素周期表2A族中最重的元素，是一种银白色有光泽的放射性碱土金属，在空气中会迅速和氮气（而非氧气）反应，形成黑色的氮化镭（Ra3N2）。镭的同位素均有强放射性，其中以镭-226最为稳定，半衰期为1600年，会衰变成氡-222。镭衰变时会产生游离辐射，可以激发荧光物质，导致辐射发光。
1898年，镭以氯化镭的形式由皮埃尔·居里和玛丽·居里发现。二人从沥青铀矿中提取镭化合物，五天后在法国科学院发表成果。镭金属则是玛丽·居里和安德烈-路易·德比埃尔内通过电解氯化镭，于1911年分离的。[1]
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镭有33种已知的同位素，原子量介于202和234之间，均有放射性。[9]其中，223Ra半衰期11.4天，存在于锕衰变链中；226Ra半衰期1600年，出现在铀衰变链中；224Ra（半衰期3.64天）和228Ra（半衰期5.75年）均出现在钍衰变链中。这些同位素的半衰期远远短于原生核素，只能以衰变产物的形式存在于自然界。[10]人造同位素225Ra半衰期15天，由微量的237Np衰变而成。[11]以上是五个最稳定的镭同位素；[12]其它同位素半衰期都小于两小时，大部分小于一分钟。[9]已知镭至少有12种同核异构体，其中镭-205m最为稳定，半衰期介于130和230毫秒之间，但仍低于24种基态镭同位素。[9]
放射性研究刚起步时，镭的各同位素得名各不相同：223Ra 被称为锕X (AcX)、224Ra被称为钍X (ThX)、226Ra 为镭 (Ra)、而228Ra 被称为间钍1 (MsTh1)。[10]随着人们发现这些“元素”是同一元素的不同核素，便将它们统称为“镭”，其它别名逐渐废止。一些镭-226衰变产物曾用含“镭”的命名，编号从镭A到镭G，字母表示核素离226Ra的远近。其中，镭射气 = 222Rn、镭A = 218Po、镭B = 214Pb、镭C = 214Bi、镭C1 = 214Po、镭C2 = 210Tl、镭D = 210Pb、镭E = 210Bi、镭F = 210Po 、镭G = 206Pb。[12][13]
226Ra是镭最稳定的同位素，也是铀衰变链中最后一种半衰期超过一千年的核素，几乎组成了所有的天然镭。226Ra衰变产物是放射性惰性气体氡同位素222Rn，是环境中镭危害的主要来源。[14]镭的半衰期短，导致其放射性是等量的天然铀（大多由铀-238组成）的270万倍。[15][16]
2013年，人们发现镭-224的原子核呈梨形，为首次发现不对称原子核。[18]
类似钡，镭是一种化学反应性很高的金属，氧化态通常为+2。[4]镭在水溶液中形成Ra2+ 阳离子，无色、有强碱性，不形成配合物。[4] 大部分镭化合物是简单的离子化合物，[4]尽管由于相对论效应，6s 和6p 电子（还有7s价电子）也会参与成键，增加镭化合物（例如 RaF2 和RaAt2）的共价性。[19]因此，半反应 Ra2+ (aq) + 2e− → Ra (s) 的标准电极电势为 −2.916 V，略低于钡的 −2.92 V，违反了碱土金属之前平稳下降的标准电极电势（Ca: −2.84 V、Sr: −2.89 V、Ba: −2.92 V）。[20]钡和镭的标准电极电势与较重的碱金属钾、铷和铯几乎相同。[20]
化合物
尽管氧化物是其他碱土金属的常见化合物，但氧化镭（RaO）被发现后尚未得到很好的表征。氢氧化镭（Ra(OH)2）是最易溶的碱土金属氢氧化物，碱性比对应的钡化合物——氢氧化钡更强。[22]氢氧化镭比氢氧化锕、氢氧化钍更易溶，三者可以通过以氨沉淀来分离。[22]
氯化镭 (RaCl2) 是一种发光的白色化合物，会因镭的α衰变辐射分解变黄。少量的钡杂质会使其变成玫瑰色。[22]易溶于水，溶解度低于氯化钡，并且随盐酸浓度的增加而降低。在水溶液中结晶氯化镭会产生 RaCl2·2H2O，结构类似水合氯化钡。[22]
1898年12月21日，玛丽·居里与丈夫皮埃尔·居里从沥青铀矿中发现了镭。[29][30]早先研究这种矿物时，居里夫妇从中移除铀，发现剩余的物质仍然具有放射性。1898年7月，他们从沥青铀矿里分离了一种类似铋的元素，也就是钋。之后，他们分离出一种放射性混合物，主要由两种成分组成：会产生绿色火焰的钡化合物，还有一种不明的放射性化合物，产生未曾记载的胭脂红谱线。居里夫妇发现这种放射性化合物和钡化合物非常相似，但溶解度较低。夫妇二人得以分离出放射性化合物，并在其中发现一种新元素。居里夫妇于1898年12月26日向法国科学院宣布了他们的发现。[31][32]
1910年9月，玛丽·居里和安德烈-路易·德比埃尔内宣布他们分离了金属镭。他们使用汞阴极电解氯化镭 (RaCl2) 溶液，产生镭汞齐。[33]之后，镭汞齐在氢气中加热去除汞，生成金属镭。[34]同年，E. Eoler通过热分解镭的叠氮化物 Ra(N3)2，分离出金属镭。[10]
历史用途
镭曾用于手表、核电面板、飞机开关、时钟和仪表盘的自发光涂料。使用镭涂料的自发光手表通常含有大约1微克镭。[36]1920年代中期，五名垂死的“镭女孩”起诉美国镭企业——她们负责用镭基夜光涂料画表盘时，按要求舔画笔来保持笔尖精细。[37]她们因而摄入镭，导致健康严重恶化，出现溃疡、贫血、骨癌等病症——人体会把镭当作钙沉积于骨骼中，然后放射性会分解骨髓，使骨细胞变异。[14]
诉讼期间，人们发现该公司专家和管理层已将自己层层保护，以免受辐射影响，却没有采取适当措施保护员工。此外，多年来公司一直坚称这些镭女孩患有梅毒，试图掩盖影响并避免承担责任。这种完全忽视员工福利的做法深刻影响了职业病劳动法的制订。[38]
诉讼使放射性的危害广为人知；表盘工人得到指示，采取恰当的安全预防措施（尤其是不再舔笔尖），还获得防护装备。直到1960年代，表盘中仍在使用镭，但表盘工没有进一步受伤害——可见镭女孩所受的伤害本来可以轻易避免。[39]
含镭涂料自1960年代起停用。夜光表盘是大多由非放射性的光致发光材料取代，在光线下暴露后可在暗处发光，但光强会逐渐衰弱。[14]在需要持久发光的场合，至今仍在使用较安全的钷-147（半衰期2.6年）和氚（半衰期12年）。[40]它们和镭相比还有一大优势——不会随时间推移让磷光剂分解。[41]氚的β辐射能量非常低，甚至低于钷的β辐射[9]；与镭放出的强穿透性γ辐射不同，氚的β辐射无法穿透皮肤，被视为更安全的放射源。[42][43]
20世纪上半叶的时钟、手表、仪表等可能涂有放射性发光涂料；如果是军用装备，可能性会更高。这些镭涂料通常已不发光；但并非因为放射性衰变——镭的半衰期足有1600年；而是因为镭的辐射破坏了荧光介质硫化锌。[44]20世纪上半叶生产的仪表中，如果有一层厚厚的绿色或黄褐色油漆，则表明可能有放射性危害。如果器件保存完好，辐射剂量会相对较低，通常不会有急性风险；但如果涂料释放出来，被吸入或摄入，则会产生危险。[45][46]
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由于镭所谓的“治疗能力”，它曾经是牙膏、护发霜甚至食品等产品中的添加剂。[47]此类产品很快就不再流行，并在发现它们可能对健康产生严重的不利影响后被许多国家禁止。（例如镭补或Revigator等“镭水”或“饮用标准镭溶液”。）[44]以富含镭的水为特色的地点spa偶尔仍被吹捧为有益的，例如日本三朝町的spa。从1940年代末到1970年代初，美国还对儿童进行鼻腔镭照射，以预防中耳问题或扁桃体肿大。[48]
镭（通常以氯化镭或溴化镭的形式）可用作产生氡气的药物，而氡气用于治疗癌症。加拿大在1920年代和1930年代使用了镭来作为氡源。[45][49]然而，由于溴化镭暴露造成的有害影响，许多在1900年代早期使用的治疗方法已不再使用。这些影响的一些例子是贫血、癌症和基因突变。[50]像是60Co等更安全的γ射线源的成本更低，数量更多，如今用于替代该应用中历史上使用的镭。[25]
早在1900年代，生物学家就使用镭来诱导突变，研究遗传学。早在1904年，Daniel MacDougal就使用镭来试图确定它是否会引发突然的大突变并导致重大的进化。托马斯·亨特·摩尔根使用镭来诱导白眼果蝇的变化。获得诺贝尔奖的生物学家赫尔曼·约瑟夫·马勒在转向更实惠的X光实验之前，简要研究了镭对果蝇突变的影响。[51]
在第一次提取镭时，居里夫妇利用了从沥青铀矿中提取铀后的残留物。铀是通过溶解在硫酸中提取出来的，会留下类似于硫酸钡的硫酸镭，但是溶解度更低。残留物还含有相当多的硫酸钡，充当了硫酸镭的载体。镭提取过程的第一步包括用氢氧化钠煮沸，然后用盐酸处理以尽量减少其它化合物的杂质。然后用碳酸钠处理剩余的残余物，将硫酸钡转化为可溶于盐酸的碳酸钡（和镭）。溶解后，钡和镭重新沉淀为硫酸盐；然后重复此步骤以进一步纯化混合硫酸盐。通过用硫化氢处理氯化物溶液，过滤除去一些形成不溶性硫化物的杂质。当混合硫酸盐足够纯时，它们再次转化为混合氯化物；此后，钡和镭通过分步结晶分离，同时使用光谱仪（镭的谱线是红色的，与绿色钡线形成对比）和验电器检测进展。[57]
奥地利的垄断以及其他国家对镭的强烈要求导致了全世界对铀矿的搜索。1910年代初，美国成为镭的主要生产国。科罗拉多州的钒酸钾铀矿提供了一些镭元素，但在刚果民主共和国以及加拿大西北部的大熊湖和大奴湖发现了更丰富的矿石。[30][58]这两个矿床都没有开采镭，但其中的铀含量使开采有利可图。
1940年，居里夫妇的生产工艺仍然用于工业镭提取，但使用了混合溴化物进行分离。[59]如果铀矿石的钡含量不够高，可以添加一些钡来携带镭。这些工艺适用于高品位铀矿石，但可能不适用于低品位铀矿石。
镭是高度放射性的，而它的衰变产物氡气的放射性更强，且容易借由呼吸进入人体中。当摄入镭时，80%的镭会通过大便排出体外，而剩下的20%会进入循环系统，主要堆积在骨骼中。[14]暴露于镭会导致癌症和其他疾病，因为镭和氡在衰变时会释放出α和 γ射线，杀死或变异细胞。[14]1944年，曼哈顿计划期间，工人对镭的“耐受剂量”为0.1微克。[68][69]
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- 元素镭在Peter van der Krogt elements site的介绍（英文）
- WebElements.com – 镭（英文）
- 居礼夫妇发现了镭 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Lu Le Laboratory （页面存档备份，存于互联网档案馆）