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本书介绍的是锕、钍、镤、铀4种天然锕系元素的一些基本知识。这些元素是原子序数为89～103的15种锕系元素中最前面的4个成员。在1944年G. T. Seaborg提出锕系元素概念之前，它们在元素周期表中被放在第七周期Ⅲ B族、Ⅳ B族、Ⅴ B族、Ⅵ B族的位置，分别处于第六周期d区元素镧、铪、钽、钨之下。它们之间确实有相似之处，特别是化合物中的价态。从1940年开始，用中子或加速器产生的带电粒子轰击重核引发人工核反应生成了铀后元素（transuranium element，又称超铀元素）：93号元素镎（1940），94号元素钚（1940—1941），95号元素镅（1944—1945），96号元素锔（1944），97号元素锫（1949），98号元素锎（1950）。到1961年人工合成了直到103号元素的全部锕系元素。1969年至今，又陆续合成了由104～118号的锕系后元素（transactinide element）（到2013年，其中4个尚未经国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）确认）。
在研究铀后元素镎、钚、镅、锔的化学性质之后，发现不可能将它们安排在周期表中Ⅶ B族、Ⅷ B族等位置，而镅、锔的化学性质和4f区镧系元素越来越接近。Seaborg于1944年提出锕系元素假说：在锕之后，由于14个电子在5f轨道的逐个填入，形成了从锕开始到103号元素为止的锕系元素（5f区元素）。5f区元素和4f区元素的主要差别在于原子序数低于94的元素的原子和离子中的5f电子轨道较为扩展和弥散，处于此轨道的电子是非局域化（delocalized）的，且6s和6p轨道对5f轨道屏蔽作用较弱，易参加化学反应。这些元素具有多种化合价态。到镅以上的元素，5f电子局域化了，化学行为才与镧系元素相近。
原子电子构造的信息可以从原子发射光谱、X射线光电子光谱、电子顺磁共振、电子转移光谱、晶体结构数据等手段获得。研究结果表明，在镧系中，从铈（Z＝58）到镥（Z＝71）电子逐个加入4f电子层；在锕系中，从钍（Z＝90）到铹（Z＝103）电子逐个加入5f电子层，但规律性不如镧系，特别是钍原子中并没有5f电子。f区元素电子构型见表1-1。现代元素周期表见图1-1。
表1-1 f区元素原子和离子的电子构型
引自： Chem. Ans. 3 rd ed. 2006, p1772, Tab 15.3.
图1-1 现代元素周期表
引自： Chem.Ans.3 rd ed.2006,p2，用Wikipedia 2013年的材料进行修改补充。
图1-1中，带“*”的元素是2013年时已经报告被合成发现并被其他单位或方法验证过，但尚未被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）正式承认者，命名为临时的。待发现的元素用括号示出。
“锕系元素”概念的提出已70年，锕系元素和锕系后元素化学取得了巨大进展。除了科学上的意义外，它还为解决人类迫切的技术和环境问题提供了科学基础，如利用核反应堆发电，核武器生产及拆除，核废物处理和贮存，冷战时期核材料生产场所的退役清理等。
锕系元素（和锕系后元素）全部是放射性元素，即各元素的所有同位素都是放射性的，不存在稳定同位素。放射性是某些原子核自发放出粒子（α、β或少见的p、重粒子）或放出γ射线，或俘获壳层电子发出X射线或自发裂变的性质。迄今已知118种元素中，仅81种元素有稳定同位素，其中最重的是铋Bi（Z＝83）。而已发现的3000种核素中，只有250多种是稳定的（Wikipedia，2013）。
锕系元素的前4位成员锕、钍、镤、铀有天然存在的放射性同位素，故是天然的锕系元素。与地球年龄相比，它们的母核 232 Th、 235 U和 238 U衰变的半衰期足够长，现仍然在自然界中存在。它们分别是3种天然放射性衰变系的起始核素，即钍系（4n系，从 232 Th开始）、铀系（4n＋2系，从 238 U开始）和锕-铀系（4n＋3系，从 235 U开始）。
放射性核素是不稳定的，它们经过一次或多次衰变（decay）直到稳定核为止。放射性衰变是一个统计过程，每个放射性核素有其特征的衰变概率。对某个放射性核素来说，单位时间衰变的原子核数-dN/dt与此时存在的原子核数N成正比：
式中，λ为放射性衰变的概率，称为衰变常数。在时间0到t内对上式积分，得到
即放射性核素的衰变服从指数衰减规律。放射性核的数目衰减一半所需要的时间称为该核素的半衰期（half-life），用T 1/2 表示，显然：
半衰期，加上放出粒子和/或射线的类型和能量，可用来表征核素的放射性质。
单位时间内衰变掉的放射性核的数目称为放射性活度，简称活度（activity），常用A表示：
式中，A 0 是t＝0时的放射性活度。放射性活度的SI单位是贝可，用Bq表示，1Bq相当于每秒1次衰变：
1Bq＝1s -1
1987年以前是用居里（Ci）来表示放射性活度的。1Ci近似地相当于1g 226 Ra的放射性活度。1Ci＝3.7×10 10 Bq＝37GBq。其导出单位有毫居里（mCi）和微居里（μCi）。由于习惯和使用方便，居里及其导出单位并未完全停止使用。
放射性核素母体衰变成的子体核素也可以是放射性的，要衰变成第2代、第3代的子体。这些放射性子体一方面由母体生成，一方面又衰变成下一代子体，形成衰变链，直到稳定核素为止。在天然锕系元素和重核裂变反应初级产物中都存在这种衰变链。3个天然放射性衰变系，分别从 232 Th、 238 U、 235 U开始，终结于 208 Pb、 206 Pb和 207 Pb，见图1-2～图1-4。
图1-2 钍系（4n系）
引自：Chem. Ans. 3 rd ed. 2006, p23.
图1-3 铀系（4n＋2系）
引自：Wikipedia,2013。稍有删减，本图为自制。
图1-4 锕铀系（4n＋3系）
引自：Chem. Ans. 3 rd ed. 2006, p21.
在3个天然放射系中，由于原始母核的半衰期比各代放射性子体都长得多，放置足够长时间后（如寿命最长的子体半衰期的10倍），整个衰变链处于长期平衡状态，即母核以恒定的速度衰变，各代放射性子体核的生成速度与裂变速度相等，且等于母体的衰变速度，也就是说各个放射性子体的活度都等于母体核的活度，而它们存在的原子核数则与其半衰期成正比。因此，一些较长寿命的子体，如 231 Pa、 230 Th、 234 U、 226 Ra以较大的量存在，而很短寿命子体的量是微乎其微的。
本书向读者介绍锕、钍、镤、铀4种天然放射性锕系元素的历史和现状、化学和放射性质、工艺学、应用等方面的基本知识。辐照铀燃料的化学后处理因其内容广、发展快，牵涉到多个铀后元素和裂变产物元素，足以写一部专著，本书未包括此部分内容。
本书的主要参考资料如下。
（1）The Chemistry of The Actinide Elements，第1版，J. T. Katz，G. T. Seaborg著，1957年出版（Methuen）；第2版，J. T. Katz，G. T. Seaborg，L.R. Morss编，共2卷，1986年出版（Chapman & Hall）；第3版，改名为The Chemistry of The Actinide and Transactinide Elements, L. R. Morss, N. M. Edelstein，J. Fuger编，共5卷，2006年出版（Springer）, 2008年校正重印。参考了第2版和第3版的前5章——绪论、锕、钍、镤、铀。选择一些对核化学化工科技人员适用的部分写入本书，深入的化学内容并未涉及，有兴趣者可查阅原书。本书中引用时简写为：Chem. Ans.2 nd （或3 rd ）ed. 1986（或2006）。
（2）Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie,第8版补编中有关元素的分卷。该手册是完备的大型无机化学手册（德文）。第1版原名Handbuch der Theoretischen Chemie，由德国化学家Leopold Gmelin（1788—1853）主编，共3卷，1817—1819年出版。以后多次重版、改名。1922年第8版改名为Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie，1946年成立的Marx-Planck学会下属Gmelin无机化学研究所和德国化学会共同负责编辑第8版补编，其宗旨是根据原始文献对整个无机化学及其有关领域的全部研究成果作出系统的概括和汇总，并用现代观点予以评价。到1989年已出版470多册，约15万页。20世纪70年代以来加用英文写标题及内容，20世纪70年代后期起有的章节已经用英文来写。以上情况参看《中国大百科全书》，化学1，1989，p369-370。
该手册对每个元素规定了系统号，除稀有气体、镧系元素、超铀元素每族一个系统号外，其他元素各有一个系统号，锕为40，钍为44，镤为51，铀为55。在第8版中，锕有补编1卷（1981），钍有补编4卷，共21册（1979—1997），镤有补编2卷（1977），铀有补编4卷，共32册（1979—1996）。详情可查Chem. Ans.3 rd ed. 2006, vol. 1，锕、钍、镤、铀各章后面References中Gmelin条。
Gmelin手册第8版补编锕、钍、镤、铀各卷中的一小部分，现存于清华大学核研院201室资料室，是德国Cornelius Keller教授在1990年前后友情赠予的清样本。本书中引用时简写为：Gmelin （8 th ed.），元素名，卷号（年份）。
（3）《核化学工程》，原名Nuclear Chemical Engineering，2 nd ed. M. Benedict, T. H. Pigford, H. W. Levi著，McGraw-Hill，1981。汪德熙等译，原子能出版社，1988。参看书中第5章铀、第6章钍、第12章稳定同位素分离及第14章铀同位素分离。本书中引用时简写为：《核化学工程》，汪德熙等译，原子能出版社，1988。
（4）《铀化学》，原名The Chemistry of Uranium, including its Application in Nuclear Technology，E. H. P. Cordfunke著，《铀化学》翻译组译，原子能出版社，1977。
（5）《核燃料化学工艺学》，吴华武编，原子能出版社，1989。参看书中第4章核燃料的提取与纯化。
（6）《溶剂萃取手册》，汪家鼎，陈家镛主编，化学工业出版社，2001。参看第13章从矿石中提取及分离铀、钍，第14章关于钍辐照核燃料的部分。
（7）《同位素分离》，肖啸
主编，原子能出版社，1999。参看有关铀同位素分离部分。
（8）Thorium Fuel Cycle—Potential Benefits and Challenges，IAEA TECDOC-1450, 2005。本书中引用时简写为：IAEA-TECDOC-1450。
其他引用材料在书中分别列出，在此不列举。