放射化学课件

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1、第3章 天然放射性元素化学,3.1 概述 放射性元素分为天然放射性和人工放射性元素两大类包括从84号元素(Po)到111号元素以及43Tc和61Pm共30个。天然放射性元素是指在自然界中存在的放射性元素，它们是84Po、85At、86Rn、87Fr、88Ra、89Ac 、90Th、91Pa和92U等9个元素。 自然界中存三个天然放射系： 以238U为母体（4n+2）铀系； 以235U为母体的锕系（4n+3系）； 以232Th为母体的钍系（4n系）； 镎系（4n+1系）为人工放射系。,3.4 镭、氡、钋的化学 （1）镭 1）概述 1898年居里夫人发现了镭。天然镭是铀系、钍系和锕系三个天然放射系

2、的成员，与铀、钍矿共存。 238U226Ra； 232Th 224Ra； 235U 223Ra。 由于镭在衰变过程中的反冲作用以及镭的物理化学和结晶化学性质，它在矿石受地下水浸蚀时易被浸出，其流失量可达85%； 镭共有25种放射性同位素，其中只有223Ra、 224Ra 、 226Ra和228Ra是天然存在的。其中最重要的是226Ra，它是自然界中丰度最在的一种同位素， 226Ra的比活度很高； 223Ra在海洋学的研究中的应用。,226Ra的半衰期为1602a，而222Rn的半衰期为3.82d ，它们很易建立期久平衡，于是有： ARa=ARn/(1-e-t) 通过测量222Rn来测算226R

3、a的含量。 例 射气法测226Ra，未知镭源封存24h，测得222Rn的活度为100Bq，已知氡的半衰期为3.82d，求镭的活度。,解：ARn=100Bq，TRn= 3.82d,例 用标准液体镭源刻度闪烁室。已知标准镭源的活度为200Bq，封存24h，将222Rn从鼓泡器中转移到闪烁室后，3h测量，闪烁室的体积为500ml，闪烁室的本底为5cpm，测量计数为4505cpm，求闪烁室的刻度系数k。 222Rn的半衰期为3.82d,解：设该闪烁室的刻度系数为k 测量时氡的活度ARn,（2）氡 1）概述 1899年欧文和卢瑟夫在研究钍的放射性时，发现了氡，当时称为钍射气（220Rn）次年，道恩又发现

4、了22Rn，它们是铀和钍的放射性子体，主要存在于铀、钍矿石、矿井水和矿泉水中，一般所指的氡是226Ra的衰变产物222Rn。 室内氡大于室外氡。原因？(20-1000 Bq/m3) 室内氡来源-(1)从房基土壤;(2)从建筑材料；如花岗岩、砖沙、水泥及石膏之类;(3)户外空气中进入，以及从供水及天然气中释放出的氡。,氡有27 种同位素和种同质异能素，在氡的放射性同位素中最重要的是三个天然放射系的成员222Rn、 22Rn和21Rn它们分别被称为镭、钍和锕射气。 222Rn的防护最重要，为什么？ (大气中， 222Rn大于22Rn两个数量级) 铀系226Ra222Rn 218Po(RaA)214

5、Pb(RaB) 214Bi (RaC)214Po (RaC) 钍系224Ra220Rn 216Po(ThA)212Pb(ThB) 212Bi (ThC)212Po (ThC),环境大气中氡的来源有以下几个方面： 大地释放 238U在土壤和岩石中的含量不近相同， 平均含量为2.810-4%，地面氡平均析出率为16mBqm-2s-1，陆地表面每年向大气中释放 7.61019Bq的氡； 海洋释放 海水中含有一定量的226Ra，平均浓度 为1Bqm-3，海底比海面要高出一个数量级，海面氡平 均析出率为710-5Bqm-2s-1，海洋每年向大气释放 81017Bq的氡； 植物和地下水的载带 植物的生长将

6、增加地表氡的释 放。实测结果表明，种五谷的土地氡的释放率是那些 不毛之地的35倍。由于植物和地下水的作用，每年向 大气中释放约11019Bq的氡；,核工业释放 核燃料生产过程中每一个环节都有氡的析出，估计全世界的铀矿山和水冶厂每年向大气中释放11019Bq的氡； 煤的燃烧 煤中的铀含量平均为1.010-4%，煤灰成为一种人工氡气源，每年由于煤的燃烧产生的氡为11013Bq的氡； 磷酸盐工业 磷酸盐矿石中的铀含量高，估计在全世界由于磷酸盐工业每年释放到大气中11018Bq的氡； 天然气 天然气中含有放射性物质，向大气中释放出11014Bq的氡； 建筑物的释放 由于建筑材料中都含有一定量的226R

7、a，每年向大气中释放11016Bq的氡 。,）氡的用途及危害 氡可用来制用实验室用的氡铍中子源，氡还可用作示踪剂，此外，监测深井水中氡含量的变化可能用来预报地震等；氡被吸进体内，氡及子体可能会诱发癌变。,）氡的用途及危害-沉积物记年,）氡的用途及危害-沉积物记年,）氡的用途及危害-地震预报 怀来井是自来水井，井深，位于延怀盆地内，处于北东向桑干河断裂和北北东隐伏断裂的交汇部附近，距桑干河断裂。年月开始进行水氡观测的，属于夏高冬低动态类型。年月日、日，怀来井水氡出现低值，月又出现次高值突跳。年月日张北发生级地震。从氡值变化曲线图可见，从年月日开始，氡值下降，最大降幅；然后又上升，最大升幅，并于震

8、前氡值下降后发震。张北地震后，随着余震的衰减，水氡异常也随之衰减下来，于震后天恢复。上述情况表明，这次水氡异常与张北地震有一定的对应关系。年月日包头西级地震，年月日怀安级地震前，怀来井水氡都有一定的临震异常。,我国地表年均氡析出率的数字化填图,空间分辨率： 2525 km2 全国年平均： 29 mBq m-2 s-1,我国地表氡析出率的季节性变化,春,夏,秋,冬,3）氡的物理性质 氡是单原子气体，无色，液化后成无色的发光液体，沸点为-61.8，要-71时固化成橙黄色的固体。氡易被炭、硅胶等吸附，此性质可用于分离氡，在350可从炭上解析氡。 4）氡的化学性质 电子结构为：5s25p65d106s

9、26p6，外层电子有八个电子，呈惰性，一般情况下不与其它物质发生化学反应，在一定条件下水、苯芬、甲苯形成化合物. 5）氡及其子体的分析测定 测量氡及子体的方法很多，常用的有双滤膜放射性测量法、液体闪烁计数法、 能谱法、快速三段法等。,例 流气式氡源的活度为1200Bq（226Ra活度为1200Bq ），空气流过该源，流量为1L/min，则流出的气体氡的浓度为多少Bq/m3？,1 解： ARa=1200Bq， 则每秒有1200个222Rn原子产生， 1秒流过的体积为 2解：1秒内累积氡量： 流出气体的氡浓度：,新制备好的222Rn源母体226Ra活度的测定，将新制备好的222Rn源放入体积为35

10、00ml的干燥器内封存28h后，从干燥器内取5ml该放射性气体注入体积为500ml的闪烁室内，放置3h后，测得的计数为2280cpm，已知闪烁室的k值为13.2 ,本底为50cpm,T为3.82d求222Rn源（226Ra）的活度？,解：闪烁室测定222Rn的浓度： 3h前氡的浓度： 进入闪烁室的氡的活度：、 总的氡活度： 源的活度：,（3）钋 1）概述 钋是1898年被玛丽居里夫人发现的，这了纪念她的祖国波兰，而命名为Polonium，尽管铀系和钍系的衰变均可产生钋，但它含量很低，地壳中钋的分布量210-14%。 钋的制备通常用老镭来制得，1g镭中可分离出0. 2mg钋； ARa=Apo 1

11、g铀中能分离出7.210-11g钋； AU=Apo 从反应堆中也能制得钋，反应式为：209Bi(n,)210Bi() 210Po () 206Pb,从制备后存放4a的1000g含226RaSO4为1%的镭盐中能分离出多少mg 210Po，已知化学收率为90%。（1.5 mg ）,2）钋的物理性质 钋有27种同位素和8种同质异能素，其中210Po是最重要能放射性同位素，其比活度为1.671011Bq/mg，主要用作放射源和宇航仪器的热源等。,钋是银白略带黄色的软金属，在黑暗中发光，熔点为254，沸点为949，相对密度为9.6； 210Po 属极毒性核素，通过核反冲作用形成放射性气溶胶，污染环境。

12、 3）钋的化学性质 钋原子的壳层电子结构为5s25p65d106s26p4，可有化合价为-2、+2、+4和+6价。 钋的氧化物有：PoO、PoO2、PoO3。 钋（）的盐类：有PoCl4、Po(NO3)4和Po(SO4)2等。 钋在溶液中可生成 、Po4+、Po2+离子。 此外还有钋的卤化物、氢化物和氮化物等。,210Pb分析测定,（4）氚和放射性碳的化学 3H和14C是两种广泛存在于自然界的重要天然放射性核素， 3H是一种重要的聚变核素，用于制造核武器。环境中的3H和14C和重要来源于大气层核爆炸，H和C是构成生物体的基本元素，所以对它们进行研究意义是十分重要的。 1）氚化学 氢有三种同位素

13、，1H（H）、2H（D）、3H（T），氚是其唯一的一种具有放射性的同位素。 放出纯的射线：3H（）3He，其半衰期为12.33年，比活度为3.62108Bq/g，它的平均能量为5.72keV； 在空气中的最大射程为mm，在铝中的最大射程为0.6mg/cm，在水中的射程为m,氚的来源有天然和人工两种 天然来源：主要来源为宇宙线中的中子轰击氮气及太阳耀斑爆，N +1n 3T+12C； 人工氚来源主要是核爆炸等。 6Li(n，)T =940bar是在量生产3T唯一可能的方法。 国际原子能机构（IAEA）曾预言到上世纪末，每年排放氚的总量高达 1.851019Bq，比地球上曾有的氚总量高几十倍。,氚对

14、变化图,氚的用途及危害： 用途有，制造热核武器，可控反应堆它将成为一种主要的新能源，利用氚的低能射线制备低能辐射源用于超薄材料厚度的测定，利用氚的辐射能制作原子电池，荧光物质以及放射示踪等，此外，还有用于化学、医学、农业及水文地质等方面。 氚属于低毒性核素，在机体外面对人体危害不大，但进入人体内，会直接产生辐射照作用，可诱发染色体畸变，我国对氚的豁免水平为1.0106Bq/g。 氚的化合物及其性质，氚与氢的相对原子质量差别较大，因而同位素效应十分明显，根据氚水与普通水的沸点不同来分离、浓集氚。,氚与氢在化学性质非常相似，表现在与氧、碳、卤素元素及金属元素等的反应上。由于氚的放射性，氚与氢以有一

15、些差异，氚的射线对氚的许多化学反应起着催化作用。 氚气在大气中易转化为氚水。氚浓度高时，可与氧气发生氧化反应，可与水发生同位素交换反应，在外环境中能发生生物转换反应及光学反应；氚浓度极低时，可发生由氚衰变成THe+，其反应过程如下：T2（ ）THe+ T+He+,氚的一个重要核性质是能与氘发生核聚变反应： + + +18MeV 氚的分析测定 一般测定氚的方法有两种，一种是将氚分离浓集后的气态氚化合物直接充入计数管内进行测量，另一种测定氚的有效方法是液体闪烁计数法。主要样品有水中氚样测定、空气中氚样的测定、尿中氚的测定及生物样品中氚的测定。,2）放射性碳的化学 碳共有11种同位素，除12C和13C为稳定性同位素外，其余均为放射性同位素，其中最重要的放射性核素是14C，其次为11C。 14C是天然碳的组分之一，是一种能量较低的纯-放射性核素，半衰期为5730年，比活度为1.65105Bq/g，射线的平均能量为45keV，最大能量为0.155MeV 。 11C是天然+衰变放射性核素，半衰期为20.38分，衰变时放出能量为0.9608MeV的+粒子。 放射性碳的来源， 14C的来源有天然和人工两种， 天然14C重要来源于宇宙射线中的 轰击大气中的氮气，其反应式为：,14C的人工来源是大气层核爆炸，其次是是核燃料