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的成员，与铀、钍矿共存 238U→226Ra； 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-λt) 通过测量222Rn来测算226Ra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，道恩又发现了22２Rn，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３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、 22０Rn和21９Rn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22０Rn两个数量级) 铀系226Ra→222Rn → 218Po(RaA)→214Pb(RaB) →214Bi (RaC)→214Po (RaC’)→ 钍系224Ra→220Rn → 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2.8×10-4%，地面氡平均析出率为16mBq•m-2•s-1，陆地表面每年向大气中释放 7.6×1019Bq的氡； 海洋释放 海水中含有一定量的226Ra，平均浓度 为1Bq•m-3，海底比海面要高出一个数量级，海面氡平 均析出率为7×10-5Bq•m-2•s-1，海洋每年向大气释放 8×1017Bq的氡； 植物和地下水的载带 植物的生长将增加地表氡的释 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3~5倍。
由于植物和地下水的作用，每年向 大气中释放约1×1019Bq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1×1019Bq的氡； 煤的燃烧 煤中的铀含量平均为1.0×10-4%，煤灰成为一种人工氡气源，每年由于煤的燃烧产生的氡为1×1013Bq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1×1018Bq的氡； 天然气 天然气中含有放射性物质，向大气中释放出1×1014Bq的氡； 建筑物的释放 由于建筑材料中都含有一定量的226Ra，每年向大气中释放1×1016Bq的氡 ２）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２）氡的用途及危害----沉积物记年,２）氡的用途及危害----沉积物记年,２）氡的用途及危害-地震预报 怀来２井是自来水井，井深１２０ｍ，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９．３ｋｍ１９８９年１１月开始进行水氡观测的，属于夏高冬低动态类型。
１９９７年１１月２５日、２７日，怀来２井水氡出现低值，１２月又出现８次高值突跳１９９８年１月１０日张北发生６．２级地震从氡值变化曲线图可见，从１９９７年１１月２３日开始，氡值下降，最大降幅３０．３％；然后又上升，最大升幅２０．０％，并于震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２５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１９９６年５月３日包头西６．４级地震，１９９７年５月２５日怀安４．２级地震前，怀来２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： 25×25 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：5s25p65d106s26p6，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α放射性测量法、液体闪烁计数法、 α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3500ml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2×10-14% 钋的制备通常用老镭来制得，1g镭中可分离出0. 2mg钋； ARa=Apo 1g铀中能分离出7.2×10-11g钋； AU=Apo 从反应堆中也能制得钋，反应式为：209Bi(n,γ)210Bi(β) →210Po (α) →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α放射性同位素，其比活度为1.67×1011Bq/mg，主要用作α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 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（Ⅳ）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，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β射线：3H（β）→3He，其半衰期为12.33年，比活度为3.62×108Bq/μg，它的平均能量为5.72keV； 在空气中的最大射程为５mm，在铝中的最大射程为0.6mg/cm，在水中的射程为６μm．,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，１４N +1n →3T+12C； 人工氚来源主要是核爆炸等 6Li(n，α)T σ=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 1.85×1019Bq，比地球上曾有的氚总量高几十倍氚对变化图,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β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1.0×106Bq/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，氚与氢以有一些差异，氚的β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（ β ）→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β-放射性核素，半衰期为5730年，比活度为1.65×105Bq/μg，β射线的平均能量为45keV，最大能量为0.155MeV 11C是天然β+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β+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。