由加速器生產(chǎn)放射性核素課件

1、第二章 放射性物質(zhì)2-1 放射性的基本概念和放射性物質(zhì)純度一、放射性的基本概念1、放射性核素核素：具有特定的原子質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)和核能態(tài)的一類原子Nuclide: any atomic nucleus specified by its atomic number, mass number and energy states 同位素：具有相同的原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)不同的核素Isotope: one of two or more atoms having the same atomic number but different mass number元素：具有相同原子序數(shù)的同一類原子Element:

2、refers to a pure substance with atoms all of a single kind. To the chemist, the “kind” of atom is specified by its atomic number2、放射性衰變及其類型放射性核素自發(fā)地改變核結(jié)構(gòu)形成的過程稱為核衰變。由于過程中總伴有帶電或不帶電粒子放出，所以又稱為放射性衰變。放射性衰變按其放出粒子的性質(zhì)可分為： 衰變 -衰變 +衰變 電子俘獲 衰變衰變：放射性核素放出粒子的核衰變。粒子是帶兩個正電荷的氦核。 例如 23892U + 23490Th （2-1） AZX + A-4 Z-2

3、Y （2-2）-衰變: 放射性核素內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子并放出粒子和中微子的核衰變。 粒子是電子，電荷=-1，質(zhì)量0如 23490Th 23491Pa + + （2-3） AZX AZ+1Y + + （2-4）+衰變: 放射性核素內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶硬⒎懦?粒子和中微子的衰變。 +是正電子，質(zhì)量0，電荷=+1，通式： AZX AZ-1Y + + + （2-5）電子俘獲：放射性核素的核俘獲核外繞行的一個電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子變?yōu)橹凶硬⒎懦鲋形⒆拥倪^程。通式： AZX + e AZ-1Y + （2-6）衰變:放射性核素從較高能態(tài)躍遷至較低能態(tài)時放出一種波長很短的電磁輻射（高能光子）的過程。因此衰變后子

4、體核素的原子序數(shù)及質(zhì)量數(shù)均無改變，但所處能態(tài)降低。3、放射性衰變速率方程及放射性活度速率方程：各種放射性核素衰變時，雖然放射的粒子和能量并不相同，衰變速率可能不相等，但衰變動力學(xué)都遵循一級反應(yīng)，即： - dN/dt = N （2-7） 式中： N t時刻未衰變的核數(shù)目 dN dt時間間隔內(nèi)衰變的核數(shù)目 dN/dt 衰變速率 衰變常數(shù)設(shè)t=0, N=N0, 積分上式，得： N = N0e-t （2-8）表明核衰變隨時間的變化服從指數(shù)定律。由（2-7）式可得： = - dN/N/dt半衰期T1/2: 指放射性核的數(shù)目衰變?yōu)樵瓉硪话胨璧臅r間，顯然： T1/2 = ln2/ = 0.693/ = l

5、n2/T1/2 = 0.693/T1/2 （2-9） 放射性活度放射性衰變速率(-dN/dt)是表示核素放射性強弱的基本物理量，通常稱放射性活度。一般用A表示： A = -dN/dt = N （2-10） 將(2-8)式代入，得： A = N0e-t （2-11） 令A(yù)0=N0代表t=0時的放射性活度，則： A = A0e-t （2-12）可見，放射性活度隨時間的變化也服從指數(shù)定律放射性活度的計量單位放射性活度的法定計量單位是貝可勒爾(Becquerel)，簡稱貝可。1貝可等于放射性核素在1秒鐘發(fā)生一次衰變。 1Bq = 1 s-1可見貝可這個單位很小。常用KBq, MBq等早期單位是居里(C

6、i)，他表示放射性核素1秒鐘衰變3.71010次。即： 1Ci = 3.71010Bq居里(Ci)這個單位很大，常用mCi, Ci等表示二、放射性物質(zhì)的純度1、物質(zhì)的純度：指處于特定化學(xué)狀態(tài)的該物質(zhì)的重量占產(chǎn)品總重量的百分?jǐn)?shù)。2、放射性純度：某核素的放射性活度占樣品總放射性活度的百分?jǐn)?shù)。區(qū)別：放射性純度只考慮放射性雜質(zhì)對某放射性核素樣品的沾污，而不考慮非放射性物質(zhì)的沾污。例如：89Sr樣品的放射性純度98%，指除了89Sr以外的90Sr, 137Cs等雜質(zhì)的放射性活度僅占2%，穩(wěn)定Sr和其它穩(wěn)定核素雜質(zhì)的含量是多少與放射性純度無關(guān)。3、放射化學(xué)純度：樣品總放射性活度中，處于特定化學(xué)狀態(tài)的放射性

7、活度所占的百分?jǐn)?shù)。例如：32P-磷酸二氫鈉溶液(NaH232PO4)的放射化學(xué)純度大于99%，是指以NaH232PO4 狀態(tài)存在下的32P的放射性活度占產(chǎn)品總放射性活度的99%以上，而以其他化學(xué)狀態(tài)存在的32P放射性活度占1%以下。4、放射性比活度：通常用單位質(zhì)量（或每摩爾）樣品中所含某核素的放射性活度表示。其單位是： Bq/g, Bq/mol.液體放射性樣品，通常用放射性濃度表示，指單位體積樣品中所含某核素的放射性活度。Bq/mL.2-2 天然放射性核素一、原生放射性核素從地球形成開始，迄今仍存在于地殼中的放射性核素。包括兩類核素，一類是天然衰變系的成員。另一類是長壽命獨立存在的天然放射性核

8、素。1、三個天然衰變系 鈾系：238U 206Pb (4n+2系) 釷系：232Th 208Pb (4n系) 錒系：235U 207Pb (4n+3系)三個天然衰變系的共同特點各自具有一個長壽命的母體，其壽命大于或接近地球年齡。最終產(chǎn)物都是鉛的穩(wěn)定同位素。中間形成稀有氣體元素氡。氡衰變后生成的產(chǎn)物都是一些金屬元素的放射性同位素，它們沉淀在與氡相接觸的物體表面，通常稱它們?yōu)榉派湫缘碣|(zhì)。2、長壽命獨立存在的原生放射性核素某些較輕元素的放射性同位素，不包括在三個天然衰變系之內(nèi)。這些核素放射性較弱，壽命較長。見表2-2。二、宇生放射性核素：宇宙中不斷發(fā)生的天然核反應(yīng)生成的放射性核素。來源有三： 1、宇

9、宙射線引起的核反應(yīng)產(chǎn)物宇宙射線（主要是質(zhì)子、粒子、少量重粒子）撞擊大氣中的氧和氮原子核，使其分裂而產(chǎn)生高能中子、質(zhì)子、氘和氚等。 147N(n,p)146C 147N(n，T)126C 21H(n,)31H 32He(n,p)31H某些重要產(chǎn)物在大氣中的產(chǎn)生速度與含量見表2-3。2、地殼中天然放射性引起的核反應(yīng)產(chǎn)物地殼中的天然放射性核素放出的粒子和射線也可引起核反應(yīng)，而生成新的放射性核素。例如： 19F(,n)22Na 18O(,n)21Ne 9Be(,n)12C由核自發(fā)裂變產(chǎn)生的中子和其它天然核反應(yīng)產(chǎn)生的中子幾乎可以和所有的核素發(fā)生(n,),(n,2n),(n,p)或(n, )核反應(yīng)而得到新

10、的放射性核素。反應(yīng)通式：A1Z1X + A2Z2a A3Z3b + A4Z4Y A1Z1X(a, b)A4Z4Y舉例見P15.3、鈾核自發(fā)裂變的產(chǎn)物由于鈾的自發(fā)裂變，產(chǎn)生了原子序數(shù)在30至65之間的200多種放射性核素，其中重要的集中高產(chǎn)額核素是：90Sr(19.9a), 99Tc(2.12105a), 137Cs(33a) 和147Pm(2.26a)2-3 人工放射性核素周期表中絕大多數(shù)元素的放射性核素是人工放射性核素。它們有三種產(chǎn)生方式：一、由反應(yīng)堆制備二、由加速器生產(chǎn)三、核燃料后處理廠提取鈾的裂變產(chǎn)物一、由反應(yīng)堆制備反應(yīng)堆提供的高通量中子流（主要是熱中子）同靶核發(fā)生(n,), (n, p

11、), (n, ), (n, 2n) 和(n, f)等各種核反應(yīng)。其中熱中子的(n, )反應(yīng)截面比較高，所以采用(n, )反應(yīng)是反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素的主要方式。1、通過(n, )反應(yīng)生產(chǎn)放射性核素的特點除He以外，周期表中幾乎所有元素均能與熱中子發(fā)生(n, )反應(yīng)。核反應(yīng)截面高，特別是重核都有較高的反映截面。一般在10-103范圍內(nèi)。1=10-28米2。核反應(yīng)比較單一，絕大多數(shù)核都是進行(n, )反應(yīng)，對(n, p), (n,)反應(yīng)的幾率可以忽略。中子穿透力強，對引起(n, )反應(yīng)的中子能量要求不十分嚴(yán)格，所以靶子的形狀和厚度等方面的要求較低。(n, )反應(yīng)后的靶核和生成核之間，M=1, Z=0

12、, 所以制備的放射性核素均含有其穩(wěn)定同位素載體。難以制備無載體和高比活度的放射性核素產(chǎn)品。由于多數(shù)元素都能發(fā)生(n, )反應(yīng)，且反應(yīng)截面又高，所以對靶子的純度要求就高，靶子中的同位素和非同位素雜質(zhì)都會影響產(chǎn)品的放射性純度。2、對靶子物的要求靶子物：生產(chǎn)放射性核素時，反應(yīng)堆中受照射的物質(zhì)選擇靶子元素含量最高的化合物，最好是單質(zhì)。如果靶子物是金屬元素，常用氧化物或碳酸鹽；如果是非金屬，常用它們的鉀鹽。特殊情況，用富集靶，以便得到高比活度，高放射化學(xué)純度的產(chǎn)品。靶子物要有較高的純度，特別是不能含有熱中子截面大的雜質(zhì)（如B和Cd等）。照射后易于化學(xué)處理。靶子物應(yīng)有較好的輻照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在反應(yīng)堆強

13、輻射場中不分解，不生成有害于反應(yīng)堆的氣體和毒物。3、其它核反應(yīng)除了(n, )反應(yīng)以外，少數(shù)輕核可發(fā)生(n, )和(n, p)反應(yīng)得到放射性核素，重要反應(yīng)有： 6Li(n,)3H 32S(n, p)32P 14N(n, p)14C 35Cl(n, p)35S 40Ca(n, )37Ar這五個核反應(yīng)只有前兩個可以由慢中子引起，其余都必須由快中子引起。與(n, )反應(yīng)相比，其優(yōu)點是產(chǎn)品核素與靶子核素是不同的，可制備無載體放射性核素產(chǎn)品。二、由加速器生產(chǎn)放射性核素1945年以前，帶電粒子加速器是生產(chǎn)放射性核素的重要設(shè)施。1945年以后，主要用反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素。上世紀(jì)60年代以后，由于對各種特殊性能

14、放射性核素的需要以及加速器技術(shù)的發(fā)展，由加速器生產(chǎn)短壽命、缺中子的醫(yī)用放射性核素又受到重視。與反應(yīng)堆生產(chǎn)相比，加速器生產(chǎn)放射性核素技術(shù)上更困難，價格更昂貴，規(guī)模更小。但可以生產(chǎn)無載體，高比活度及某些不能用反應(yīng)堆生產(chǎn)的缺中子、短壽命的醫(yī)用放射性核素。三、從核燃料后處理廠提取鈾核裂變產(chǎn)物鈾核裂變產(chǎn)物多達200多種。大多數(shù)裂變產(chǎn)物壽命短、產(chǎn)額低，難以提取。某些重要產(chǎn)物見表2-42-4 人工放射性元素放射性元素：指該元素所有的同位素都是放射性核素。人工放射性元素：指最初用人工方法制得并被鑒定、命名，沒有穩(wěn)定同位素的元素。周期表中： 元素名稱 符號 英文名 原子序數(shù) 锝 Tc Technetium 43

15、 钷 Pm Promethium 61 砹 At Astatine 85 超鈾元素 TrU Transuranium 93一、锝 Tc Technetium 希臘語 “人造” 制備： 9442Mo(d, n)9543Tc 1937年 C.Perrier 佩里爾 回旋加速器 有19種同位素，8種同質(zhì)異能素重要同位素：99Tc, 99mTc用途：耐腐蝕材料 锝合金低溫時是超導(dǎo)體99Tc 是純發(fā)射體，能量低，0.292Mev,放射性比活度小，半衰期長（2.12105年），可制備標(biāo)準(zhǔn)源。99mTc發(fā)射低能射線，醫(yī)學(xué)上用于診斷甲狀腺和腎臟疾病。二、钷 Pm Promethium 普羅米修斯（希臘神話中的

16、火神）發(fā)現(xiàn)： 1945年 Jacob Marinsky 等從鈾核裂變產(chǎn)物中分離得到。17種同位素， 4種同質(zhì)異能素重要核素：147Pm 只發(fā)射0.225Mev的射線，半衰期長（2.26年），可作為軟輻射源用于密度計等制造。三、砹 At Astatine 希臘語“不穩(wěn)定”發(fā)現(xiàn)： 1940年 D.Corson 考爾松等在回旋加速器上得到，反應(yīng)為： 209Bi(,2n)211At24種放射性同位素，4種同質(zhì)異能素。半衰期最長者為：210At 8.3小時由于壽命短，對其研究有局限性四、超鈾元素原子序數(shù) 元素名稱 符號 發(fā)現(xiàn)者 發(fā)現(xiàn)時間 89 Actinium 錒 Ac A. Debierne 1899

17、年 90 Thorium 釷 Th J.J.Berzelius 1828 91 Protactinium 鏷 Pa K.fajans 1913 92 Uranium 鈾 U M.H.Klaproth 1789 93 Neptunium 镎 Np E.M.Mcmillian 1940 94 Plutonium 钚 Pu G.T.Seaberg 1940-41 95 Americium 镅 Am . 1944-45 96 Curium 鋦 Cm . 1944 97 Berkelium 锫 Bk S.G.Thompson等 1949 98 Californium 锎 Cf . 1950 99 Ein

18、steinium 锿 Es A.Ghioso 等 1952 100 Fermium 鐨 Fm . 1953 101 Mendelevium 鍆 Md . 1955 102 Nobelium 锘 No . 1958 103 Lawrencium 鐒 Lr . 19612-5 環(huán)境放射性一、環(huán)境中天然放射性的來源1、宇宙射線 發(fā)現(xiàn)于1910年，是來自宇宙空間的高能輻射。包括 初級宇宙射線 次級宇宙射線2、宇生放射性核素 3、原生放射性核素 二、環(huán)境中放射性的人工來源1、核燃料循環(huán) 采礦-水冶-精制-元件制造-核反應(yīng)堆輻照-輻照后核燃料后處理-放射性廢物處理處置2、核爆炸 核武器：原子彈 氫彈3、其它環(huán)境放射性的人工來源 放射性核素的應(yīng)用 各種各樣 燃煤電廠排放 U、Th、Ra、K 磷酸鹽礦的開發(fā) U、Th及其子體 地?zé)衢_發(fā)過程 222Rn三、核廢料的處理和環(huán)境保護目的：將放射性廢物與生物環(huán)境永久隔離，避免對人類產(chǎn)生放射性危害，以使得放射性廢物中所含有的放射性核素衰變到無害水平以前不給當(dāng)代和后代人類造成不可接受的環(huán)境影響。2-6 放射性核素的化學(xué)狀態(tài)一、放射性核素在溶液中的狀態(tài)和行為1、形成膠體：在低濃度溶液中，放射性核素可以以真溶液狀態(tài)存在，也可以膠體狀態(tài)存在。在濃度為10-9M的溶液中，很多金屬元素都有可能形成膠體。2、