南華大學(xué)《放射化學(xué)》第9章 放射性核素的制備課件

放射化學(xué)9放射性核素的制備及應(yīng)用放射性核素的制備放射性核素示蹤法放射性核素在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)中的應(yīng)用放射性核素在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用放射分析技術(shù)及應(yīng)用目錄隨著核反應(yīng)堆、加速器等核設(shè)施的迅速發(fā)展，放射性核獲得就容易得多，放射性核素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、環(huán)保和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。迄今為止已發(fā)現(xiàn)的放射性核素有2800種，已被利用的有200余種，放射性標(biāo)記化合物已達(dá)到數(shù)千種。它們分為兩大類：天然放射性核素：238U、232Th、226Ra、210Po。人工放射性核素：通過(guò)反應(yīng)堆、加速器進(jìn)行核反應(yīng)，乏燃料后處理等，239Pu、239Np、131I等。9.1放射性核素的制備9.1.1反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素反應(yīng)堆是一種強(qiáng)大的中子源，其中子通量一般1010~1013cm-2·s-1，可通過(guò)反應(yīng)堆的(n,α)、(n,p)、(n,f)及(n,γ)反應(yīng)和次級(jí)核反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)放射性核素。

(n,α)、(n,p)反應(yīng)所需中子的能量較高，在熱中子反應(yīng)堆中，反應(yīng)的截面都很小，僅少數(shù)幾種輕元素（6Li、14N、32S、35Cl）可發(fā)生這類反應(yīng)。由于這兩種反應(yīng)的產(chǎn)核與靶核分屬不同的元素，故可用化學(xué)分離方法制得無(wú)載體的放射性核素。

32S(n,p)32P；

6Li(n,α)3H。9.1.1反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素(n,f)反應(yīng)(n,γ)反應(yīng)裂變反應(yīng)，可產(chǎn)生大量的裂變產(chǎn)物，是放射性核素的重要來(lái)源之一，如233U、235U、239Pu的裂變反應(yīng)，所生成的放射性核素達(dá)500種以上。具有產(chǎn)額高成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。產(chǎn)核和靶核是同位素而難以用化學(xué)方法分離，因而產(chǎn)品的比活度受到限制。9.1.1反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素生產(chǎn)放射性60Co：將金屬鈷絲或鈷片、鈷棒裝不銹鋼殼內(nèi)，氬弧焊接密封；放入反應(yīng)堆中照射，

59Co(n,γ)60Co反應(yīng)制得60Co。9.1.2加速器生產(chǎn)放射性核素加速器有回旋加速器、靜電加速器、高壓加速器、直線加速器等。用回旋加速器由于能量適中，流量足夠而被常用，可加速p，d，α，15N和18O等粒子，加速的粒子轟擊靶可引起(p,n)、(p,α)、(d,n)、(d,2n)、(d,α)、(α,n)、(α,2n)等核反應(yīng)。

9.1.2加速器生產(chǎn)放射性核素與反應(yīng)堆制備核素相比加速器的投資少，運(yùn)行和管理方便，但產(chǎn)量低，成本高，制靶過(guò)程復(fù)雜，一般只在下列情況下來(lái)彌補(bǔ)反應(yīng)堆的不足：1）當(dāng)用反應(yīng)堆不能產(chǎn)生出比活度高的放射性核素；2）當(dāng)反應(yīng)堆不能產(chǎn)生出符合使用要求的某種放射性核素；3）當(dāng)遠(yuǎn)離反應(yīng)堆的地方需要短半衰期放射性核素；4）當(dāng)對(duì)某種核素需要量少，反應(yīng)堆生產(chǎn)較方便。9.1.3從乏燃料后處理中提取放射性核素反應(yīng)堆乏燃料是提取放射性核素的重要原料。這些放射性核素都集中在后處理廠的高放廢液和廢氣中。

裂片元素：

超鈾元素。一個(gè)1000MW的核電站產(chǎn)生：乏燃料：30t/a；Pu：0.27t/a；U：28.6t/a；

裂變產(chǎn)物：1.13t/a。9.2

放射性核素示蹤法9.2.1

放射性核素示蹤法的一般原理及特點(diǎn)原理：是利用放射性核素作為示蹤原子，通過(guò)放射性的測(cè)量以顯示其存在的位置、數(shù)時(shí)及其轉(zhuǎn)變過(guò)程，從而跟蹤觀察研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)變化情況。特點(diǎn)：靈敏度高，檢測(cè)限可達(dá)10-15~10-13g；測(cè)量方法簡(jiǎn)便；能揭示原子、分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其他方法難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。9.2.2放射性核素示蹤法簡(jiǎn)單示蹤法將放射性核素機(jī)械地結(jié)合或附著于研究對(duì)象上，然后通過(guò)探測(cè)放射性來(lái)觀察研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況。物理混合示蹤法將放射性核素與研究對(duì)象充分進(jìn)行物理混合，然后通過(guò)測(cè)量放射性活度的變化來(lái)弄清研究對(duì)象的行為和質(zhì)性。如稀釋測(cè)定法。標(biāo)記化合物示蹤法

根據(jù)放射性核素與其穩(wěn)定同位素除了同位素效應(yīng)外在化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上完全相同的前提下，利用放射性標(biāo)記化合物對(duì)同類化合物進(jìn)行示蹤。9.2.3放射性示蹤劑的選擇從實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)財(cái)周期長(zhǎng)短來(lái)考慮放射性示蹤核素的半衰期；輻射類型和能量，用作示蹤劑的主要是β和γ放射性核素；比活度，放射性示蹤劑的比活度必須足夠高，要求測(cè)量時(shí)樣品中的活度至少大于本底計(jì)數(shù)率標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍。9.3.1放射性藥物及其應(yīng)用9.3

放射性核素在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)中的應(yīng)用放射性藥物是指在醫(yī)學(xué)上使用的含有放射性核素的化合物或生物物質(zhì)的統(tǒng)稱。根據(jù)其臨床應(yīng)用的目的不同可分為兩類：1）治療用放射性藥物；2）診斷用放射性藥物。9.3.1放射性藥物及其應(yīng)用放射性藥物除了符合藥物的一般要求外，還需滿足以下要求：放射性核素及其衰變產(chǎn)物應(yīng)對(duì)機(jī)體基本無(wú)害，且容易從體內(nèi)廓清；半衰期較短，減少對(duì)機(jī)體的輻射損傷；有較高的化學(xué)純度，放射性純度和放化純度，減少毒副作用；有適宜于探測(cè)的射線，一般為γ射線，能量在100~300keV；有適宜的比活度。9.3.2放射免疫技術(shù)當(dāng)*Ag和Ab的量固定時(shí)，若樣品中的Ag（待測(cè)物質(zhì)）的含量增高，則*Ag被稀釋的程度就增加，*Ag-Ab和后成量就減少。只要將未結(jié)合的*Ag與*Ag-Ab分離，并分別測(cè)定它們的活度，即可從*Ag-Ab的結(jié)合百分率與Ag濃度的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)曲線上出樣品中Ag的含量。9.3.2放射免疫技術(shù)9.3.2放射免疫技術(shù)2)放射免疫顯像和放射免疫治療是利用放射性核素標(biāo)記的McAb具有特異的免疫反應(yīng)，可定位到某種腫瘤上，從而可將其作為診斷和治療癌癥的一種有交方法。人源化的McAb替代鼠性的McAb；99Tcm、111In替代131I。使此兩項(xiàng)技術(shù)得到快速發(fā)展。9.3.3自放射顯影技術(shù)自放射顯影技術(shù)是從本上個(gè)世紀(jì)20年代初開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)定放射性示蹤核素的方法，它利用放射性物質(zhì)產(chǎn)生的射線使核乳膠感光，根據(jù)其感光的部位及強(qiáng)度來(lái)記錄、檢查和測(cè)量樣品中放射性物質(zhì)的分布和數(shù)量。我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧等人就是利用核乳膠技術(shù)發(fā)現(xiàn)了重原子核的三分裂與四分裂現(xiàn)象。9.4放射性核素在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（2）放射性同位素在工業(yè)中的應(yīng)用放射性同位素在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它已應(yīng)用于化工、冶金、石油等領(lǐng)域?；ぃ悍派湫酝凰乜捎米鬏椛浼庸?、示蹤劑；冶金：研究非金屬雜質(zhì)的來(lái)源、金屬凝固過(guò)程等及活化分析一些金屬含量；石油；中子測(cè)井技術(shù)等；利用放射性同位素還可制成各種檢測(cè)和控制儀表。9.4放射性核素在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用中子測(cè)井技術(shù)：有中子-γ測(cè)井、中子-中子測(cè)井等。中子-γ測(cè)井：中子源產(chǎn)生中子，易被輕核慢化，如氫核(水、石油中氫量多)；快中子被慢化成熱中子；熱中子被巖石中的其它原子核俘獲，(n,γ)反應(yīng),產(chǎn)生γ射線,含氫多，γ射線離中子源近，反之離中子源遠(yuǎn)；γ射線被γ探測(cè)器接收；根據(jù)γ射線接收量來(lái)判斷井下情況。9.5放射分析技術(shù)及其應(yīng)用同位素稀釋分析法是將待測(cè)元素與放射性同位素示蹤劑充分混合，然后分離出一部分純凈待測(cè)樣品，測(cè)其比活度，由比活度的變化來(lái)算出待測(cè)元素的含量。這種方法常用來(lái)測(cè)定不易分離的組份的含量。有正稀釋法、反稀釋法及亞化學(xué)計(jì)量稀釋法。9.5.1同位素稀釋法將一種質(zhì)量為M0的穩(wěn)定同位素加到含有其放射性同位素（比活度為s0

）的待測(cè)樣品之中，混合均勻后分離提純一部分化合物，再測(cè)其比活度sd，并由此計(jì)算出待測(cè)樣品中原有的放射性同位素的質(zhì)量mx：

9.5.1

同位素稀釋法—反稀釋法例9.1反應(yīng)式：A+B→AB

式中，A為被分離或分析的對(duì)象，

B是為了分離或分析而加入的試劑。當(dāng)B試劑相對(duì)于A來(lái)說(shuō)化學(xué)計(jì)量不足時(shí)（A》B），即為亞化學(xué)計(jì)量。9.5.1同位素稀釋法—亞化學(xué)計(jì)量稀釋法使用該方法做為定量分析方法,要滿足兩個(gè)條件：

1分離試劑必須定量地消耗在所測(cè)定的元素上；

2必須采用某種分離方法使被測(cè)元素的已經(jīng)反應(yīng)部分與尚未反應(yīng)部分分離開(kāi)來(lái)。9.5.1同位素稀釋法—亞化學(xué)計(jì)量稀釋法

對(duì)于放射分析來(lái)說(shuō)，亞化學(xué)計(jì)量稀釋法即用少于化學(xué)計(jì)算量的兩份相等的分離試劑，分別從放射性標(biāo)準(zhǔn)物溶液和從經(jīng)過(guò)同位素稀釋后樣品溶液中分離出質(zhì)量相等的化合物，這樣它們的比活度之比就等于其活度之比，則9.2式就可改為：同位素稀釋法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需定量分離被測(cè)物，這可避免在分離提純過(guò)程中由于化合物的回收率低而造成的誤差。例9.29.5.2

活化分析法經(jīng)過(guò)核反應(yīng)，把原來(lái)沒(méi)有放射性或放射性不易被測(cè)量的樣品中的被測(cè)核素變成具有特征放射性的產(chǎn)物，然后可以通過(guò)測(cè)定其射線能量和半衰期進(jìn)行定性鑒定，通過(guò)測(cè)定射線強(qiáng)度作定量分析。9.5.2

活化分析法常采用相對(duì)法來(lái)測(cè)定樣品中微量核素的含量，即將標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品在相同條件下進(jìn)行照射，化學(xué)處理和放射性測(cè)量，然后按下式進(jìn)行計(jì)算：分兩步：活化分析將含待測(cè)核素的樣品經(jīng)n，p，d，α或γ等粒子或射線的照射，發(fā)生核反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為適宜于射線測(cè)量的放射性核素；測(cè)量中子與樣品中待測(cè)核素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的放射性核素來(lái)測(cè)定該核素含量的一種方法。常用的有熱中子活化分析（以反應(yīng)堆為中子源，利用(n,γ)反應(yīng)對(duì)核素進(jìn)行活化）快中子活化分析(以同位素中子源、中子發(fā)生器和加速器為活化源，利用(n,p)、(n,α)、(n,2n)等核反應(yīng)進(jìn)行活化)。9.5.2

活化分析法—中子活化分析測(cè)量帶電粒子與樣品中待測(cè)核素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的放射性核素來(lái)測(cè)定元素含量的一種方法。9.5.2

活化分析法—帶電粒子活化分析例9.3活化分析已成功地應(yīng)用于生命科學(xué)、測(cè)量微量元素等。9.5.3X射線熒光分析法

有波長(zhǎng)色散和能量色散兩種方式。能量色散X射線熒光分析法是利用一定能量的粒子使樣品中待測(cè)元素的原子激發(fā)，并發(fā)出特征X射線熒光，然后根據(jù)不同元素發(fā)出特征X射線的能量不同，且元素的含量與X射線強(qiáng)度在一定條件下成正比的原理，通過(guò)X射線譜儀測(cè)量其能譜和強(qiáng)度，可確定待測(cè)元素的種類和含量。

謝謝！例9.1用反稀釋法稀釋含137Cs的待測(cè)樣品，已知137Cs的T1/2為30.17a，K值為1.32×1016，將質(zhì)量為10mg銫穩(wěn)定同位素加到待測(cè)樣品中，混合均勻后分離提純一部分混合物，測(cè)其比活度

，則待測(cè)樣品中的137Cs的質(zhì)量為多少mg？解：

例9.1例題：用亞化學(xué)計(jì)量進(jìn)行測(cè)定時(shí)，已知引入標(biāo)準(zhǔn)物的質(zhì)量為30.0mg，從放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液中和從經(jīng)同位素稀釋后的樣品中分離提純的化合物的放射性計(jì)數(shù)分別為1200和60cpm，求待測(cè)物的質(zhì)量為多少？例9.2例9.2解：M0=30.0mg,mx=m0(A0/Ad-1)=30.0(1200/60-1)=570.0mg例9.3在活化分析中，含微量氯的物質(zhì)在1012中子/（cm2·s）通量密度下輻照5h，輻照結(jié)束5h后，測(cè)得38Cl的活度為2.33×104Bq，則LiCl中氯含量為多少g？已知其核反應(yīng)式為：，38Cl的半衰期T1/2為37.2min，37Cl的豐度