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(guò)程稱為核衰變。由于過(guò)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶硬⒎懦鲋形⒆拥倪^(guò)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(shí)放出一種波長(zhǎng)很短的電磁輻射（高能光子）的過(guò)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(wú)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(shí)，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(dòng)力學(xué)都遵循一級(jí)反應(yīng)，即： - dN/dt = N （2-7） 式中： N t時(shí)刻未衰變的核數(shù)目 dN dt時(shí)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(shí)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?lái)一半所需的時(shí)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(qiáng)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(shí)的放射性活度，則： A = A0e-t （2-12）可見(jiàn)，放射性活度隨時(shí)間的變化也服從指數(shù)定律放射性活度的計(jì)量單位放射性活度的法定計(jì)量單位是貝可勒爾(Becquerel)，簡(jiǎn)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(jiàn)貝可這個(gè)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(gè)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(duì)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(wú)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(kāi)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(zhǎng)壽命獨(dú)立存在的天然放射性核

8、素。1、三個(gè)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(gè)天然衰變系的共同特點(diǎn)各自具有一個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)壽命獨(dú)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(gè)天然衰變系之內(nèi)。這些核素放射性較弱，壽命較長(zhǎng)。見(jiàn)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)(n, )反應(yīng)生產(chǎn)放射性核素的特點(diǎn)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(jìn)行(n, )反應(yīng)，對(duì)(n, p), (n,)反應(yīng)的幾率可以忽略。中子穿透力強(qiáng)，對(duì)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(wú)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(duì)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(huì)影響產(chǎn)品的放射性純度。2、對(duì)靶子物的要求靶子物：生產(chǎn)放射性核素時(shí)，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(qiáng)

13、輻射場(chǎng)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(gè)核反應(yīng)只有前兩個(gè)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(diǎn)是產(chǎn)品核素與靶子核素是不同的，可制備無(wú)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(duì)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(jià)格更昂貴，規(guī)模更小。但可以生產(chǎn)無(wú)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(dá)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(jiàn)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(méi)有穩(wěn)定同位素的元素。周期表中： 元素名稱 符號(hào) 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(yǔ) “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(shí)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(zhǎng)（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(zhǎng)（2.26年），可作為軟輻射源用于密度計(jì)等制造。三、砹 At Astatine 希臘語(yǔ)“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(zhǎng)者為：210At 8.3小時(shí)由于壽命短，對(duì)其研究有局限性四、超鈾元素原子序數(shù) 元素名稱 符號(hào) 發(fā)現(xiàn)者 發(fā)現(xiàn)時(shí)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(lái)源1、宇宙射線 發(fā)現(xiàn)于1910年，是來(lái)自宇宙空間的高能輻射。包括 初級(jí)宇宙射線 次級(jí)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(lái)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(lái)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(kāi)發(fā) U、Th及其子體 地?zé)衢_(kāi)發(fā)過(guò)程 222Rn三、核廢料的處理和環(huán)境保護(hù)目的：將放射性廢物與生物環(huán)境永久隔離，避免對(duì)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(wú)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、