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放射化学 Radiochemistry FromWebster sNewWorldDictionary ThirdCollegeEdition p1108 Radiochemistryisthebranchofchemistrydealingwithradioactivephenomena 放射化学1901年由卡麦隆 Cameron 提出 是近代化学的一个分支学科 是研究有关放射性现象的一门科学 1 放射化学 绪论 放射化学分离方法 放射性核素 元素 化学 放射化学实验 2 绪论 1 1放射化学发展简史1 2放射化学研究的内容1 3放射化学的特点1 4常用的放射性单位和概念 3 1 1放射化学发展简史 1 初期阶段 1896 1931 天然核辐射现象的发现 2 发展阶段 1932 1942 由原子反应堆实现重核裂变 3 近代阶段 1943 1969 核反应堆技术应用于核武器 4 现代阶段 1970 至今 能源的和平利用 4 W Roentgen sdiscoveryofx rays 1895年末德国物理学家W Roentgen用Crookes管研究高压放电现象时注意到 当阴极电子束流轰击玻璃管壁时 观察到了荧光现象 1 初期阶段 放射性和放射性元素的发现 5 W Roentgen sdiscoveryofx rays 1 初期阶段 In1895 W Roentgen在他的实验室首先发现了X射线 W RoentgenNobelPrizeHisdiscoveryoftheremarkablerayssubsequentlynamedafterhim 6 H BecquerelThediscoveryofRadioactivity 1 初期阶段 1896年 法国物理学家贝克勒尔通过大量实验 发现铀会无休止地放出看不见的神秘射线 铀所具有的这种神奇本领 称为放射性 7 M Curie 1898年 发现除了铀和铀的化合物外 钍和钍的化合物也有类似的放射现象 铀和钍发出射线与其化合物的组成无关 放射现象是一种特有的原子现象 她在发现了钋和镭元素后才将这一现象称为放射性 Radioactivity 1 初期阶段 8 分离 提取放射性核素镭的旧作坊 将沥青铀矿磨碎溶解于盐酸 进行硫化物沉淀等多步化学分离 在整个分离过程中 始终用跟踪放射性的办法 来确定微量放射性元素的去向 巧妙地根据放射性的行踪来判断该元素的化学性质 这种创造性的方法 是一种崭新的放射化学研究方法 DiscoveryofRadium 9 TheNobelPrizeinChemistry1911 成功发现放射性核素镭和钋 又成功提取了核素镭 10 1913年 索迪 Soddy 提出了同位素 isotope 的概念 1 初期阶段 11 1919年 卢瑟福 Rutherford 实现了第一个人工核转变 他用 粒子去轰击氮 将氮转变为氧 以后几年里 又实现了几十种其它轻元素的核反应 这一伟大发现导致了当前有2800多种核素被发现 1 初期阶段 12 2 发展阶段 1932年 J Chadwick发现中子 1934年 I Curie和F Curie首次获得了人工放射性核素 1939年 O Hahn发现原子核裂变现象 1942年 E Fermi设计出第一座核反应堆 13 2 发展阶段 1932年 查德维克 Chadwick 首先发现中子 14 人工反应与人工放射性元素的发现 2 发展阶段 15 1939年 德国科学家奥托 哈恩和他的助手在法国科学家约里奥 居里夫妇的实验基础上 发现了核裂变现象 研究发现 当中子撞击铀原子核时 一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两个较轻的原子核 在这个过程中质量发生亏损 因而放出很大的能量 并产生两个或三个新的中子 这就是举世闻名的核裂变反应 TheNobelPrizeinChemistry1944 OttoHahn Germany FissionofUranium 16 1942年 费米 Fermi 用慢中子轰击U 得到几种 放射性产物 17 G V HevesyTheAbsorptionandTranslocationofLead ThB byplants ThB 212Pb Biochem J 17 439 1923 TheNobelPrizeinChemistry1943 TheFatherofNuclearMedicine 1923年 Hevesy发现放射性示踪现象 创立了示踪原子法 18 背景回顾 这是美国对日本投掷的两颗原子弹 全世界第一次知道了什么是原子弹 3 近代阶段 19 原子弹爆炸 1949 9 22原苏联第一颗原子弹1952 1 3英国第一颗原子弹1952 10 31美国第一颗氢弹1953 8原苏联第一颗氢弹1960 2 13法国第一颗原子弹1964 10 16中国第一颗原子弹 2万吨TNT 1967 6 17中国第一颗氢弹 20 1964年10月16日15时 中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹 标志我国第一颗原子弹爆炸成功 举国欢腾 蘑菇云 3 近代阶段 21 在原子弹试验后两年零八个月 我国于1967年6月17日又成功地进行了首次氢弹空爆试验 喜讯不断 氢弹爆炸 22 1971年9月 我国第一艘核动力潜艇下水 两弹一艇 伟业标志着我国进入了核大国的行列 我国在一些原属空白的重要科技领域缩短了与世界发达国家的差距 进入世界科技前沿 23 4 现代阶段能源 核电站 基础医学 放射性核素作示踪剂临床医学 放射性药物药剂学 放射性标记化合物 24 根据国际原子能机构2007年发表的数据 世界上有539座核电反应堆 核电约占世界总能源的5 约占世界总电力的15 从现在开始至2030年 全世界预计再建造35座核电站 其中有18座在亚洲 我国目前的核电装机容量约为1 7 10kW 约占我国电力的2 至2020年 我国核电的总装机容量将达到4 0 10kW 25 核能在世界的发展状况 26 中国核科学发展里程碑 1958年 在衡阳建立铀水冶厂 1963年 在兰州建立用气体扩散法富集235U的工厂 1964年 富集235U丰度达90 以上 1964年 建立404核燃料后处理厂 现已退役 1964 10 16 第一颗原子弹成功爆炸 1967 06 17 第一颗氢弹成功爆炸 1971 09 建造核潜艇 1991 12 15 秦山核电站I期建成发电 II期在建设中 1993 广东大亚湾核电站建成发电 岭澳核电站在建设中 27 匈牙利化学家海维西 GHevesy 首次将放射性示踪剂用于化学研究 获得了1943年诺贝尔化学奖 亚硫酸盐与硫磺生成硫代硫酸盐 产物S2O32 离子中的两个S原子是否处于同样的化学环境 3H2O l 32SO2 g 35S s 结果 掺入的那个S原子 35S 与SO32 离子中的那个S原子 32S 处于不同的化学环境 28 放射性示踪剂以某种化合物的形式给药 诊断是根据这些放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力 29 放射线疗法 radiationtherapy 是指用高能射线治疗疾病的方法 它是人类战胜癌症的一种重要武器 30 加速器质谱 AcceleratorMassSpectrometry 是上世纪70年代末到80年代初发展起来的一项基于加速器的现代核分析技术 主要用于测量14C 10Be 26AL 36Cl 41Ca 129I等长寿命放射性核素与其稳定同位素的比值 在地球科学 考古学 生命科学 环境科学以及核物理与天体物理等领域具有广泛应用 31 目前 世界上约有50台加速器质谱装置 每年测量数以万计的样品 我国开展加速器质谱工作的单位有北京大学 中国原子能科学院 中科院上海原子核研究所及中国科学院地球环境研究所和西安交通大学 32 放射化学的发展 1898年M Curie用放射化学方法发现放射性元素镭 钋 1910年 英国的Cameron提出将其作为一个独立的分支 已有100多年辉煌的发展历程 基本理论已经发展成熟 已经走过独立发展的阶段 逐步走向与各学科的横向结合 成为各学科广泛应用的技术手段 目前 随着能源需求形势的发展 在世界范围内有再次走向辉煌的态势 33 1 2放射化学研究的内容 2 放射性元素化学 研究天然和人工放射性元素及其化合物的化学性质 制备方法 1 基础放射化学 研究放射性物质的物理化学行为和状态及其分离 纯化方法和原理 3 核化学 研究各种核转变过程所引起的化学变化及生成的产物 4 放射分析化学 研究放射性核素及其制剂的分析 测量和纯度鉴定方法 5 应用放射化学 研究放射性核素在工业 农业 国防 医学等各个领域中的应用 34 低浓度时放射性物质的物理化学行为和状态 吸附 共沉淀 胶体研究放射性物质的分离 纯化方法及其原理 共沉淀法 溶剂萃取法 离子交换法 色谱法等 1 基础放射化学 BasicRadiochemistry 35 天然放射性元素化学研究天然放射性元素 U Th Ra Po 的化学性质 以及有关它们的提炼精制的化学工艺 重点是铀和钍 人工放射性元素化学主要研究人工放射性元素的化学性质和核性质 以及它们的分离 纯化和精制的化学过程 重点是钚等超铀元素和主要的裂片元素 2 放射性元素化学 ChemistryofRadioelements 36 用各种能量的轻重粒子引发核反应 实现原子核的转变 分离鉴定核反应的产物 并由此探讨其反应机理 3 核化学 NuclearChemistry 37 研究放射性物质的分离分析方法以及核技术在分析中的应用 突出成功的分析方法是中子活化分析 带电粒子激发X荧光分析及其微区扫描 同位素稀释法 加速器质谱分析等 4 放射分析化学 RadioanalyticalChemistry 38 合成用于诊断各种疾病的新药物 诸如心肌显像药物 脑显像药物 为核医学对各种脏器多种疾病的诊断和治疗 以及为研究人体的体内动态生理活动提供药物 5 应用放射化学 NuclearPharmaceuticalChemistry 39 1 3放射化学的特点 放射性 在涉及放化操作的整个过程中 放射性核素一直按固有的速率衰变 并释放出带电粒子或 射线 这是放射化学最重要的特点 不稳定性 由于放射性物质总是在不停地衰变 由一种物质转变为另一种或多种物质 使研究体系的组成不断发生变化 这就要求相应的快化学研究方法 低浓度和微量性 放射性物质的量通常都比较小 ug ng级 低于一般的化学方法的检出限 操作中要注意丢失现象 40 优越性 使研究方法的灵敏度大大提高定性分析 根据测定射线能量的大小来确定它是什么放射性核素 定量分析 根据辐射出射线的浓度或强度 来确定放射性核素的含量 通过放射性示踪技术 研究化学反应过程中各个阶段的变化 危害性 放射线可能对人体产生辐射损伤外照射 内照射 产生一系列特殊的物理化学效应 使研究体系复杂化 放射性 41 放射性衰变 radioactivedecay 放射性核素在射出射线的同时转变成其它的放射性核素或本身稳定性同位素的过程 不稳定性 42 NaturalRadioactiveSeries 放射系 radioactiveseries 三大天然放射性衰变系 所有原子序数大于83的元素都属于放射性元素 只有三个核素238U 232Th和235U具有足够长的半衰期 它们分别是三大天然放射性衰变系的起始核素 即铀系 4n 2系 钍系 4n系 和锕系 4n 3系 它们衰变后的终产物分别是206Pb 208Pb 207Pb 43 Uranium radium chain 44 Thoriumchain 45 Uranium actiniumchain 46 半衰期 重要参数 47 因此在放射化学中 物质的纯度不能用普通的分析化学中常用的化学纯 分析纯 光谱纯等 而必须用放射性核纯度和放化纯度来衡量放射性物质的纯度 不稳定性 48 易产生吸附 放射性核素的吸附现象 AdsorptionPhenomenaofRadionuclides 易与常量物质共沉淀 放射性核素的共沉淀现象 CoprecipitationPhenomenaofRadionuclides 易形成放射性胶体 放射性胶体 Radiocolloid 低浓度和微量性 49 除掉废水或废气中的放射性核素 进行水和空气的净化 而且 可以进行放射性核素的分析测定 但会造成损失 使研究结果不准确 放射性核素的吸附现象 定义 放射性核素从液相或气相中转移到固体物质表面的过程 该固体物质称为吸附剂 被吸附的物质称为吸附质 50 1 放射性核素的性质 2 溶液的PH值的大小 3 同一种玻璃表面处理不同 吸附能力也不同 4 不同成分的玻璃对同一核素吸附能力也不同 5 存放时间越长吸附量越多 放射性核素的吸附现象 吸附规律 51 1 加入放射性核素的稳定性同位素 反载体 NaH232PO4加入31PO4 3 可减少核素的吸附量 2 使溶液保持酸性条件或塑料瓶中 3 用硅烷等憎水剂处理 放射性核素的吸附现象 防止措施 52 被分散的物质称为分散相 容纳分散相的物质称分散介质 由放射性物质作分散相所形成的一种胶体称放射性胶体 物质以细微粒子分散于介质中而形成的一种特定的分散体系 所谓分散体系 是指一种物质以粒子的形式分散在另一种物质之中所构成的体系 放射性胶体 定义 53 1 粒子性 比分子和离子大得多 且不能透过半透膜和超细过滤介质 2 带电性 胶粒带有电荷 可产生电渗析和电泳等电迁移现象 在电解质作用下 能发生凝聚或胶溶现象 3 吸附性 由于胶粒具有发达的表面并带电 因此有很强的吸附能力 4 放射性 放射性胶体都带有放射性 5 化学分离困难 胶粒参加离子交换 同位素交换能力降低 6 与被网织 内皮细胞所吸收 易形成胶体的放射性核素对肝等损伤较大 放射性胶体 特性 54 分离制备某些放射性核素环境和生物样品中测定90Sr 由于90Sr的 射线能量弱难以测量 利用长期平衡的原理测定其半衰期短 射线能量强的子体90Y的量来间接计算出90Sr的量 因此 首先要从90Sr中分离出平衡的子体90Y 利用90Y易形成放射性胶体的性质 将90Sr同90Y进行分离 放射性胶体 应用 制备医用放射性扫描剂利用放射性胶体颗粒能被网状内皮细胞所吞噬 在人体内具有选择性蓄积的特性 将放射性核素配成胶体溶液 在临床上常用于脏器的扫描 55 常采取的措施 加强电解质 特别是酸 加络合剂 加热 改变溶剂或滤去溶剂中的杂质 由于易吸附使实验器具严重污染 造成放射性核素的损失 则使实验结果不准确 放射性胶体在体内与被网织 内皮细胞吞噬 而牢固地累积在体内 给人体带来危害 放射性胶体 消除 56 1 4放射性单位和概念 放射性活度 Radioactivity 每秒钟发生核衰变的数目 1Bq 1衰变 秒 dps 1Ci 3 7 1010 dps 2 22 1012 dpm 放射性比活度