核化学与放射化学复习-丁艺.ppt

核化学与放射化学 复习 放射化学 研究放射性物质 及与原子核转变过程相关的化学问题的化学分支学科 1 放射性 在涉及放化操作的整个过程中 放射性一直存在 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 2 不稳定性 由于放射性物质总是在不断地衰变 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 3 微量性 放射性物质的量通常都比较小 g 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 放射化学的特点 同位素 质子数相同 中子数不同的两个或多个核素 同质异能素 处于不同的能量状态且其寿命可以用仪器测量的同一种原子核 质量亏损 组成原子核的Z个质子和 A Z 个中子的质量和与该原子核的质量m Z A 之差称为质量亏损 用 m Z A 表示 m Z A Zmp A Z mn m Z A ZMH A Z mn M Z A 质量过剩 Massexcess 以原子质量单位表示的原子质量M Z A 与原子核的质量数A之差称为质量过剩 用 表示 M Z A A B Z A m Z A c2 原子核的结合能 由Z个质子和N个中子结合成质量数为A Z N的原子核时 所释放的能量称为该原子核的结合能 以B Z A 表示 比结合能 原子核结合能对其中所有核子的平均值亦即若把原子核全部拆成自由核子 平均对每个核子所要添加的能量 用于表示原子核结合松紧程度 将结合能B Z A 除以核子数A 所得的商 10 半衰期 放射性原子核的数目因衰变减小到原来核数的一半所需要的时间 表示方法 放射性衰变服从指数衰减规律 式中 N0为t 0时母体同位素的原子数 N为时间t时存在的母体同位素的原子数 e为自然底数 e 2 71828 为衰变常数 它表示一个放射性原子核在单位时间内衰变的概率 11 放射性活度及其单位 单位 贝可勒尔 Bq 1Bq 每秒1次核衰变居里 Ci 1Ci 3 7 1010次衰变 s 放射性活度是指单位时间发生衰变的原子核数目 而不是放射源发出的粒子数目 放射性平衡 在递次衰变中 如果母体的半衰期比任何一代子体都长 从纯母体出发 经过足够长 5 10倍于最长子体半衰期 时间以后 母体的原子数 或放射性活度 与子体的原子数 或放射性活度 之比不随时间变化 称在该母子体之间达到了放射性平衡 又称久期平衡 暂时平衡 某种放射性核素母体按自身的衰变规律产生子体核素 若母体的半衰期在有限程度上长于子体的半衰期 在经过一定的衰变期以后 子体核素的原子数以一种固定的比值与母体原子数建立平衡的现象就是暂时平衡T1 T2 1 2 长期平衡 当母体的半衰期T1很长时 在通常的测量时间内 观察不到母体的放射性活度的变化 称为长期平衡T1 T2 1 2 不成平衡 当母体的半衰期T1小于子体的半衰期T2时 或者 1 2 母体以自己的半衰期衰减 子体则从零开始生长 达到极大值后以慢于母体的速度衰减 待时间足够长 t 7 10 T1 母体衰变殆尽 子体以其自身的半衰期衰减 整个过程母 子体的放射性活度之比一直在变化 不存在任何放射性平衡称为长期平衡 T1 T2 1 2 长期平衡 T1 T2 1 2例 有一铀矿样品 测得其中含238U1g 含226Ra3 59 10 7g 问该矿石中铀与镭是否平衡 放射性衰变类型 根据原子核中放出的射线的种类 可将放射性衰变分为以下几种类型 1 衰变 衰变时 放射性母体同位素 X 放出 粒子 实际为氦原子核 而转变为另一个新的子体核素 Y 衰变是指原子核自发地放射出 粒子 电子或正电子 或俘获一个轨道电子而发生的核内核子之间相互转化的过程 原子核从核外的电子壳层中俘获一个轨道电子的过程称轨道电子俘获 Electroncapturedecay EC ore K俘获 L俘获 2 衰变 3 衰变 衰变是指从原子核内部放出的一种电磁辐射 它一般是伴随着 或 衰变产生的 原子核通过 衰变从能量较高的激发状态跃迁到较低能量状态 基态 4 电子俘获衰变 EC 原子核从核外电子壳层中俘获电子而发生的放射性衰变叫电子俘获衰变 母体通过从核外俘获电子而使核内的一个质子转变为中子和中微子 放射性衰变规律 放射性同位素不管其衰变方式如何 它们的数量随时间的减小都服从于指数定律 N N0e t 式中 N0为t 0时母体同位素的原子数 N为时间t时存在的母体同位素的原子数 e为自然底数 e 2 71828 为衰变常数 它表示一个放射性原子核在单位时间内衰变的概率 放射性衰变系列 在已知的天然放射性同位素中 原子序数大于82的放射性同位素可组成三个天然放射性衰变系列 根据其母体同位素 可分别称为238U衰变系列 铀系 235U 锕铀系 和232Th 钍系 人工放射性同位素发展后 又发现237Np衰变系列 镎系 它们的基本特征是 在同一个衰变系列中 母体与子体同位素的原子量之差为4的倍数 原子核反应入射粒子 或原子核 与原子核 靶核 碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程 原子核衰变原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程 核反应的一般表达式 A为靶核 a为入射粒子 B为剩余核 b1 b2 为出射粒子 或 对于出射粒子为一个的情况 二体反应 或 三体反应 出射粒子为两个的情况 核反应能Q 对核反应 静止质量 相应动能 由能量守恒 反应能Q定义为 Q 0为放能反应 Q 0为吸能反应 核反应阈能 核反应中 若为吸能反应 这时核反应能Q 0 需要提供能量核反应才能进行 提供方式是由入射粒子携带 我们将能使核反应发生的最小入射粒子动能定义为 核反应阈能 以表示 粒子加速器 particleaccelerator 是一种用人工方法产生高速带电粒子的装置 核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应或核聚变反应 从而实现核能 热能转换的装置 从能量的产生方式看 核反应堆可以分成裂变反应堆和聚变反应堆两大类 目前世界上有大小反应堆上千座 绝大多数属于裂变反应堆 而聚变反应堆由于技术原因 尚处于发展过程中 放射性核素Radioactiveisotope 能发生放射性衰变的核素 放射性核素按其来源有天然放射性核素和人工核素之分载体Carrier 载体 是以适当的数量载带某种微量物质共同参与某化学或物理过程的另一种物质载体与被载带物具有相同的化学行为 最终能与放射性物质一起被分离出来 载体有两类 同位素载体 非同位素载体同位素载体 载体是微量物质的同位素分离89Sr 90Sr用SrCl2 137Cs用CsCl 131I用127I 3H用1H等非同位素载体 载体不是微量物质的同位素分离226Ra加入Ba 147Pm钷 Nd NO3 3 99Tc NH4ReO4 放射性核素纯度 Radionuclidepurity 放射性核素纯度也称放射性纯度 指在含有某种特定放射性核素的物质中 该核素的放射性活度对物质中总放射性活度的比值 该物质中可能有多种放射性核素 放射性核素纯度只与其中放射性杂质的量有关 而与非放射性杂质的量无关 放射化学纯度 Radiochemicalpurity 简称放化纯度 指在一种放射性样品中 以某种特定的化学形态存在的放射性核素占总的该放射性核素的百分数 该物质中可能有多种放射性核素 只针对某一种放射性核素而言 比活度 Specificactivity 也称为比放射性 指放射源的放射性活度与其质量之比 即单位质量 通常用重量表示 产品中所含某种核素的放射性活度式中 A mA分别是物质中某种放射性核素化合物的放射性活度及其质量 m是该物质中稳定核素化合物的质量通常情况下 m mA 则 对于无载体的纯放射性核素设系数K 6 02 1023 0 693S0该放射性核素的一个特征常数 单位为Bq gk值 S 60 min 60 h 24 d 365 a 共沉淀法此法是放射化学分离中应用最早的一种分离方法 对微量的放射性物质而言 是一种分离和富集放射性核素的有效手段 定义当溶液中引入某种常量物质 并使之形成沉淀时 微量放射性核素能随常量物质一起自溶液转入沉淀物中的现象 共沉淀机制 形成混晶 表面吸附 生成化合物 1 形成混晶例子 BaSo4 RaSO4混晶 微量组分Ra取代一小部分BaSo4晶格上的Ba的位置 微量组分在常量组分沉淀中分配服从均匀分配定律 也可服从对数分配定律 式中 a x 微量组分在体系和晶体中的量 b y 常量组分在体系和晶体中的量 D 分离系数和对数分配系数影响共沉淀的因素有 温度 液相组成 固相组成及溶剂等 2 表面吸附最常用吸附剂是无定型的氢氧化铁 常用 Fe OH 3 Al OH 3等氢氧化物 PbS等硫化物 磷酸钛 磷酸钙等磷酸盐 硫酸盐 卤化物及草酸等 吸附的效率影响因素 微量组分形成的化合物的溶解度 溶解度愈小 越容易被吸附 无定型沉淀表面所带电荷符号及数量 当微量组分所带电荷符号与沉淀的相反时 吸附量大 因此pH及其他电解质的存在将有较大影响 吸附剂表面积的大小 表面积越大 吸附量越大与形成混晶相比 表面吸附共沉淀的选择性要差得多 3 生成化合物主要是指用有机沉淀剂时 生成化合物 主要指生成螯合物及离子缔合物生成螯合物 在不同pH下 1 硝基 2 萘酚可以载带60Co 59Fe 237Pu等离子缔合物 金属离子与中性络合剂或阴离子配体形成络合离子后 可以与相对分子量较大的具有相反电荷的有机沉淀剂生成难溶的离子缔合物 从而使微量的金属离子被载带下来 常用的有机沉淀剂 甲基紫 次甲基蓝 罗丹明B等 如 在氯化物溶液中 In3 以InCl4 配阴离子存在 次甲基蓝可使In3 共沉淀 溶剂萃取法 1 概述溶剂萃取法又叫液 液萃取法 利用化合物在两种互不相溶 或微溶 的溶剂中溶解度或分配系数的不同 使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中 将绝大部分的化合物提取出来 放射性核素分离的常用的方法之一 TBP磷酸三丁酯萃取铀 优点 方法简便 分离速度快 适用于短寿命放射性核素的分离 选择性好 回收率高 可用于制备无载体的源 设备简单 操作方便 易于自动化 可供选择的萃取