第二章 放射性物质 §2-1 放射性的基本概念和放射性物质纯度 一、放射性的基本概念 1、放射性核素

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1 第二章 放射性物质 §2-1 放射性的基本概念和放射性物质纯度 一、放射性的基本概念 1、放射性核素
核素：具有特定的原子质量数、原子序数和核能态的一类原子 Nuclide: any atomic nucleus specified by its atomic number, mass number and energy states

2 同位素：具有相同的原子序数但质量数不同的核素
Isotope: one of two or more atoms having the same atomic number but different mass number 元素：具有相同原子序数的同一类原子 Element: refers to a pure substance with atoms all of a single kind. To the chemist, the “kind” of atom is specified by its atomic number

3 2、放射性衰变及其类型 放射性核素自发地改变核结构形成的过程称为核衰变。由于过程中总伴有带电或不带电粒子放出，所以又称为放射性衰变。
放射性衰变按其放出粒子的性质可分为： α 衰变 β-衰变 β+衰变 电子俘获 γ 衰变

4 ①α衰变：放射性核素放出α粒子的核衰变。α粒子是带两个正电荷的氦核。
例如 U —— α Th （2-1） AZX —— α + A-4 Z-2Y （2-2）

5 ②β-衰变: 放射性核素内一个中子转变为质子并放出β粒子和中微子的核衰变。 β粒子是电子，电荷=-1，质量≈0
如 Th —— 23491Pa + β + ν （2-3） AZX —— AZ+1Y + β + ν （2-4）

6 ③β+衰变: 放射性核素内一个质子转变为中子并放出β+粒子和中微子的衰变。 β+是正电子，质量≈0，电荷=+1，
通式： AZX —— AZ-1Y + β+ + ν （2-5）

7 ④电子俘获：放射性核素的核俘获核外绕行的一个电子，使核内一个质子变为中子并放出中微子的过程。
通式： AZX + e —— AZ-1Y + ν （2-6）

8 ⑤γ衰变:放射性核素从较高能态跃迁至较低能态时放出一种波长很短的电磁辐射（高能γ光子）的过程。因此γ衰变后子体核素的原子序数及质量数均无改变，但所处能态降低。

9 3、放射性衰变速率方程及放射性活度 ①速率方程：各种放射性核素衰变时，虽然放射的粒子和能量并不相同，衰变速率可能不相等，但衰变动力学都遵循一级反应，即： - dN/dt = λN （2-7） 式中： N – t时刻未衰变的核数目 dN – dt时间间隔内衰变的核数目 dN/dt – 衰变速率 λ – 衰变常数

10 半衰期T1/2: 指放射性核的数目衰变为原来一半所需的时间，显然： T1/2 = ln2/λ = 0.693/λ
设t=0, N=N0, 积分上式，得： N = N0e-λt （2-8） 表明核衰变随时间的变化服从指数定律。由（2-7）式可得： λ= - dN/N/dt 半衰期T1/2: 指放射性核的数目衰变为原来一半所需的时间，显然： T1/2 = ln2/λ = 0.693/λ λ = ln2/T1/2 = 0.693/T1/2 （2-9）

11 ② 放射性活度 可见，放射性活度随时间的变化也服从指数定律
放射性衰变速率(-dN/dt)是表示核素放射性强弱的基本物理量，通常称放射性活度。一般用A表示： A = -dN/dt = λN （2-10） 将(2-8)式代入，得： A = λN0e-λt （2-11） 令A0=λN0代表t=0时的放射性活度，则： A = A0e-λt （2-12） 可见，放射性活度随时间的变化也服从指数定律

12 ③放射性活度的计量单位 放射性活度的法定计量单位是贝可勒尔(Becquerel)，简称贝可。1贝可等于放射性核素在1秒钟发生一次衰变。
1Bq = 1 s-1 可见贝可这个单位很小。常用KBq, MBq等 早期单位是居里(Ci)，他表示放射性核素1秒钟衰变3.7×1010次。即： 1Ci = 3.7×1010Bq 居里(Ci)这个单位很大，常用mCi, µCi等表示

13 二、放射性物质的纯度 1、物质的纯度：指处于特定化学状态的该物质的重量占产品总重量的百分数。
2、放射性纯度：某核素的放射性活度占样品总放射性活度的百分数。 区别：放射性纯度只考虑放射性杂质对某放射性核素样品的沾污，而不考虑非放射性物质的沾污。 例如：89Sr样品的放射性纯度98%，指除了89Sr以外的90Sr, 137Cs等杂质的放射性活度仅占2%，稳定Sr和其它稳定核素杂质的含量是多少与放射性纯度无关。

14 3、放射化学纯度：样品总放射性活度中，处于特定化学状态的放射性活度所占的百分数。
例如：32P-磷酸二氢钠溶液(NaH232PO4)的放射化学纯度大于99%，是指以NaH232PO4 状态存在下的32P的放射性活度占产品总放射性活度的99%以上，而以其他化学状态存在的32P放射性活度占1%以下。 4、放射性比活度：通常用单位质量（或每摩尔）样品中所含某核素的放射性活度表示。其单位是： Bq/g, Bq/mol. 液体放射性样品，通常用放射性浓度表示，指单位体积样品中所含某核素的放射性活度。Bq/mL.

15 §2-2 天然放射性核素 一、原生放射性核素 从地球形成开始，迄今仍存在于地壳中的放射性核素。包括两类核素，一类是天然衰变系的成员。另一类是长寿命独立存在的天然放射性核素。 1、三个天然衰变系 铀系：238U —— 206Pb (4n+2系) 钍系：232Th —— 208Pb (4n系) 锕系：235U —— 207Pb (4n+3系)

16 ①各自具有一个长寿命的母体，其寿命大于或接近地球年龄。 ②最终产物都是铅的稳定同位素。 ③中间形成稀有气体元素氡。
三个天然衰变系的共同特点 ①各自具有一个长寿命的母体，其寿命大于或接近地球年龄。 ②最终产物都是铅的稳定同位素。 ③中间形成稀有气体元素氡。 ④氡衰变后生成的产物都是一些金属元素的放射性同位素，它们沉淀在与氡相接触的物体表面，通常称它们为放射性淀质。

17 某些较轻元素的放射性同位素，不包括在三个天然衰变系之内。这些核素放射性较弱，寿命较长。见表2-2。
2、长寿命独立存在的原生放射性核素 某些较轻元素的放射性同位素，不包括在三个天然衰变系之内。这些核素放射性较弱，寿命较长。见表2-2。

18 二、宇生放射性核素：宇宙中不断发生的天然核反应生成的放射性核素。来源有三：
1、宇宙射线引起的核反应产物 宇宙射线（主要是质子、α粒子、少量重粒子）撞击大气中的氧和氮原子核，使其分裂而产生高能中子、质子、氘和氚等。 147N(n,p)146C N(n，T)126C 21H(n,γ)31H He(n,p)31H 某些重要产物在大气中的产生速度与含量见表2-3。

19 2、地壳中天然放射性引起的核反应产物 地壳中的天然放射性核素放出的α粒子和γ射线也可引起核反应，而生成新的放射性核素。例如： 19F(α,n)22Na 18O(α,n)21Ne Be(α,n)12C 由核自发裂变产生的中子和其它天然核反应产生的中子几乎可以和所有的核素发生(n,γ),(n,2n),(n,p)或(n, α)核反应而得到新的放射性核素。 反应通式：A1Z1X + A2Z2a – A3Z3b + A4Z4Y A1Z1X(a, b)A4Z4Y 举例见P15.

20 3、铀核自发裂变的产物 由于铀的自发裂变，产生了原子序数在30至65之间的200多种放射性核素，其中重要的集中高产额核素是：90Sr(19.9a), 99Tc(2.12×105a), 137Cs(33a) 和147Pm(2.26a)

21 §2-3 人工放射性核素 周期表中绝大多数元素的放射性核素是人工放射性核素。它们有三种产生方式： 一、由反应堆制备 二、由加速器生产
三、核燃料后处理厂提取铀的裂变产物

22 一、由反应堆制备 反应堆提供的高通量中子流（主要是热中子）同靶核发生(n,γ), (n, p), (n, α), (n, 2n) 和(n, f)等各种核反应。其中热中子的(n, γ)反应截面比较高，所以采用(n, γ)反应是反应堆生产放射性核素的主要方式。

23 1、通过(n, γ)反应生产放射性核素的特点 除He以外，周期表中几乎所有元素均能与热中子发生(n, γ)反应。
核反应截面高，特别是重核都有较高的反映截面。一般在10-103σ范围内。1σ=10-28米2。 核反应比较单一，绝大多数核都是进行(n, γ)反应，对(n, p), (n,α)反应的几率可以忽略。 中子穿透力强，对引起(n, γ)反应的中子能量要求不十分严格，所以靶子的形状和厚度等方面的要求较低。 (n, γ)反应后的靶核和生成核之间，△M=1, △Z=0, 所以制备的放射性核素均含有其稳定同位素载体。难以制备无载体和高比活度的放射性核素产品。 由于多数元素都能发生(n, γ)反应，且反应截面又高，所以对靶子的纯度要求就高，靶子中的同位素和非同位素杂质都会影响产品的放射性纯度。

24 2、对靶子物的要求 靶子物：生产放射性核素时，反应堆中受照射的物质
选择靶子元素含量最高的化合物，最好是单质。如果靶子物是金属元素，常用氧化物或碳酸盐；如果是非金属，常用它们的钾盐。特殊情况，用富集靶，以便得到高比活度，高放射化学纯度的产品。 靶子物要有较高的纯度，特别是不能含有热中子截面大的杂质（如B和Cd等）。 照射后易于化学处理。 靶子物应有较好的辐照稳定性和热稳定性，在反应堆强辐射场中不分解，不生成有害于反应堆的气体和毒物。

25 3、其它核反应 除了(n, γ)反应以外，少数轻核可发生(n, α)和(n, p)反应得到放射性核素，重要反应有：
6Li(n,α)3H S(n, p)32P 14N(n, p)14C Cl(n, p)35S 40Ca(n, α)37Ar 这五个核反应只有前两个可以由慢中子引起，其余都必须由快中子引起。与(n, γ)反应相比，其优点是产品核素与靶子核素是不同的，可制备无载体放射性核素产品。

26 二、由加速器生产放射性核素 1945年以前，带电粒子加速器是生产放射性核素的重要设施。1945年以后，主要用反应堆生产放射性核素。上世纪60年代以后，由于对各种特殊性能放射性核素的需要以及加速器技术的发展，由加速器生产短寿命、缺中子的医用放射性核素又受到重视。 与反应堆生产相比，加速器生产放射性核素技术上更困难，价格更昂贵，规模更小。但 可以生产无载体，高比活度及某些不能用反应堆生产的缺中子、短寿命的医用放射性核素。

27 三、从核燃料后处理厂提取铀核裂变产物 铀核裂变产物多达200多种。 大多数裂变产物寿命短、产额低，难以提取。 某些重要产物见表2-4

28 §2-4 人工放射性元素 放射性元素：指该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鉴定、命名，没有稳定同位素的元素。周期表中： 元素名称 符号 英文名 原子序数 锝 Tc Technetium 钷 Pm Promethium 砹 At Astatine 超铀元素 TrU Transuranium ≥93

29 一、锝 Tc Technetium 希腊语 “人造”
制备： 9442Mo(d, n)9543Tc 年 C.Perrier 佩里尔 回旋加速器 有19种同位素，8种同质异能素 重要同位素：99Tc, 99mTc 用途：耐腐蚀材料 锝合金低温时是超导体 99Tc 是纯β发射体，能量低，0.292Mev,放射性比活度小，半衰期长（2.12×105年），可制备标准源。 99mTc发射低能γ射线，医学上用于诊断甲状腺和肾脏疾病。

30 二、钷 Pm Promethium 普罗米修斯（希腊神话中的火神）
发现： 1945年 Jacob Marinsky 等从铀核裂变产物中分离得到。 17种同位素， 4种同质异能素 重要核素：147Pm 只发射0.225Mev的β射线，半衰期长（2.26年），可作为软β辐射源用于密度计等制造。

31 三、砹 At Astatine 希腊语“不稳定”
发现： 1940年 D.Corson 考尔松等在回旋加速器上得到，反应为： 209Bi(α,2n)211At 24种放射性同位素，4种同质异能素。 半衰期最长者为：210At 8.3小时 由于寿命短，对其研究有局限性

32 四、超铀元素 原子序数 元素名称 符号 发现者 发现时间 89 Actinium 锕 Ac A. Debierne 1899年
原子序数 元素名称 符号 发现者 发现时间 Actinium 锕 Ac A. Debierne 年 Thorium 钍 Th J.J.Berzelius Protactinium 镤 Pa K.fajans Uranium 铀 U M.H.Klaproth Neptunium 镎 Np E.M.Mcmillian Plutonium 钚 Pu G.T.Seaberg Americium 镅 Am Curium 锔 Cm Berkelium 锫 Bk S.G.Thompson等 Californium 锎 Cf Einsteinium 锿 Es A.Ghioso 等 Fermium 镄 Fm Mendelevium 钔 Md Nobelium 锘 No Lawrencium 铹 Lr

33 §2-5 环境放射性 一、环境中天然放射性的来源 1、宇宙射线 发现于1910年，是来自宇宙空间的高能辐射。包括 初级宇宙射线 次级宇宙射线
1、宇宙射线 发现于1910年，是来自宇宙空间的高能辐射。包括 初级宇宙射线 次级宇宙射线 2、宇生放射性核素 3、原生放射性核素

34 二、环境中放射性的人工来源 1、核燃料循环 采矿-水冶-精制-元件制造-核反应堆辐照-辐照后核燃料后处理-放射性废物处理处置
2、核爆炸 核武器：原子弹 氢弹 3、其它环境放射性的人工来源 放射性核素的应用 各种各样 燃煤电厂排放 U、Th、Ra、K 磷酸盐矿的开发 U、Th及其子体 地热开发过程 Rn

35 三、核废料的处理和环境保护 目的：将放射性废物与生物环境永久隔离，避免对人类产生放射性危害，以使得放射性废物中所含有的放射性核素衰变到无害水平以前不给当代和后代人类造成不可接受的环境影响。

36 §2-6 放射性核素的化学状态 一、放射性核素在溶液中的状态和行为
1、形成胶体：在低浓度溶液中，放射性核素可以以真溶液状态存在，也可以胶体状态存在。在浓度为10-9M的溶液中，很多金属元素都有可能形成胶体。 2、放射性胶体的类型 真胶体：微量放射性核素在生成难溶化合物时，不足以形成沉淀，而形成直径为10-9m数量级的聚集体，这些聚集体形成放射性真胶体。 假胶体：溶液中的放射性核素吸附在杂质胶粒上而形成的胶体。 生成条件不同，同一种放射性核素在某些情况下处于真胶体状态，另一些情况下处于假胶体状态。有时可以两种胶体同时并存。

37 3、影响放射性胶体形成的因素 放射性核素形成难溶物的能力 生成难溶水解产物或其他难溶化合物的趋势越大，则越有利于放射性胶体的形成。
溶液的酸度 高价阳离子在溶液中的pH升高到一定值时，形成胶体。各种元素开始形成胶体的pH值大致如下：第Ⅲ族：pH≈7; 第Ⅳ、Ⅵ族：pH≈4-5; 第Ⅴ族：pH≈1-2. 杂质粒子的影响：溶液中悬浮物尘土、SiO2、Fe2O3等吸附放射性核素形成假胶体。影响显著。 溶液性质：溶液中存在的电解质能影响胶体粒子的双电层结构和胶体性质，同时影响胶体生成量。

38 二、放射性物质在气相中的状态和行为 1、存在状态：气相中放射性核素可以以分子状态存在，也可以以气溶胶状态存在。
放射性气溶胶：放射性核素以极小微粒(1-100nm)形式分散在空气中而形成的聚集体。 2、气溶胶的两种生成方式： （1）、由放射性核素分子或原子形成聚集体悬浮于空气中而形成。 （2）、放射性核素吸附在气体杂质微粒上而形成。 3、气溶胶的特性： （1）因衰变，随时间增长而减小。 （2）具有强的电离效应，引起体内水分子或其他分子发生电离，从而引起生物效应造成损伤。必须防护（静电离子布制口罩）。