1、第第9章章 放射性核素的制备放射性核素的制备及其应用及其应用 随着核反应堆、加速器等核设施的迅速发展，放射性核获得就容易得多，放射性核素在工业、农业、国防、环保和医药等领域得到了广泛的应用。到目前为止已被利用的放射性核素有200余种，放射性标记化合物已达到数千种。国防上的应用：核武器、核潜艇的燃料元件等；工业上的应用：各种放射源，各种放射性检测、控制仪表等；农业上的应用：辐射育种，辐射灭虫、辐射保鲜等；医学上的应用：诊断，治疗、辐射灭菌等；在生物学、地质学、海洋学、考古学、法医学等领域中也有很多的应用。9.1 放射性核素的制备 迄今为止已发现的放射性核素有2800种，其中常用的有200多种。它
2、们分为两大类：天然放射性核素，238U、232Th、226Ra、210Po。人工放射性核素，通过反应堆、加速器进行核反应，乏燃料后处理等，239Pu、239Np、131I等。（1）反应堆生产放射性核素 反应堆是一种强大的中子源，其中子通量一般为10101013cm-2s-1，可通过反应堆的(n,)、(n,p)、(n,f)及(n,)反应和次级核反应来生产放射性核素。(n,)、(n,p)反应所需中子的能量较高，在热中子反应堆中，反应的截面都很小，仅少数几种轻元素（6Li、14N、32S、35Cl）可发生这类反应。由于这两种反应的产核与靶核分属不同的元素，故可用化学分离方法制得无载体的放射性核素。3
3、2S(n,p)32P；6Li(n,)3H。(n,f)反应。裂变反应，可产生大量的裂变产物，是放射性核素的重要来源之一，如233U、235U、239Pu 的裂变反应，所生成的放射性核素达500种以上。(n,)反应生产放射性核素具有产额高成本低等优点而被广泛采用。产核和靶核是同位素而难以用化学方法分离，因而产品的比活度受到限制。（2）加速器生产放射性核素 加速器有回旋加速器、静电加速器、高压加速器、直线加速器等。用回旋加速器由于能量适中，流量足够而被常用，可加速p，d，15N和18O等粒子，加速的粒子轰击靶可引起(p,n)、(p,)、(d,n)、(d,2n)、(d,)、(,n)、(,2n)等核反应
4、。加速器生产放射性核素有以下特点：核反应的产核和靶核一般是不同的元素，因此可用化学法分离，从而获得放射性纯度和比活度都很高的放射性核素；可生产反应堆不能生产的缺中子放射性核素，其衰变多为EC或发射正电子，用于医疗诊断；由于(n,)反应截面低，反应堆无法生产碳、氮、氧等轻元素，即使能生产，其半衰期不是太长（14C：5730a），就是太短（19O：26.9s），不适合于医用。而加速器能方便产生11C、13N等核素。与反应堆相比,加速器的投资少，运行和管理方便，但生量低，成本高，制靶过程复杂，一般只在下列情况下来弥补反应堆的不足：1）当用反应堆不能产生出比活度高的放射性核；2）当反应堆不能产生出符合
5、使用要求的某种放射性核素；3）当远离反应堆的地方需要短半衰期放射性核素；4）当对某种核素需要量少，反应堆生产较方便。（3）从乏燃料后处理中提取放射性核素 反应堆乏燃料是提取放射性核素的重要原料。这些放射性核素都集中在后处理厂的高放废液和废气中。裂片元素：超铀元素。一个1000MW的核电站产生：乏燃料：30t/a；Pu：0.27t/a；U：28.6t/a；裂变产物：1.13t/a。（4）制备放射性核素的其他方法 1）放射性核素发生器，是一种可以定期从放射性母体核素中分离出放射性子体核素的装置，其母体核素的半衰期较长，子体核素半衰期较短，母体与子体易达到平衡；2）用放射性同位素中子源照射来获得微量
6、的放射性核素；3）用热核中子闪曝合成超铀元素。9.2 放射性核素示踪法（1）放射性核素示踪法的一般原理及特点原理：是利用放射性核素作为示踪原子，通过放射性的测量以显示其存在的位置、数时及其转变过程，从而跟踪观察研究对象的运动变化情况。特点：灵敏度高，检测限可达10-1510-13g；测量方法简便；能揭示原子、分子的运动规律及其他方法难以发现的规律。（2）放射性核素示踪法1）简单示踪法 将放射性核素机械地结合或附着于研究对象上，然后通过探测放射性来观察研究对象的运动情况。2）物理混合示踪法 将放射性核素与研究对象充分进行物理混合，然后通过测量放射性活度的变化来弄清研究对象的行为和质性。如稀释测定
7、法。3）标记化合物示踪法 根据放射性核素与其稳定同位素除了同位素效应外在化学和生物学性质上完全相同的前提下，利用放射性标记化合物对同类化合物进行示踪。（3）放射性示踪剂的选择 从实验目的和实验财周期长短来考虑放射性示踪核素的半衰期；辐射类型和能量，用作示踪剂的主要是和放射性核素；比活度，放射性示踪剂的比活度必须足够高，要求测量时样品中的活度至少大于本底计数率标准偏差的3倍。9.3 放射性核素在医学、生物学中的应用（1）放射性药物及其应用 放射性药物是指在医学上使用的含有放射性核素的化合物或生物物质的统称。根据其临床应用的目的不同可分为两类：1）治疗用放射性药物；2）诊断用放射性药物。放射性药物
8、除了符合药物的一般要求外，还需满足以下放射性药物除了符合药物的一般要求外，还需满足以下要求要求：放射性核素及其衰变产物应对机体基本无害，且容易从体内廓清；半衰期较短，减少对机体的辐射损伤；有较高的化学纯度，放射性纯度和放化纯度，减少毒副作用；有适宜于探测的射线，一般为射线，能量在100300keV；有适宜的比活度。（2）放射免疫技术 放射免疫包括放射免疫分析法(RIA)、放射免疫显像(RII)和放射免疫治疗(RIT)。1）放射免疫分析法是将免疫反应与放射性核素示踪技术相结合的一种体外测定方法。原理：利用放射性核素标记的抗原(*Ag)和试样中的非标记抗原(Ag)在与特异抗体(Ab)结合成抗原-抗
9、体复合物(*Ag-Ab和Ag-Ab)的过程中，两者发生竞争性反应：当*Ag和Ab的量固定时，若样品中的Ag（待测物质）的含量增高，则*Ag被稀释的程度就增加，*Ag-Ab和后成量就减少。只要将未结合的*Ag与*Ag-Ab分离，并分别测定它们的活度，即可从*Ag-Ab的结合百分率与Ag浓度的标准竞争曲线上出样品中Ag的含量。2)放射免疫显像和放射免疫治疗 是利用放射性核素标记的McAb具有特异的免疫反应，可定位到某种肿瘤上，从而可将其作为诊断和治疗癌症的一种有交方法。人源化的McAb替代鼠性的McAb；99Tcm、111In替代131I。使此两项技术得到快速发展。（3）自放射显影技术 自放射显影
10、技术是从本上个世纪20年代初开始发展起来的一种测定放射性示踪核素的方法，它利用放射性物质产生的射线使核乳胶感光，根据其感光的部位及强度来记录、检查和测量样品中放射性物质的分布和数量。我国著名科学家钱三强、何泽慧等人就是利用核乳胶技术发现了重原子核的三分裂与四分裂现象。9.4 放射性核素在其它领域中的应用（1）放射性同位素在化学研究中的应用 在化学研究中，通过追踪同位素标记原子在化学过程中的运动、分配和转移情况来辨别物质运动、分配和转变的规律。主要用于以下几方面：对分子重排反应机理研究；对反应动力学研究；应用于一些物理化学常数的测定，如平衡常数、分配系数、微溶物质溶解度、难挥发物质蒸汽压、晶体比
11、表面等的测定。（2）放射性同位素在工业中的应用 放射性同位素在工业中有着广泛的应用，它已应用于化工、冶金、石油等领域。化工：放射性同位素可用作辐射加工、示踪剂；冶金：研究非金属杂质的来源、金属凝固过程等及活化分析一些金属含量；石油；中子测井技术等；利用放射性同位素还可制成各种检测和控制仪表。9.5放射分析技术及其应用（1）同位素稀释法 同位素稀释分析法是将待测元素与放射性同位素示踪剂充分混合，然后分离出一部分纯净待测样品，测其比活度，由比活度的变化来算出待测元素的含量。这种方法常用来测定不易分离的组份的含量。有正稀释法、反稀释法及亚化学计量稀释法。1）正稀释法 也称直接稀释法。它是将一种比活度
12、和质量已知的放射性核素或其标记化合物作为标准物加到含该放射性核素的稳定同位素或其化合物的待测物中，混合均匀后分离提出其中的一部分，然后测其比活度。mx=m0(s0/sd-1)M0、mx分别为引入的标准物和待测物的质量；s0、sd分别为标准物和稀释后化合物的比活度。当mx M0时，xdmmsms000dxsmsm002）反稀释法 是将一种质量为M0的稳定同位素加到含有其放射性同位素（比活度为s0）的待测样品之中，混合均匀后分离提纯一部分化合物，再测其比活度sd，并由此计算出待测样品中原有的放射性同位素的质量mx：ddxsssmm00dxxsmmsm00例 用反稀释法稀释含137Cs的待测样品，已
13、知137Cs的T1/2为30.17a，K值为1.321016，将质量为10mg铯稳定同位素加到待测样品中，混合均匀后分离提纯一部分混合物，测其比活度 ，则待测样品中的137Cs的质量为多少mg？mgBqsd91019.1解：mgBqgBqMTks9121601019.31019.317.301371032.1mgm100mgBqsd91019.1dxxsmmsm00mgmx95.51019.119.31019.110993）亚化学计量稀释法 反应式：A+BAB 式中，A为被分离或分析的对象，B是为了分离或分析而加入的试剂。当B试剂相对于A来说化学计量不足时（A B），即为亚化学计量。使用该方法
14、做为定量分析方法,要满足两个条件：1 分离试剂必须定量地消耗在所测定的元素上；2 必须采用某种分离方法使被测元素的已经反应部分与尚未反应部分分离开来。对于放射分析来说，亚化学计量稀释法即用少于化学计算量的两份相等的分离试剂，分别从放射性标准物溶液和从经过同位素稀释后样品溶液中分离出质量相等的化合物，这样它们的比活度之比 就等于其活度之比 ，则9.2式就可改为：同位素稀释法的最大优点是不需定量分离被测物，这可避免在分离提纯过程中由于化合物的回收率低而造成的误差。dss0dAA0100dxAAmm 例题：用亚化学计量进行测定时，已知引入标准物的质量为30.0mg，从放射性标准溶液中和从经同位素稀释
15、后的样品中分离提纯的化合物的放射性计数分别为1200和60cpm，求待测物的质量为多少？解：M0=30.0mg,mx=m0(A0/Ad-1)=30.0(1200/60-1)=570.0mgddcpmcpmAAEcpmdpmAEdpmcpm00%6060%（2）活化分析法 是经过核反应，把原来没有放射性或放射性不易被测量的样品中的被测核素变成具有特征放射性的产物，然后可以通过测定其射线能量和半衰期进行定性鉴定，通过测定射线强度作定量分析。分两步分两步：活化：将含待测核素的样品经n，p，d，或等粒子或射线的照射，发生核反应，使其转化为适宜于射线测量的放射性核素；分析：常采用相对法来测定样品中微量核
16、素的含量，即将标准样品和待测样品在相同条件下进行照射，化学处理和放射性测量，然后按下式进行计算：sxsxNNmm1）中子活化分析 测量中子与样品中待测核素发生核反应所产生的放射性核素来测定该核素含量的一种方法。常用的有热中子活化分析（以反应堆为中子源，利用(n,)反应对核素进行活化）快中子活化分析(以同位素中子源、中子发生器和加速器为活化源，利用(n,p)、(n,)、(n,2n)等核反应进行活化)。2）带电粒子活化分析 测量带电粒子与样品中待测核素发生核反应所产生的放射性核素来测定元素含量的一种方法。3）活化分析的应用 活化分析已成功地应用于生命科学。用于测量微量元素等。（3）X射线荧光分析法
17、 有波长色散和能量色散两种方式。能量色散X射线荧光分析法是利用一定能量的粒子使样品中待测元素的原子激发，并发出特征X射线荧光，然后根据不同元素发出特征X射线的能量不同，且元素的含量与X射线强度在一定条件下成正比的原理，通过X射线谱仪测量其能谱和强度，可确定待测元素的种类和含量。例 在活化分析中，含微量氯的物质在1012中子/（cm2s）通量密度下辐照5h，辐照结束5h后，测得38Cl的活度为2.33104Bq，则LiCl中氯含量为多少g？已知其核反应式为：，38Cl的半衰期T1/2为37.2min，37Cl的丰度H为24.23%，氯的平均分子量 为35.453，阿佛加德罗常数L=6.021023/mol,ln2=0.693，反应截面为0.43b，1 b=10-24 cm2。ClMClnCl3837,解：已知 =1012中子/（cm2s），=0.43b，辐照时间t=5h，冷却时间t=5h，阿佛加德罗常数L=6.021023/mol，丰度H=24.23%，半衰期T1/2=37.2min，=35.453。求氯的质量mm=3.5510-3gClMttClCleeMmHLA16052.37693.06052.37693.012242341453.35101043.01002.62423.01033.2eem
