第二章核衰变

第二章核转变核衰变定义：原子序数很高的重核，他们的核不稳定，会自发的放出射线，变成另一种元素的原子核哪些核不稳定呢？根据核内质子数和中子数的奇偶性，偶偶核最稳定，稳定核素最多，其次是偶奇核和奇偶核，而奇奇核最不稳定（仅有四种稳定核：2H、6Li、10B、14N），稳定核素最少。核衰变过程遵守电荷、质量、能量、动量和核子数守恒定律第一节放射性核素衰变类型1.α衰变2.β衰变3.γ衰变和内转换一、衰变定义质量数A209的重核发射α粒子后，变为质量数A值较低的原子核α粒子是氦核He42•α衰变过程可写成：QHeYXAZAZ4242QRnRa2228622688子核比母核质量数少4，质子数少2Pu的衰变图二、β衰变定义：一种核自发的变成另外一种核，其质量数A保持不变，而原子序数Z在元素周期表中向前或后移1个位置。分类：β-衰变β+衰变电子俘获（一）β-衰变定义由母核放出β-射线（负电子）的一种衰变子核比母核质量数相等，质子数多1QYXAZAZ~1QSP~32163215实例实质-母核的一个中子释放负电子转变为质子衰变定义放射元素放射粒子（正电子）后，转变为原子序数减去1的另一个原子核。QvYXAZAZ1子核比母核质量数相等，质子数少1QvCN136137enHnp011011实例实质-母核的质子释放一个正电子转变为中子电子俘获定义原子核俘获核外电子，使核内的一个质子变为一个中子，电荷数变为Z-l多为K电子俘获QvYXAZAZ1子核比母核质量数相等，质子数少1QvMnFe55255526neHnep100111或实例实质-母核的质子得到一个壳层电子转化为中子三、γ衰变和内转换γ衰变定义α和β衰变后的子核大部分处于激发态，并以γ射线的形式释放能量，跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁叫γ衰变在核医学中使用的60Co(钴)、99mTc(锝)等放射源均有β和γ射线发射内转换定义处于激发态的原子核由激发态回到基态时，把全部能量交给核外电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这一过程叫内转换发射的电子叫内转换电子总结激发态原子核的能量以γ形式释放-γ衰变传递给核外电子-内转换习题见P37思考题的12第二节原子核的衰变规律一、衰变规律1.衰变常数2.半衰期3.平均寿命4.放射性活度如果在短时间dt内，有dN个核改变，从统计的观点,改变率dN/dt必定与当时存在的总原子核数N成正比，即-dN=λNdt•负号表示放射性核数N随时间t的增加而减少。•λ为衰变常数，反映放射性核素随时间衰变的快慢。对上式进行积分，便可得到teNN0(一)衰变常数由上式可知衰变常数为dtNdN/•λ值反映单位时间内衰变的原子核数比例，因而它是描写放射物放射衰变快慢的一个物理量，单位用秒-1(s-1)(二)半衰期T对于某种特定能态的放射核，核的数量因发生自发核衰变而减少到原来核数一半所需的时间称为半衰期，用T1/2表示。它是表征放射性核自发衰变快慢的另一参数。单位用年(a)、天(d)、小时(h)、分(min)、秒(s)表示。不同的放射性核素半衰期的差别可能很大，例如天然铀中的238U核素，其半衰期为4.47109a；而核素132I的半衰期为2.28h。当t=T，N=N0／2代人后，得T和λ的关系为经过一个T后，其放射性核素衰减到原来的1／2，两个T后衰减到原来的1／4，依此类推，经过n个T后，将衰减到原来的（1/2）n，这样就得到TtNN/0)21(693.02lnTteNN0（三）平均寿命τ也是一个反映放射性核素衰变快慢的，不过它具体反映的是某种放射性核平均存在的时间，单位是秒(s)。693.011)(000000TdtteNdttNNdNttN(四)放射性活度常用单位时间内衰变的原子核数来表示放射性强度，或叫放射性活度，用A表示tteAeNNdtdNA00A0=λN0，为t=0时刻的放射性活度。若某时刻母核数为N，则该时刻的放射性活度为A=λN。-dN=λNdt(四)放射性活度放射性活度的单位是贝可勒尔，简称贝可，符号Bq。1Bq=1衰变·秒-1放射性活度专用单位用居里(Ci)表示。1Ci＝3.7×1010Bq1Bq＝2.703×10-11Ci例一台60Co治疗机源初装时活度为111TBq，使用5年后源的活度还剩多少？已知60Co的T1/2为5.27a已知A0=111TBq，T1/2=5.27a，t=5aTBqeeAeAAtTt5.571115527.5693.0693.00021年后源的活度习题见P27的思考题345放射系：由某一个最初的放射性核素递次衰变而产生一系列放射性核素，构成放射族由三个天然放射性衰变系组成，即钍系，铀系，锕系共同特点✰起始都是长寿命元素，寿命大于或接近地球✰中间产物都有放射性气体氡。并有放射性淀质生成✰最后都生成稳定的核数二、放射平衡1.钍系—4n系2.铀系—4n+2系4n表示系中各核素的质量数为4的倍数其起始元素是通过一系列α衰变最后生成208Pb(稳定)Th23290表示系中各核素的质量数为4的倍数+2其起始元素是通过一系列α衰变最后生成206Pb(稳定)U238923.锕系—4n+3系表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数+3其起始元素是235U通过一系列α衰变最后生成207Pb(稳定)4.镎系—4n+1系表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数+1其起始元素是237Np通过一系列α衰变最后生成209Bi(稳定)此系非天然放射性，在40年代，已通过各种核反应方法合成了这一放射系的所有成员。其衰变子体中无放射性气体氡（Rn）放射系（族）假设:ABCdtdNdtdNCBBA0BBAABNNdtdNBBAANN0二、放射平衡BBAANN即:(1)母体Tm子体Tz达平衡所需t约为Tz的几倍稳态平衡(2)母体Tm子体Tz几倍暂态平衡dtdNdtdNCBBA(3)母体Tm＜子体Tz第三节医用放射性核素的生产与制备一、放射治疗常用放射性核素及其生产核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种：（1）通过反应堆产生的中子流照射靶子物，直接生产或通过简单处理生产放射性核素，即（n，γ）法；（2）从辐照后的235U等易裂变材料产生的裂变产物中分离，即（n，f）法。1.核反应堆中子照射生产--用反应堆的中子轰击稳定性核素是获取人工放射性核素的主要方法主要的核反应类型有（n，γ）反应（n，p）反应（n，α）反应（n，f）反应（n，2n）反应多次中子俘获（n,γ）反应--（n,γ）是生产放射性核素最重要、最常用的核反应通过（n,γ）反应，再经核衰变生成所需要的放射性核素Te13052(n,γ)Te13152β-15minI13153（n,f）反应235U等易裂变核素俘获中子发生（n,f）反应，生成数百种裂变元素，因此裂变产物的组成相当复杂（n,p）反应要求中子有较高能量，一般由快中子诱发。适于制备原子序数较低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。（n,α）反应利用（n,α）反应也可以生产无载体放射性核素。用富集的6Li生产氚就是采用了该核反应方式，即6Li（n,α）3H。放射性核素生产要求反应堆提供的条件A.高中子注量率B.足够的辐照时间C.反应堆运行方式D.反应堆安全保障一般5×1013cm-2·s-1以上，特殊要求在1×1015cm-2·s-1以上多达数十个的辐照孔道依据生产放射性核素半衰期的长短设置不同的运行方式干孔道采用空气冷却靶件，湿孔道采用纯净水冷却靶件反应堆生产的一些重要放射性核素核素半衰期核反应靶子物生产方法3H12.33a6Li（n，α）3HLi-Mg，Li-Al照射后将靶子在真空中加热至500℃～600℃以分离14C5730a14N（n，p）14CBe3N2，硝酸钡靶子用65%的硫酸溶解，加入H2O2，生成的14CO2，14CO，14CH4等用N2气流带出，通过750℃的CuO后，生成的14CO2用NaOH吸收，再沉淀成Ba14CO332P14.282d32S（n，p）32P蒸馏纯化的硫照射后于180℃下减压蒸馏除硫，加入0.1mol·L-1HCl和H2O2，加热纯化2h得到H332PO460Co5.271a59Co（n，γ）60Co纯度＞98%的Co丝直接可制成各种形式和各种放射性活度的钴源9999mTcTc98Mo（n，γ）99Moβ-，γ113mIn113mIn112Sn（n，γ）113SnEcIT125I124Xe（n，γ）125Xeβ－131I130Te（n，γ）131Teβ－核素半衰期核反应靶子物生产方法99Mo-99mTc99Mo：2.7477d99mTc：6.006hMoO3粉末溶于10mol·L-1氨水中，除去过量氨，用0.05mol·L-1HCl溶解并调节溶液pH为3-4，吸附在氧化铝柱上，最后用生理盐水洗脱99mTc113Sn-113mIn112Sn：115.09d113mIn：1.658h锡丝，112Sn富集靶高中子通量照射一年后，用6mol·L-1HCl加热溶解，蒸干，加Br2水氧化成Sn4+，然后将它吸附在氧化锆吸附柱上，用0.05mol·L-1HCl洗脱113mIn125I59.407d124Xe气124Xe气体靶入堆辐照后，取出、冷却衰变一星期，然用NaOH吸收125I。131I8.040dTeO2TeO2置于马弗炉内，于750℃～800℃下蒸馏，用NaOH溶液吸收蒸出的131I2.从裂变产物中分离和提取放射性核素裂变核反应图2-7中子引发的铀核裂变示意图nSrXenU1094381405410235922nKrBa108936144563nKrSb109941133514裂变产物分离离子交换分离溶剂萃取分离萃取色层分离沉淀分离法其它方法A裂片元素的分离方法选择性好，回收率高、易于实现自动化操作、易于放射性屏蔽简便、快速、选择性高、易于连续操作和远距离控制对于性质相似的元素的分离更能显示其优越性操作繁杂、程序冗长、回收率和去污率较低超临界流体萃取法和采用离子液体为萃取介质的方法裂变99Mo提取流程IRE裂变同位素99Mo、131I、133Xe分离流程图纯化流程图二、核医学常用放射性核素及其生产1.放射性核素发生器从长半衰期母体核素中分离出短半衰期子体核素的分离装置99Mo-99mTc发生器母体核素99Mo以99MoO42-的形式吸附在Al2O3柱上，然后用0.9％NaCl等洗脱液将高价（＋7）的99mTc以99mTcO4-的形式洗脱下来，而母体仍留在发生器内。2.回旋加速器生产加速器主要由三个部分组成：离子源用于提供所需加速的电子、正电子、质子、反质子以及重离子等粒子；真空加速系统该系统中有一定形态的加速电场，为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速，整个系统放在真空度极高的真空室内；导引、聚焦系统用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。衡量一个加速器的性能的指标有两个粒子所能达到的能量粒子流的强度（流强）加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。回旋加速器回旋加速器示意图回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。2019/10/15核技术应用48直线加速器直线加速器是利用沿直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和重粒子的装置。LinacCoherentLightSource2019/10/15核技术应用50加速器生产放射性核素的特点适于制备轻元素的放射性核素如11C、13N、15O和18F等。所生成的放射性核素都是贫中子的核素。加速器生产的放射性核素，一般与靶核不是同一元素，故易于用化学分离，制得高比活度或无载体的