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天然放射性元素


铜臭 / 2022-08-11

 一、天然放射性元素

  在前面若干章节中,按照周期系討論各元素时,已經述及11个天然放射性元素:84号釙Po(硫族),85号砹At(卤素),86号氡Rn(惰性气体),87号鈁Fr(碱金屬),88号鐳Ra(破土金属),89号錒Ac, 90号釷Th, 91号鑱Pa,92号鈾U,93号鎿Np,94号鈈Pu(錒系)。自84号釙至92号鈾共9个元素都分别存在于三个天然放射系中,即在鈾系、錒系及釷系中,因此能在自然界的鈾矿和釷矿中找到。痕量的鎿和鈈存在于鈾矿中。
  在表27-2中,尚未列大85号砹。砹的三种同位素是在三个放射系中由84号釙同位素分叉蛻变而生成的。下面仅列示产生砹的分叉部分:
砹在地壳中的含量只有4x10-23%,是丰度最小的一个元素。
  在从天然原料提取放射性元素时,由于放射性元素常以微量存在,例如鈾中的鐳含量仅有約三百万分之一,实际上在溶液中加硫酸时还够不上硫酸鐳的溶度积。因此,需要以硫酸鋇为戴体,把鐳一起带下来。尽管鐳离子在溶液中的濃度还不够和硫酸根离子的渡度到达溶度积,但由于放射性吸附,鐳就和鋇一起以硫酸盐的形式共沉淀下来,因此可以作为富集鐳的第一步。不但可以在鐳的溶液中加氯化鋇,然后再加硫酸;也可以在溶液中加硫酸鋇沉淀,那末鐳就吸附在这沉淀上面。放射性吸附和共沉淀作用广泛地应用于各种放射性物质的富集和提炼中。
  除存在于自然界中的三个放射性系外,是否还有其他放射性元素存在呢? 1906年,开姆培尔(Campbell)和伍德(Wood)发现鉀和銣的β放射性。25年后,才另有发现。现在知道,存在着如表27-3所列的放射性同位素。在表中也列出了它們的放射粒子、半衰期和該同位素的相对含量。
  由表可見,直至目前所发现的最长寿命的放射性同位素是数144,其半衰期是五千万亿年。
  由上表还可以注意到,鉀的半衰期是比較短的,鉀又是一个分布广的元素,在地壳的元案中丰度占第十位。鉀40和釷、鈾一起,供给了地球以巨大的热量。地球从每平方厘来的表面每秒并额射出的热量为10⁻⁶卡。现在40公里深的地壳中包含着足够的鉀40单和处来补偿这种热量损夫的一字以上。可见在地壳凝固以前,这种放射性所能供给的益量,曾经是现在的好见倍。
  另一个同题是,三个天然放射系的母体的半衰期分别是
鈾238                45x10⁹年
鈾235                8x10⁸年
釷232                1.4x10¹⁰年
它們的这些半衰期和地壳年龄3x10⁹年是可以比拟的。因此它們超过漫长时代的蜕变分裂,到现在还有部分存在。如果有一个放射系,其中各个放射性同位案都是短寿的,显然就早已衰变完了。鎿系正是这样一个系,其中寿命最长的鎿237,半衰期仅有2.20x10⁶年。
二、射钱的化学作用
  在第二十一章中討論短寿命的钢系元案时,會經提到由于强的放射性而使化学实验不易进行,这是射钱本身产生化学效应的缘故。当各种化合物受到射钱照射时,容易发生分解作用,好象被 柴外钱照射时发生的光化学反应一样。 但是放射性辐射所产生的效应,要比柴外钱迅速而效应更大,其中以α射钱的效应最大,其次是β射钱,再大是γ射线。 另一方面,γ射线具有最大的穿透性。中子也有强的穿透性。
  分解过程主要由射线所产生的离子化作用决定。化合物的分解不与射线的能量相当,也不和变化的反应热有关。鐳的射幾所导致的反应,象光一样, 其中有些是可通过程,例如鐳射錢能使氯化氫或一氧化碳合成或分解。
  鐳射线的最重要的效应是对空气和水蒸汽的作用。水被分解为氧和氢,并有臭氧和过氧化氯生成,后者是β射稳所引起的。鐳的射线在空气中生成臭氧,因此放在鐳剂附近的纸会被破坏。射线并使石腊和橡胶固化,使活塞塗脂分解析出二氧化碳,并使顏色消褪。射线又能使白磷轉化为紫磷,使玻璃变色,这些作用和光的作用相似,但作用要强烈得多。还有放射性辐射的若干作用是寻常光线所不能产生的,例如使食盐呈藍色,所发生的作用是晶体中的离子放电后,鈉原子聚合而成藍色的胶体质点;又如能使金刚石表面轉为石墨,并能使很多种矿物受到变化。
  在射钱产生化学反应的历程中,除离子化作用外,还有电子能态的激发、分子的分解、自由基的形成等等。在水的輻射分解作用中,設想有H及OH自由基为中間产物。例如,在酸性水溶液中,硫酸亚铁被水中溶解的空气氧化为三价铁状态,設想反应历程如下:
第一步:        H₂O→H+OH 
      其后: (a)OH+Fe⁺⁺→Fe³⁺+OH⁻
(b)H+O₂→HO₂
                       (c)H⁺+HO₂+Fe⁺⁺→Fe³⁺+H₂O₂
                       (d)H₂O₂+Fe⁺⁺→Fe(OH)⁺⁺+OH
(d)步中所生成的OH,再进入(a)步反应中。由(b)步可見,每个水分子的輻射分解可以氧化四个亚铁离子,这恰和实驗结果相符合。
 

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