| 词条 | Radiation Chemistry |
| 释义 | Radiation Chemistry 放射化学 学科历史背景1896年伦琴发现 X射线。同年贝克勒尔研究 X光管的玻璃发生荧光的原因，用硫酸铀酰钾晶体作荧光粉时，发现用黑纸包裹的感光板受不发光也不放电的铀盐作用而感光，其中以金属铀的感光作用最强。贝克勒尔称之为铀光，从而发现了放射性现象。 1898年居里夫妇为了寻找放射性的来源，创制了测量放射性的专门仪器，测量各种物质的放射性，发现有些铀矿物及钍矿物的放射性比纯铀或纯钍强，认为在这些矿物中含有量很少、但放射性很强的物质。他们应用化学分析分离原理结合放射性测量的新工作方法，相继发现钋和镭，从而诞生了一门新学科——放射化学。 1903年卢瑟福和索迪确定每种物质的放射性按指数关系而衰变的规律。1910年索迪、法扬斯同时发现放射性元素位移规律，提出同位素的概念。1912年赫维西等用20种化学方法试图从铅中分离镭D(即铅210)，未获成功，继而提出以镭D指示铅，成功地研究了铅在多种化学反应中的行为，从而创立了放射性示踪原子法，应用放射化学开始得到发展。 1934年小居里夫妇用钋的α粒子轰击铝，并利用化学原理及方法获得放射性磷30，发明了人工放射性。这是人类首次利用外加影响引起原子核的变化而产生放射性，是20世纪最重要的发明之一。同年，齐拉特等发现原子核在俘获中子生成放射性新核索时，由于反冲效应导致一系列化学变化，后来发展为热原子化学。 1938年哈恩等在研究铀受中子辐照后的产物时，用化学方法发现和证明了铀核裂变现象。为人类开发利用核能开辟了道路，这是放射化学对核科学技术发展的巨大贡献。 1940年麦克米伦等发现超铀元素镎；西博格等发现钚，1944年提出锕系元素理论。1942年费密等建成第一座核反应堆，第一次实现受控链式裂变核反应，标志着人类进入利用核能的时代，核科学技术从此得到迅速发展。 随着核武器、核电站、核舰艇以及其他核动力装置的研制成功，使核燃料的生产和回收、裂变产物的分离等放射化学工作得到巨大发展，促进了放射性核索性质的深入研究及其在工农业、科学研究及医药卫生等领域中的广泛应用，丰富了放射化学的内容，使它发展成为一门具有独特研究目的和方法的学科。 放射化学在中国的发展始于1924年，居里夫人的中国学生郑大章，自巴黎镭研究所居里实验室为祖国第一次带回了放射化学，在当时的国立北平研究院建立了中国的镭学研究所。郑大章等人研究镤及铀系放射化学，初步取得了一批成果。1937年由于日本军国主义侵占华北，北平研究院被迫南迁，颠沛流离，放射化学的研究工作遂告中断。 1949年中华人民共和国成立，中国的放射化学获得了巨大的发展。从50年代中期开始，随着核能事业的发展，放射化学作为一门基础学科得到了相应的发展。三十多年来，特别是围绕核燃料的生产和回收、放射性核素的制备和应用、锕系元素化学、核化学、放射性废物的处理及其综合利用、放射分析化学以及辐射化学等领域都取得了丰硕成果。1964年10月原子弹和1967年6月氢弹的试爆成功，反映了中国核科学技术达到了较高的水平。 放射化学是研究放射性物质，及与原子核转变过程相关的化学问题的化学分支学科。放射化学与原子核物理对应地关联和交织在一起，成为核科学技术的两个兄弟学科。 放射化学主要研究放射性核素的制备、分离、纯化、鉴定以及它们在极低浓度时的化学状态，核转变产物的性质和行为以及放射性核素在各学科领域中的应用等。放射化学广泛应用于各个学科领域，从探索原子奥秘、核能利用、辐射育种、放射治疗直至史料年代鉴定、放射性跟踪等，几乎渗透到了数、理、化、天、地，以及所有新兴的重要技术领域。20世纪60年代以来，放射化学主要围绕核能的开发、生产、应用以及随之而来的环境等问题，开展基础性、开发性和应用性的研究。 学科主要研究内容放射化学诞生后不久，人们就将放射性元素镭放射出的射线用于治疗疾病。今天放射化学以及放射性同位素已经在医学、工业、农业、地质、环保等各种领域获得了广泛的应用，每年发表的有关文献达数千篇之多。通过汤姆森—路透科技信息集团的ISIWebofKnowledge数据库的检索，从1901年至今，放射化学及其相关领域所发表的文献数量已超过了10万篇；在1950年之前，每年的文献量不到100篇；从20世纪50年代开始发表的文献量迅速上升，在70年代达到高峰，1976年一年发表的放射化学论文达到3241篇；然而到90年代初，文献量开始下降，每年不到2000篇，最低谷为90年代末，一年只有1600篇左右。而令人高兴的是，从本世纪初开始，放射化学又进入了一个新的恢复期，近年来，每年发表论文逾2000篇。放射化学论文数量的变化，充分反映了放射化学这门学科的曲折发展历程。 初期的放射化学主要研究放射性元素及其衰变产物的化学性质和属性，随着人工放射性和原子核裂变的发现，反应堆和高能加速器的建立等，对放射化学的发展有深远的影响，使放射化学内容得到充实和发展。近代放射化学大体研究以下几个方面的内容： （1）放射性元素化学 研究天然放射性元素和人工放射性元素的化学性质和核性质，以及提取、制备、纯化的化学过程及工艺，重点是核燃料铀、钚、超铀元素及裂片元素。 （2）核化学 研究原子核的性质、结构、核反应和核衰变的规律，以及这些研究成果的应用。 （3）放射分析化学 研究放射性物质的分离、分析以及核技术在分析化学中的应用。成熟的方法有：中子活化分析、带电粒子活化分析、带电粒子激发荧光分析、同位素稀释、穆斯堡尔谱学以及正电子淹没技术等。 （4）应用放射化学 研究放射性核素及其标记化合物和辐射源的制备在工业、农业、科学技术、医学等领域中的应用。重点是用反应堆和加速器生产各种高比活度或无载体的放射性核素和辐射源。 学科特点放射化学的研究对象是放射性物质，可以充分利用现代高新仪器探测放射性物质，故具有普通化学所没有的许多优点。 (1)灵敏度高 对于样品中含有几百万分之几或更少的痕量元素，绝大部分可用活化分析对其进行定性和定量分析，根据元素的不同，定量测定其在10—8～10—12g之间的质量。 (2)易于鉴别 每种放射性核素除可以普通化学性质识别外，还可以其独特的放射粒子的性质、能量、半衰期以及衰变的母子关系进行鉴别。 (3)同位素示踪 利用放射性同位素与稳定同位素的化学性质极为相似的特点，在一个分子内部标记某一特定原子，可以提供有关反应机理的细节。 (4)辐射效应 放射性衰变中发出各种射线的能量远大于环境物质的化学结合能，致使所研究的体系产生一系列辐射分解、辐射氧化还原、辐射催化、发热发光及生物化学变化等辐射效应。在强放射性体系中，辐射效应导致的化学物质变化甚为显著。 (5)低浓度行为 多数放射操作中，放射性核素的浓度极低，离子间的荷电性质相应突出，容易形成放射性胶体或气溶胶，弥散或附着于环境化学物质上。 放化分析方法早在1913年，德国的G·赫维西和E·A·潘内特（Paneth）就将镭D（210Pb）作为分析手段用于测定铅盐的溶解度。那时可得到的放射性元素的数目极其有限，因而严重妨碍了这门技术的进一步应用。目前已有许多同位素可供应用。因此在分析化学中利用同位素作为示踪物已经很广泛了。这方面的应用分为三类：同位素稀释分析，活化分析和同位素衍生物分析，人们在应用中既使用了稳定同位素，又使用了放射性同位素，后者因无需用质谱仪就可进行测定，故人们更乐于使用。 经典分析方法传统上是用来分离高纯度、高产率的被探索物质的，然后通过称重、滴定和测定一个适当的物理性质就可完成整个测定工作。但同时要求高产率和高纯度自古以来就是定量分析的绊脚石。假如不强调产率，要获得一种高纯度的物质一般并不太困难。然而反过来，产率高但纯度很差的物质却通常易于得到，同位素示踪技术使得有可能重点对准某一目标而无需过多地注意其它目标。这一事实的优点是示踪同位素的化学性质与样品中的同种元素相同，但因其有放射性，故易于检测。 赫维西（Hevesy，Gy?rgy，1885—1966），匈牙利—丹麦—瑞典化学家。生于布达佩斯，在匈牙利和德国求学，获弗赖堡大学博士学位，然后旅居英国与卢瑟福一起工作。赫维西的两项重大贡献都在1923年做成的，其中戏剧性不太大的工作至为重要。 1923年赫维西与D·科斯特（DirkCoster）合作发现了新元素铪，同年他第一次用含有放射性212Pb的溶液来浇灌植物，这样他就能够很详细地观察铅在植物中的吸收和分布情况。这种技术的缺点是铅对大多数生物体系的高度毒性，以至于在开始使用放射示踪原子时，并未引起人们的重视。但是当约里奥夫妇于1934年发现人工放射性之后，赫维西的放射性示踪法才发展成为研究生命体系最广泛使用和最有力的技术之一。由于他在发展放射性示踪原子方面的成就，赫维西被授予1943年诺贝尔化学奖。 同位素稀释分析1932—1933年赫维西和霍比（R.Hobbie）又首先提出同位素稀释分析法。同位素稀释分析特别适用于某些样品，这些样品所含的被探索物质的浓度很高，足以进行化学测定，不过由于某些干扰物质的存在，使得高产率的分离变得困难了。这种分析先将一定量的示踪同位素以一种适当的化合物形式加到样品中，对样品进行操作使被探索物质以高纯度的可测形式复原出来。然后对这个被探索物质的产物进行化学测定和计算。由此所得的量与所加的全部示踪物的量进行比较，分析化学家就可算出产物的化学产率。这样复原产物的量就可看作是原来样品中的总量。即使被探索物质在操作中会损失百分之九十，精密分析仍可进行——这真是粗心化学家所渴望祈求的事情！这种技术已有效地用在不能进行定量分离的有机混合物的分析方面，比如，维生素、抗生素、杀虫剂、除草剂和甾族化合物的分析中。 活化分析活化分析常用于下列场合的分析，在这些场合中待测元素的浓度很低，实际上不可能以高纯度的可测形式进行化学分离。样品用反应器中的热中子照射，随后就可对活化同位素进行计数。此法既可用于定性分析，也可用于定量分析。因为通过鉴定半衰期和能量就可检测所含的特定同位素。由于中子照射一般会激活样品中的不只一种元素，所以通常需要先把待分析元素分离出来。这种分离可通过反向同位素稀释进行，其中加入一种未活化的含待测元素的适当化合物，随后进行操作使该元素在不掺其它活化元素的情况下复原出来。复原不必是定量的，因为所加元素的量与复原的量之差等于被活化的复原同位素的量。活化分析已被用于测定海水的含砷量（2毫克/升），半导体和生物中的含砷量；分析陨石中的含金、镓、钯和铼的含量（0.1ppm～0.01ppm）；测定高纯物质中的杂质；测定锆中的含铪量，稀土混合物中的稀土元素（用普通化学方法很困难）和生物中的痕量元素（比如，关节炎组织中的金）。大约三分之二的元素只要有一微克或更少一点就可以进行测定。有几种元素低于10-4微克的量也可以进行测定。 同位素衍生物分析典型的有机化合物不适于用活化分析，因为碳、氢、氮和氧所产生的放射性同位素半衰期太短，不能进行实际分析。而含硫、卤素或磷的分子在活化中会发生变化，因而也不适于采用这种分析。在这种情况下，同位素衍生物分析有时就适用了。使用一种示踪试剂把探索物转变成一种合适的衍生物。然后除去过量的试剂，接着加入作为载体的一种稳定衍生物，对此样品进行操作使这种衍生物以纯的形式复原出来。此操作法经凯斯顿、安登弗伦德和他们的同事已非常有效地把这种操作方法用于分析蛋白质水解产物方面。通过制备对碘苯磺酰衍生物，他们还成功地测定了毫克量的12种氨基酸样品，其中某些酸是微克量的。 同位素用于测定年代用放射性方法研究矿物的寿命是1907年博尔特伍德提出的。他确信，放射性岩石的寿命可以用铀的半衰期和所积累的氦的数量估算。当认识到铀-238蜕变的最终产物是铅-206时，他又提出了一种改进的方法。最古老岩石的寿命已经发现是4.5×109年左右。 由于认识到大气中存在有C-14，从而过去五万年内生长的含碳物的寿命就可推测了，1937年，A·V·格罗赛提出，放射性同位素可在宇宙射线与原子的碰撞过程中产生。1946年，芝加哥的W·F·利比证实，生物含有恒定的少量C-14，这是宇宙射线的中子与大气氮碰撞发生的一种（n.p）反应所致。由于C-14的半衰期为5600年，因而有足够的时间使它氧化成二氧化碳，并通过光合作用形成生物体。利比及其同事们表明，C-14的含量在活的动物和植物中是恒定的，不过在动植物死亡后含量要随寿命成正比地减少。通过把考古学所研究的放射性碳的数据与其它方法得出的数据进行比较从而肯定了这种技术的可靠性。 美国化学家利比（Libbly，WillardFrank，1908—1980），芝加哥大学核研究所的化学教授，其主要贡献在于大大改进了测定年代的技术。1947年利比和他的学生在芝加哥大学核研究所利用高灵敏的盖革计数器研究放射性碳断代技术。他以已知年代的物品如埃及古墓中的木头为对象对这种方法进行了试验，试验证明对于过去5000年内的测定是可靠的，由此推断在放射性碳能够测定的约5万年内，这种技术也是精确的，后来经过改进能测定的期限提高到7万年左右。放射性断代技术证明了它对地球科学、考古学和人类学有巨大价值。由于此项发现，利比被授予1960年诺贝尔化学奖。 放射化学安全技术为防止意外事故发生或减少外照射，操作放射性物质时应先进行操作演习，直至熟练稳妥，以期在最短的时间内完成放射性化学操作，避免放射性事故。当操作超过国家规定允许剂量的放射性物质时，需要采取特殊的放射化学技术。对于放射性气体，为防止其微粒进入大气，产生内照射，应在工作箱中进行放射化学操作。箱内外加适当的屏蔽，使射线对人体的外照射在允许剂量以下。使用放射性溶液或固体时，为减少外照射，应用特制工具。如用机械手以替代手直接接触放射性容器，用移液管转移溶液，用离心管分离沉淀，使用吸附性物质比玻璃少的石英器皿。对强放射性物质的溶液或半干燥固体内辐射分解水而发生爆炸性气体，应加以注意。在处理放射性废物的过程中，须按有关规定进行妥善处理，要达到国家允许标准以下才能排放，高活度放射性废物须到专门场地进行处理。 学科在中国的发展放射化学在中国的上世纪五六十年代处于黄金时期，全民大办原子能、全民找铀矿、各重点高校均开设放射化学专业。然而到了80年代后半期，由于切尔诺贝利核电站的灾难性事故，和“冷战”结束等原因，我国的核科学和核技术，以及放射化学和全世界一样都走到了低谷。那一时期，由于经费偏少，大学毕业生找不到工作，不少优秀研究人员改行，一些放射化学实验室和教研室改名。可喜的是，现在放射化学又处于恢复性增长中，其主要推动力是能源供应、环境保护、气候变化和国家安全等重大需求，同时也是放射化学学科本身发展的需求。 我国放射化学的百年历程，可以1949年为界点大致分为两段：新中国成立前，新中国成立至今。新中国成立之前的近50年中，中国从事放射化学研究的人屈指可数。其中对我国的放射化学事业作出杰出贡献的放射化学老前辈有3位，即郑大章、杨承宗和肖伦。 郑大章中国最早从事放射化学研究的人和放射化学的开创者居里夫人有着直接关系，他就是居里夫人的第一位中国留学生郑大章。郑大章先生1904年生于安徽合肥，1922年考入法国巴黎大学理学院，在取得学士学位后，成为居里夫人的第一位中国研究生。1933年12月，郑大章获得法国国家理化学博士。1935年，他受严济慈聘请，回国筹建中国镭学研究所，开展放射化学研究。郑大章是镤化学专家，当时他的学生有曹友德、杨承宗、李鉷和侯灏。研究所1936年从北京迁至上海。研究组从大量的铀盐中分离出放射性很强的β源。1941年8月14日，郑大章突发心脏病，逝世于苏州，时年37岁。郑大章英年早逝，他是中国从事放射化学研究第一人。 杨承宗杨承宗先生是郑大章的学生，是至今还健在的一生从事放射化学研究的老前辈。杨承宗1911年生于江苏吴江县，1932年毕业于上海大同大学；从1934年起就在北平研究院镭学研究所工作，主要研究铀矿中镤对铀的放射性比例。1946年受居里夫人的长女伊来娜·约里奥·居里夫人的支持，杨承宗1947年初到法国巴黎居里实验室工作，主要从事用离子交换法分离放射性同位素的研究；1951年回国，在中国科学院近代物理所工作。他创建了新中国第一个放射化学实验室，成功培养了我国第一代放射化学工作者。1958年中国科学院创办中国科学技术大学，杨承宗被任命为放射化学和辐射化学系主任，1979年杨承宗任中国科技大学副校长。 肖伦肖伦先生是对我国放射化学和放射性同位素事业作出很大贡献的另一位放射化学家。肖伦1912年出生于四川郫县，1939年毕业于清华大学化学系，1946年考取自费留美，1947年入美国伊利诺伊大学攻读放射化学专业，1951年以发现钽-183、钽-185和钨-185m等3个新的放射性核素作博士论文，并获博士学位，1955年回国。肖伦先后在中国科学院物理所和原子能所工作，1980年当选为中国科学院化学部首批学部委员。肖伦1956年在北京大学首次开设放射化学讲座，为我国培养了不少放射化学工作者。2000年11月15日，肖伦在北京逝世，享年89岁。 我国的原子能事业和放射化学学科大发展是在新中国成立之后。1955年在第一届全国人民代表大会上，通过了成立中华人民共和国第三机械工业部的法令，实际上表明中国人要自己研制原子弹。也就是从那时候开始，我国的放射化学进入了高扩张期。物理研究所的放射化学研究人员增加到42人。与此同时，国家挑选了一批优秀人才赴苏联有关单位学习放射化学和放射化工专业，由苏联援建的重水反应堆和回旋加速器也在加紧建设。1958年，中国科学院原子能研究所正式组建。 为了加快培养核科学和核技术人才，尤其是放射化学和核物理的专业人才，北大、复旦、南大、中科大、南开、川大和兰大等高校纷纷开设有上述两个专业的系，并从1959年正式招生。为了培养一些应用人才，原子能研究所从1958年起，就先后举办了8期“放射性同位素应用讲习班”，一共培养了500多名核技术应用人才。 正在我国大力发展核技术和核科学时，1959年下半年，中苏关系公开破裂，苏联专家全部撤走。为了加强中国的核科学和核技术，国家从其他行业，包括放射化学和放射化工领域，抽调了一些优秀人才来充实原子能事业，其中汪德熙和吴征铠对放射化工和放射化学均作出了杰出贡献。他们两人在1980年11月都当选为中国科学院化学部学部委员。 汪德熙先生祖籍江苏灌云县，1913年9月21日生于北京。1937年清华大学化学系研究生毕业，1941年考上清华大学公费赴美留学，入美国麻省理工学院化工系学习，1946年获博士学位，1947年回国，主要从事高分子化工领域的研究和教学工作，并作出了重要成果，1960年奉命调入核工业部。他先后参加了核燃料后处理萃取工艺研究、原子弹引爆装置制备、核试验用钋-210源等各种放射源的研制、氚提取工艺的研制、核试验当量燃耗的测定等多项工作。他领导的辐照核燃料后处理萃取工艺课题获1978年全国科学大会奖。汪德熙1999年获何梁何利基金科学进步奖。汪德熙2006年8月8日在北京逝世，享年93岁。 吴征铠先生1913年8月8日生于上海，1934年毕业于南京金陵大学化学系，1936年考取中英庚款公费留英，成为英国剑桥大学物理化学研究所第一位中国研究生，从事铀的红外和拉曼光谱学研究，先后发表5篇论文。1939年回国，在湖南大学和浙江大学任教，1952年全国高校院系调整后，担任复旦大学化学系系主任，1959年筹建复旦大学物理二系（原子能系），并任系主任和党总支书记，1960年奉命调入核工业部原子能研究所工作。他在解决六氟化铀生产过程中的气体扩散、膜的研制中获得出色成绩，为我国爆炸第一枚铀弹作出了重要贡献。吴征铠2007年6月27日在北京逝世，享年94岁。 在社会主义制度下可以办大事，和全国一盘棋的充分协作下，我国从1955年成立核工业部到1964年10月16日爆炸第一枚原子弹，用了不到10年；又用了两年8个月，于1967年6月17日爆炸了第一枚氢弹，其速度是令人震惊的，完全打破了美国和苏联的核垄断，其中放射化学起了很重要的作用。 “文革”10年，我国的各方面工作都受到了不同程度的干扰，放射化学这一学科也不例外。粉碎“四人帮”之后，我国各方面工作开始走上正规，科技工作也一样。1978年春天，全国科学大会的召开，昭示着我国科学的春天来了。 1979年4月，中国化学会核化学与放射化学专业委员会正式成立，杨承宗任主任委员，汪德熙和吴征铠任副主任委员。专业委员会还制定了《放射化学学科的发展规划（草案）》。正当核科学和核技术渐渐走上正常发展道路时，20世纪80年代中和90年代初发生的两件事，对原子能科学技术和放射化学的发展产生严重影响。 第一件事是发生于1986年4月26日凌晨，前苏联乌克兰切尔诺贝利核电站发生爆炸，造成核电站大量的放射性严重泄漏，并导致31人当场死亡；数万人由于放射性辐射的远期效应，将引起疾病或致命。这是一起有史以来最重大的核电事故，不少公众对核电产生了强烈的恐惧感，极力反对建造核电站。此后确有一些国家对正在建造或将要建造的核电站采取了否定态度。 第二件事是苏联于1991年解体。苏联解体使得延续了几十年的冷战结束，美国和苏联双方均不需要用手中的核武器去恐吓对方。双方都对标有核的科学和技术的投资下降，一些从事核科学和核技术的研究院所改名，某些从事核科学和核技术的研究教学人员改行。一段时期，世界范围内，核科学和核技术的研究处于低迷期，放射化学也一样。这种情况也蔓延到了中国国内，从20世纪80年代下半期开始，由于人们对放射性物质的恐惧，几乎没有考生把放射化学作为第一志愿报考、放射化学专业毕业的学生找工作困难……这样恶性循环，有放射化学专业的系也只好改名或改行。北京大学和复旦大学的放射化学专业均是这一命运,而南开大学的放射化学和核物理亦被调入兰州大学。 核科学和核技术再次受到人们的重视是和世界的能源需求、环境污染、气候变化和国家安全等问题密切相关的。从上世纪90年代中期开始，由于人们不加限制地大量消耗矿物燃料，尤其是煤炭的消耗，给全球的环境污染和气候变化带来严重的负面影响，明显污染了人类赖以生存的环境，诱发温室效应和酸雨。全球环境问题和温室效应已引起世界各国的高度重视。 我国改革开放至今整整30年，已从原来的能源出口国变成纯能源进口国，是世界第二大能源消费国。同时我国的二氧化碳年排放量仅次于美国，而二氧化硫年排放量则是世界第一。我国政府已经于2002年9月核准了《京都协议书》，按照其要求，各国在提高能源利用效率的同时，将优先发展清洁能源。核能作为一种技术成熟可大规模利用的清洁能源，在应对未来能源短缺、减排温室气体方面将发挥不可替代的重要作用。 截止到2008年3月，全世界总计有439座核电站在运行，另有35座核电站在建造。在30个已具有核发电能力的国家中，法国的核能发电占了总发电量的78%，日本为40%，而我国至今还不到2%，发展核电在我国是大有可为的。2008年3月，我国国务院已原则通过了《中国核电中长期规划（2005-2020）》。根据规划要求，到2020年，我国将要投资1000亿美元，使我国核电的装机容量占全国发电量的4%～5%。发展核电，必须要有核燃料，而铀的勘探、提取、纯化、乏燃料的处理以及高放射性废物的处置等一系列工作均需要有放射化学的专门人才。 目前，放射化学在国际上正处于复兴阶段，其主要推动力来自于国家安全、能源需求、环境保护、人类健康和学科交叉。2001年9月11日，美国纽约发生恐怖分子用飞机撞击了世贸大楼事件，如果恐怖分子利用放射性炸弹来进行恐怖活动，引发远期效应，其结果将更加令人担心。从国家安全的角度来考虑，处理这类事件也必须有具有放射化学的专门人才。 进入新世纪后，我国于2004年10月举行了第一次高层次核化学和放射化学战略研讨会。几年来，我国的核化学和放射化学已经有了恢复性发展，其主要标志是，在国家自然科学基金会、教育部和原国防科工委等部门的大力支持下，放射化学的重点实验室正在建立，教育部已正式将核化学与放射化学列入与无机化学、有机化学和物理化学等相同地位的学科目录，放射化学已作为紧缺学科和特殊学科在高等院校获得重视，放射化学专业本科生和研究生的招生情况显著好转，放射化学专业毕业生的需求逐渐旺盛。 我国放射化学的百年发展历程给人们的启示是，对一个学科的决策，应当慎之又慎，必须建立在科学分析的基础上。其实，放射化学不仅是一种重要的和不可取代的核方法，而且是一门具有生命力的前沿科学，它不仅蕴含着大量既具有重要科学意义，又能满足国家重大需求的科学问题，而且与其他学科交叉，产生了许多新的学科生长点。因此，我们完全有理由相信，放射化学在下一个百年里，必将沿着可持续发展的道路继续向前。 未来发展方向和趋势超铀元素化学自从1940年发现镎和钚起，50多年来已发现了一直到Z=112的19个人造放射性元素。最新发现的超铀元素仅仅是被鉴定而不能被存放。这类研究需要巨大和复杂的设备，费用昂贵，继续寻找超重元素的前景不容乐观。 超铀元素化学一直是吸引人们的研究对象，从镎到103号元素属于5f的锕系元素，在周期表中放在4f的镧系元素下面。Z>104号元素为6d过渡元素被称为超锕元素。研究这些元素的性质必将使我们获得关于原子和原子核结构和稳定性的新的基础知识。另一方面，随着世界范围内核能的发展，在核动力反应堆的铀乏燃料中积累了数量惊人的镎、钚、镅和锔。随着常量超铀元素的获得，可以用常规的无机化学方法进行宏观的定量研究。最近才有可能得到毫克级的锎及亚微克级的镄。镄以上的元素只能用放射化学示踪的方法进行研究。 40年代提出的锕系理论在近年内有所发展。量子化学计算表明在前半锕系元素，5f电子没有被6d、6p电子屏蔽而容易被剥离，同时由于伸展的f电子可以杂化并在某些方向成键，电子部分定域化，因而晶格能较低，具有一些半金属特性。f电子径向伸展与原子半径之比在钚和镅之间迅速下降，到镅以后，6d，6p电子云扩展到5f之外，金属晶格高度对称，出现类稀土金属的性质。现代锕系理论认为：锕系元素前半与d元素相似，后半与镧系元素的前半相似。到锿为止的超铀元素的结晶构造，热力学性质及电子能级已经完全确定，到锫为止的氧化物、氢化物、硫族化物、氮族化物已进行了系统研究。锕系元素的价态研究取得了进展，Np（Ⅶ），Pu（Ⅶ）和Am（Ⅶ）可以在多元氧化物中稳定存在。 在配合物结构化学方面，尽管对铀和钍有大量研究，但关于镎、钚和镅配合物结构的报导仍不多，这主要是由于实验技术上的困难，该类金属的有机化合物的情况亦属如此。在水溶液化学方面，近年来的重点放在研究超铀元素在天然水体系中的行为，把镎、钚和镅的化学扩展到中性和弱碱性溶液。 为了鉴别水中超铀元素的物理化学状态，发展了脉冲激光光热光谱法，其下限为106个原子，辅以化学步骤，可以鉴定溶液中非常低浓度的镎和钚的状态。镎、钚和镅在人体环境内的化学形态，在器官、骨骼中的行为等生物化学研究，也是近年来研究的一个课题。 裂变产物元素化学裂变产物元素来源于可裂变重原子的核裂变反应。重原子核裂变时，分为两个或多个具有一定质量和核电荷的裂片。这些裂片以其所具有的核电荷而成为相应的元素，称为裂变产物元素。裂变产物包括原子序数由30（锌）到66（镝）和原子质量由76—164的各核素，分布在元素周期表中0—Ⅷ族。自然界中“失落”的元素锝是其中之一。裂变产物化学主要研究核燃料后处理工艺过程中裂变产物的化学行为和化学状态，从而使工艺过程对裂变产物有更佳的分离效果，也称过程化学。裂变产物的过程化学在50年代已为人们重视。 裂变产物中的中子毒物主要是稀土元素和惰性气体，在乏燃料的后处理过程中，它们的化学行为比较简单，易于分离。放射性裂变产物中，铯、锶和铈等的化学行为也比较简单，易于除去。最难去污的是锆、铌和钌，被叫作最“讨厌”的裂变产物，一直是过程化学研究的中心，研究的重点是提高对放射性裂变产物的去污系数，使回收的核燃料中放射性降低到允许水平。相对而言，对钌的过程化学研究比较深入。 现在裂变产物元素化学的研究中，引人注目的是高产额的稳定裂变产物。热中子诱发235U裂变时，稳定锆同位素的总产额约为29%，稳定钼同位素的总产额为25%，在动力堆乏燃料元件的溶解液中，裂变产物钼和锆若都进入溶液，其浓度可达10-2mol/L，会引起溶解液不稳定，形成沉淀和次级沉淀，这些沉淀会吸附钚，造成损失。未完全沉淀的微粒进入第一萃取循环时，会加剧界面污物的形成。是水法后处理工艺的难题之一。相反，研究和提取铑和钯的同位素则是弥补贵金属天然资源不足的一个重要途径。 裂变产物元素之间以及它们对其他元素的化学行为的特殊影响是过程化学研究的重要课题。例如硝酸溶液中存在一定量的锆使磷酸三丁酯（TBP）萃取铌的数量增加等。锝也是难去污的裂变产物之一，在铀钚共去污萃取循环中，锝主要与锆形成配合物共萃取。 快中子反应堆乏燃料的燃耗深，裂变产物的生成量大，冷却时间和放射性强，对裂变产物元素去污要求高，裂变产物元素的特殊影响更突出，过程化学的研究课题将更加丰富多彩。随着快中子反应堆技术的进步，出现了金属燃料的一体化快堆，其乏燃料的后处理采用熔融电解法。这样有关裂变产物在熔融电解质过程中的化学行为和状态的研究课题，将进一步充实裂变产物元素化学的内容。 核燃料后处理化学核燃料后处理是复杂的核化工过程，它始于第二次世界大战核武器研制时期，随着核能开发转向和平利用和核电站规模的扩大，核燃料后处理的科研与开发工作始终是放射化学研究的一个重要内容。其研究大致分为下述方向。 目前世界上建造的核电站多采用轻水堆，其后处理普遍采用的仍是1951年美国首次使用的以磷酸三丁酯为萃取剂的钚雷克斯（Purex）流程，近年来对Purex流程的改进仍是研究的重点。 快中子增殖堆（简称快堆）是一种新型的反应堆，国际上已进入中间规模试验厂阶段（见下表）。我国以铀和钚氧化物为燃料的快堆开发计划也已开始，快堆后处理研究应以Purex流程为主体，从基础性科研着手进行工作。 干法后处理工艺研究是后处理工艺的研究发展方向，其优点是设备简单，费用较低，燃料周转速度快并能改善环境的安全性。但由于干法在工艺上还存在一些问题，目前还未进入实用。美国近年来研究一种熔盐电解法的后处理工艺，目的是处理一种新的快堆燃料——铀钚锆合金，并实现后处理的堆厂一体化，免除燃料的运输问题。 表 快中子增殖堆与轻水堆乏燃料性能比较
燃耗，MWd/t 放射性废物的处理和处置化学放射性废物处理是随着核工业发展（首先是军事工业，随后是核电发展）在50年代兴起的新型科学，它的研究与发展主要是保证核能的安全应用和保护环境，其内容可分为处理和处置两个方面。 1.处理化学 放射性废气处理的目的是有效地控制核电站、后处理工厂等核设施和放射性实验室排出的对人体有害的气载放射性核素。如85Kr，133Xe，131I，129I，3H，14C等。就排入大气中的数量而论，以氪和氙最多；就对人体的危害而论，以碘最突出。氚的半衰期较长（12.3年）其行为和氢相近，难以除去，因此碘和氚的净化和监测成为研究的重点。 对于低、中水平放射性固体废物的处理，已经逐渐发展了一套基本满足要求的方法，使得排放到环境中的放射性物质低于允许限值，符合安全标准。重要措施有：发展焚烧技术和压缩处理；开发减容比高的固化技术；开发退役去污技术等。 乏燃料后处理产生的高放废液具有放射性强、半衰期长、释热率高、腐蚀性大、毒性高等特点。高放废液固化和安全处置是核燃料循环中突出的问题。已经开发的有前途的方法是使高放废液变成对环境无明显影响的玻璃或抗浸出性高、热稳定性好的人造岩石；从高放废液中分离和提取裂片元素（诸如超铀元素）等方法，可以使高放废液不必作高放废液或α废物对待，大大减少了后处理的难度和费用。美国、日本、意大利、德国和我国等不少科学家正在积极研究。 2.处置化学 放射性废物经过一系列的处理后，高放射性废物以玻璃块的形式装于金属桶内，中放射性废物则以水泥块的形式装于混凝土大箱内，需要进一步将它们最终安置在一个与人类环境隔离的废物库内。当前，废物库多建于远离人类的地质层中（称为远场），高放废物采用几百米深的花岗岩地层，中放采用较浅的页岩、泥灰岩等地层。在紧靠废物桶（或箱）处（称为近场）还必须设置人工屏障层，高放用膨润土，中放用混凝土等，进行隔离。 处置化学研究被最终处置的废物中的各种关键放射性核素（高放废物中的237Np、135Cs、99Tc、79Se、126Sn、243Am和239Pu等，中放废物中的90Sr、137Cs、60Co、59Ni、94Nb、99Tc、129I、36Cl等），在难以避免的地下水及近场和远场的各种介质的共同作用下，其吸附、滞留、扩散、迁移等化学行为和规律。该类研究对放射性废物库的选址以及保护几百年和千万年后的环境是必不可少的。 研究的重点内容为上述各关键核素在自然地质条件下的迁移，滞留过程中的水解、沉淀、吸附、渗滤、离子交换、氧化还原、配位等化学过程及有关的热力学常数的测定和计算。同时必须研究这些核素实际存在的化学形态，包括离子、分子、配合物胶体等。还应研究影响这些化学过程的腐殖酸，有机配体和微生物的重要作用。 放射性药物化学放射性药物化学是当今应用放射化学领域发展迅速的一个分支，它和核探测技术一起，成为核医学的两大支柱和基础。放射性药物分体内和体外两类，体内放射性药物主要用于诊断和治疗，体外放射性药物主要用于放射免疫分析和受体的放射性分析等。 1.体内放射性药物 体内放射性药物由于诊断方法简便、安全和无损伤；能反映体内生理生化过程，灵敏度高，可进行早期诊断；能提供反映组织器官动态功能的定量信息；用途广泛，可进行几乎体内所有器官或系统的功能检查，从而在临床诊断中显示了其重要意义。当前，随着放射性核素显像技术的不断提高，对于诊断用放射性药物的研究已经从早期一维的单纯的脏器形态和构造的显像而转向三维动态，功能和代谢方向发展，这样不仅对疾病能早期诊断，还对了解病理过程有重要意义。同时，由于利用放射性药物能直接研究正常人体内（活体）的生化、代谢和功能过程，在分子水平上了解人体内的化学反应，从而为生命科学的研究提供了犀利的工具。 99mTc是公认的最佳医用放射性显像核素，占临床应用的放射性显像剂总量的85%，它与单光子断层扫描仪（SPECT）配合，可对人体所有的器官和脏器进行显像。国际上重点开发的是心肌和脑血流灌注显像剂，近年来又积极发展99mTc标记的单克隆抗体的显像研究和应用。当前99mTc放射性药物的发展方向，除继续探讨改进各类新的重要脏器的显像剂外，用于99mTc标记的单克隆抗体的各类热力学稳定和动力学惰性的双功能联结剂的合成，还原修饰抗体蛋白质的99mTc直接标记法和94mTc正电子素的开发，正受到人们的重视。同时Tc的不同价态化合物和配合物研究，Tc在无载体状态下的化学行为的基础研究等也成为一个重要的课题。 正电子发射断层扫描（PET）装置是当前所有放射性显像技术中分辨率和灵敏度最高的显像装置，它与生产正电子放射性核素的小型回旋加速器和自动化的快速合成系统三者结合，组成PET显像中心。正电子发射的放射性药物标记的脑代谢药物葡萄糖通过PET显像，不但可以有效地诊断中风、肿瘤和精神分裂症等疾病，还可以观察到脑中的视觉、音响、情绪、刺激等引起的神经活动，这是将人的思维、行为与脑的化学反应相联系的一个重大突破。当前的发展方向是研究各类放射性药物的自动化快速合成方法，改进合理的流程，提高合成的产额及短寿命放射性药物的质量控制，发展β4放射性核素的母子体发生器，以部分代替造价昂贵的小型回旋加速器。 用加速器生产的中短半衰期医用核素等均为单光子发射（SPECT）核素，它们与SPECT显像技术相匹配，由于成本较PET低，已成为当前核医学诊断中使用最广泛的手段。123Ⅰ、77Br标记的脂肪酸也成为研究心肌功能和代谢的重要手段，近年来放射性卤素标记的神经受体已成为研究大脑疾病的有力工具。 可以预期，脑受体放射性药物的研究，将成为今后十年的一个热点。此外，201TlCl是当前世界上公认的心肌灌注显像剂。最近，99mTc-BATO，67Ga的正一价配合物心肌显像剂的研制成功，为放射性药物的发展又开辟了新的途径。 用放射性核素标记的单克隆抗体，原则上可以作为导向的“生物导弹”，将放射性核素专一地带向肿瘤部位，以达到显像诊断和治疗的目的，这方面研究也已成为当今放射性药物的发展重点。现在发展了一系列双功能联结剂如异硫氰基苄基DTPA及N2S2螯合物等，使111In、99mTc等核素标记单抗蛋白质，在黑色素瘤、卵巢瘤和结肠瘤的诊断方面取得了可喜的进展。由于99mTc的优异核性质，当前还在加速研究热力学稳定和动力学惰性的新功能联结剂以及发展99mTc直接标记的新方法。虽然这种方法离常规应用的要求还有一定的距离，但它的发展前景和重要性是十分引人注目的。 2.体内治疗用放射性药物 利用放射性药物在脏器中的选择浓集与放射性核素的辐射效应来抑制和破坏病变组织的放射性治疗已在肿瘤治疗中成为有效的手段之一。自1938年首次实现甲状腺功能亢进的131I治疗以来，随着人工放射性核素的大量生产，寻找能特异结合在病变部位，射程短，有适当的物理、化学和生物半衰期的，治疗用放射性药物已有十几种。尽管用放射性核素的腔内治疗，敷贴治疗与组织间移植治疗在肿瘤治疗中起了很大作用，但从80年代开始单克隆抗体技术及双功能联结标记技术的发展，极大地推动了治疗用放射性药物的研究。当前用于治疗的放射性核素有α放射性核素（211At，212Bi等）和β放射性核素（186Re，153Sm等）。其中少量伴有γ辐射的核素也可同时起显像作用。 目前这些放射性药物在肝癌、结肠癌、恶性嗜铬细胞瘤转移灶、甲状腺癌及甲状腺转移癌、白血病、骨癌等严重疾病的治疗中取得可喜进展，进一步完善和大力加强治疗用放射性药物的研究是当前放射性药物发展的一种新趋势。从近10年来美国核医学会统计的数字来看，今后10年内体内放射性药物发展的总趋势，将围绕着PET和SPECT所要求的放射性药物的方向发展，而且在某些领域内正在从纯以诊断为目的的显像技术逐渐向以诊断和治疗相结合以及加强治疗性放射性药物研究的方向发展。 （大部分内容来源于互联网） |
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