锕 （一种放射性金属）

简介

1899年法国化学家A.L.Debierne首次从沥青铀矿渣中分离出锕。锕共有31种同位素，其质量数位于206-236之间，全部具有放射性。在这些同位素中除Ac和Ac是天然放射性同位素外，其余都是通过人工核反应合成的。锕可用于放射性同位素电池、中子源和靶向α粒子疗法等领域。

发现历史

1899年，法国化学家A.L.Debierne在著名的Curie实验室进行铀矿的废物处理时，发现了一种前所未知的放射性物质。它与钍、稀土元素一起被氨水沉淀，很难彼此分离，但其放射性却比钍大许多倍。Debierne 声称他发现了一种新的元素，并将其命名为锕（Actinium），原子序数89，化学符号Ac。Actinium由希腊文 aktis 、aktions而来，即射线之意。

1902年，德国化学家F.O.Geisel独立地从沥青铀矿石的酸性溶液中沉淀得到的稀土馏分里，发现放射性元素。1904年他根据新物质的独特性质将其命名为emanium。1904-0905年间，经国际对比证实Debierne和Giesel首先发现的是同一种元素——Ac，定名为actinimu，并确认Debierne为发现者。

Hahn在1908年发现了锕的同位素Ac，取名为新钍-2(MsTh₂)，它是Ra(MsTh₁)的衰变产物，属以Th为起始核的钍(4n)放射系成员。

分布情况

Ac在地壳中丰度为3.0✖10%，存在于沥青铀矿石中。它是由铀衰变而来，Ac是U的α衰变子体，可发生β衰变生成227Th，半衰期为21.77年，是锕同位素中半衰期最长的。Ac存在于Th矿中，半衰期为6.15h，经β衰变成Th。锕常与铀矿中的稀土相伴生。世界已探明可靠铀矿资源总量为807.1万吨，但品位高、开采成本低的铀矿资源较少，占比不足世界总量的20％。超过世界总量92％的铀矿资源主要集中在澳大利亚、加拿大、丹麦、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦、尼日尔、纳米比亚、巴西、中国、南非、印度、蒙古国、乌兹别克斯坦、捷克、美国等国家。低回收成本铀矿资源主要分布于加拿大、巴西、哈萨克斯坦、中国和乌兹别克斯坦等国，其中资源量最大的是加拿大，占低回收成本铀资源总量的47.25%； 其次为巴西，占28.86%，二者之和已超过世界低回收成本铀矿资源总量的75%。

同位素与核性质

锕已知的同位素有31种，其质量数分别从206-236，全部是放射性核素，其中有三种具有实际的重要意义，分别是Ac、Ac和Ac。其中Ac和Ac是天然存在的放射性核素，Ac是天然放射性衰变系锕铀(4n+3)系的成员，其半衰期为21.77年，是寿命最长的锕同位素；Ac是天然放射性衰变系钍(4n)系的成员，其半衰期为6.15h。Ac是人造放射性衰变系镣(4n+1)系的成员，半衰期为10d，一般不认为它是天然存在的核素。除这三者外，其他锕同位素半衰期为秒或分的量级。质量数较小的同位素发生α衰变，质量数较大的则发生β衰变，唯有Ac主要以电子俘获形式释放它的能量。锕主要同位素重要核性质见下表：

理化性质

锕为银白色金属，能在暗处发光。它的化学性质活泼，在空气中会迅速氧化使表面蒙上一层白色物质。锕的熔点1050℃，沸点3200±300 ℃，密度10.07克/cm。锕有两种变体，一种是低温α相具有面心立方晶格，另一种是高温β相。锕的基态电子构型是[Rn]6d7s，氧化态为+3，Ac/Ac的标准电极电势是-2.58V，因此化学性质与镧接近，是活泼的化学元素，但锕具有更明显的碱性。

锕的化合物

氢化物

金属锕可与氢气在350℃时反应生成分子式尚未确定的氢化物；用钾蒸汽还原AcCl₃时，也有少量锕的氢化物产生。此氢化物具有立方CaF₂型晶格，密度为8.35g/cm³。

氧化物

当金属锕与氧气接触时生成Ac₂O₃，这氧化物层能阻止它被进一步的氧化。将锕的草酸盐、硝酸盐或氢氧化物在1000—1100℃的氧气中进行灼烧，也可得到Ac₂O₃，Ac₂O₃与La₂O₃同晶，具六方结构。反应方程式如下：

卤化物

锕的卤化物均是三价卤化物。AcF₃是由锕的氢氧化物和HF在高温下反应生成的；AcCl3是由四氯化碳与氢氧化锕在高温条件下反应产生的；AcBr_3、AcI₃是由锕的氧化物与溴化铝或碘化铝在高温真空条件下反应产生的。

卤氧化物

锕的卤化物与水蒸气、氨在高温下发生反应，可导致卤化物水解并生成卤氧化物，例如：

除AcOF具有CaF₂型晶格外，其他卤氧化物如AcOCl、AcOBr均呈六方PbClF型晶体结构。

制备方法

锂蒸汽还原法

在铀矿中锕的含量仅为150亿万分之一，因此没有办法通过从铀矿中分离出足够多的锕。可以利用锂蒸汽来还原AcF₃制备毫克级的金属锕。该反应在微量钼坩埚中，于高真空体系中加热进行。反应方程式如下：

还可以用锂蒸汽在350℃条件下，通过X射线毛细管内的AcCl₃，来制得约10ug的锕。此外，用Ac₂O₃和钍金属粉末在高温和真空条件下相互作用，也可制得少量锕。

锕的各种同位素的制备方法

锕的其他同位素主要是通过用中子轰击得到的，以下是锕的各种同位素的制备方法：

应用领域

放射性同位素电池

放射性同位素放出的射线被周围材料吸收发热形成温差，此温差可用来产生电流。最大的热电离同位素电池功率达到百瓦级。同位素电池的主要用途是空间动力，优点是工作寿命长(主要取决于同位素半衰期)、生存能力强、结构紧凑、安全可靠。Ac的长半衰期及高比功率使它很适合用作空间同位素电池的同位素燃料。

在辐射防护领域

在发生核泄漏事故后，需要对环境中放射性核素进行含量分析，另外, 大量的工作人员、急救人员甚至公众可能通过吸入污染的空气或摄入受污染的食物和水而受到内照射, 需要迅速评估潜在的内照射剂量, 以确定是否需要立即进行医疗干预,减少急性或长期的健康影响, 也需要快速、准确的放射生物分析 (包括尿样和粪便样品中放射性核素的分析) 。通过对锕系元素的含量检测，可以解决这个问题。

核反恐领域

锕系核素分析是核取证的关键技术。通过对核爆炸的核材料或核爆炸碎片样品中锕系核素进行分析, 可确定未知放射性材料或武器的来源和归属。

靶向α粒子疗法（TAT）

TAT是一种新的治疗癌症方法，在发达国家很受重视。它是用α射线选择性地破坏肿瘤细胞。由于α射线的短射程(<100μm)和高电离密度，TAT的辐射剂量可对癌细胞产生高细胞毒性，而对健康机体的伤害会大大减少。用于TAT的α核素要求较为苛刻，他必须要有合适的半衰期，伴随的β、γ射线要少，因此满足条件的核素很少，Ac的后代子体Bi可能是最佳的选择。

此外，用Ac-Be发生中子，作为中子源用在活化分析中。

安全事宜

在所有锕放射性核素中，锕-227的半衰期最长，为21.77年。衰变模式是α、β和γ发射。AC-228的半衰期为6小时，通过β和γ发射衰变。Ac-227（ALI = 0.004 mCi）和Ac-225（ALI = 0.005 mCi）的内部毒性非常高，Ac-228的内部毒性很高（ALI = 0.02 mCi）;氧化物和氢氧化物的肺清除半衰期为>100天，卤化物和硝酸盐为10-100天，其他化合物为<10天。对于锕的防护措施主要是参考电离辐射防护措施。电离辐射可以引起生物体内分子特别是大分子（核酸、蛋白质等）的变化，从而造成生物大分子结构和性能的改变，其结果是造成细胞损伤，特别是DNA损伤，进而导致组织坏死、癌变或遗传病等。

电离辐射的防护

电离辐射的防护可分为外照射的防护和内照射的防护。

外照射防护办法：

时间防护——受照时间越长，个人所受累积剂量也就越大。在一切操作中应以尽量缩短受照时间为原则；

距离防护——增大人与辐射源间的距离，可降低人员的照射量；

屏蔽防护——在辐射源与人体之间隔上一层屏蔽物质，以减弱射线照射。

内照射防护办法

基本防护方法有围封隔离、除污保洁和个人防护等综合性防护措施。

围封隔离防扩散。对于放射源及其工作场所必须层层封锁隔离，把放射源控制在有限空间内。放射性工作场所要有明显的当心电离辐射标志，与非放射性场所区分开。对人员和物品的进出要进行监测。

除污保洁。操作开放型放射源，工作场所容易除被污染，操作时要严格控制污染，随时监测污染水平。应当制定严格的规章制度和操作规程，防止放射性核素泼洒、溅出和污染环境与人体。遇到放射性污染应及时监测，同时使用各种除污染剂(如肥皂、洗涤剂、柠檬酸等）洗消除污。

个人防护。放射源操作者必须正确使用个人防护用具(如口罩、手套、工作鞋和工作服等)，遵守个人防护规则，禁止一切能使放射线侵入人体的活动。例如严禁在作业场所饮水、进食、吸烟；严禁用口吸取放射性液体等。