氚浓度标准值
1dpm/g=139.44TU
氚是氢的一种放射性同位素。氚的半衰期为12.43 A,地下水中氚含量较低,经电解富集。
首先对水样进行蒸馏,除去盐和大部分淬火物质和干扰放射性核素,然后用电解法进行浓缩。浓缩液在真空中蒸馏,样品用闪烁溶液制备并乳化。乳化样品计数与低本底液体闪烁计数器的β放射性。如果氚含量高,就不能进行电解浓缩。
仪器和设备
低本底液体闪烁光谱仪。
电导仪。
电解池。
电解池。
电极。
整流设备。
全玻璃磨蒸馏器。
计数瓶20mL石英瓶100毫升瓶子聚四氟乙烯。
试剂
高锰酸钾(固体)。
过氧化钠(固体)。
闪烁体中,将6gPPO(2,5 -diphenylzolium)和3gPOPOPO [1,4 -bis (2,5 -phenylzolium)苯]溶于1000mL甲苯中,加入500mL TritonX-100 (TritonX-100),混合均匀,保存于棕色瓶中。
氚水标准。
分析步骤
1)常压蒸馏。在烧杯中取水样,加入高锰酸钾使其呈紫红色加入过氧化钠,pH≈12,迅速倒入蒸馏瓶将蒸馏瓶放在电炉上,在常压下蒸馏,去掉前几毫升的蒸馏液。检测电导率应小于2.0μS/cm。
2)电解水样。准确取150mL蒸馏水样品,加入1.2GNa2O2,搅拌均匀,移入电解池,插入电极,关闭橡胶塞,连接电极系列,直流电源。电解应以小电流(3 ~ 5A)开始,防止气泡逸出时蒸汽损失。同时,应将电解水产生的氢和氧的爆炸性混合物安全引出房间。当电解液产品小时,可将电流增加到10A左右,然后逐渐减小电流,注意及时调整,以免电流密度过大时电极面积过大。当浓度达到10mL时,切断电源,取出电极,准确测量浓液体积(mL),计算浓度倍数
3)真空蒸馏。将所有浓缩的电解液转移至50mL蒸馏瓶中,用酒精干冰冷冻后抽真空。低温蒸馏采用调压器控制,蒸馏水的pH值在7 ~ 8之间。
4)样品制备与乳化。准确地将12.0ml闪烁液和5.0ml经真空蒸馏合格的水样加入20mL计数瓶中。合上计数瓶盖,在38 ~ 42℃的水中乳化,摇匀,冷却后封好瓶口。
5)测量。在选定的操作条件下,在黑暗中放置两天,用低本底液体闪烁光谱仪对乳化样品进行测量。
分析结果计算
氚的浓度计算公式如下:
岩石矿物分析第4卷资源环境调查与分析技术
式中:氚浓度,TU(氚单位,每1018个氢原子中有一个)C为样本总数T为总样本计数时间,minB为本底计数率,min-1(CPM)V为用于计数的样本数,mLCE表示仪器计数效率,%,DPM每分钟变化Rt为氚电解回收率,α为样品体积的浓度比E -λt为氚衰变函数(表83.2氚衰变系数表)。
放射化学法
方法提要
氚是氢的一种放射性同位素。氚的半衰期为12.43a,一般地下水中氚含量较低,多采用电解法进行浓缩富集。
水样首先经过蒸馏,除去盐分和大部分猝灭物质及干扰的放射性核素后,进行电解浓缩。浓缩液再进行真空蒸馏,然后,用闪烁溶液配制试样并乳化。乳化好的试样用低本底液体闪烁计数器对β放射性计数。若氚含量较高时,可不进行电解浓缩。
仪器和装置
低本底液体闪烁谱仪。
电导率仪。
电解槽。
电解池。
电极。
整流设备。
全玻璃磨口蒸馏器。
计数瓶20mL石英瓶100mL聚四氟乙烯瓶。
试剂
高锰酸钾(固体)。
过氧化钠(固体)。
闪烁液称取6gPPO(2,5-二苯基唑)和3gPOPOPO[1,4-二(2,5-苯基唑基)苯],溶解于1000mL甲苯中,加500mL曲通X-100(TritonX-100),混合均匀,贮存于棕色瓶中。
标准氚水。
分析步骤
1)常压蒸馏。取水样于烧杯中,加入高锰酸钾使呈紫红色再加过氧化钠,使pH≈12,并迅速倒入蒸馏瓶中将蒸馏瓶置于电炉上,进行常压蒸馏,弃去开始的几毫升蒸馏液。检测电导率应<2.0μS/cm。
2)电解水样。准确量取150mL蒸馏后的水样,加入1.2gNa2O2,搅匀,移入电解池中,插入电极,盖紧胶塞,并将电极串联,接通直流电源。电解开始时电流要小(3~5A),以防止气泡逸出时使水蒸汽损失。同时,要将电解水产生的具有爆炸性的氢氧混合物安全地引出室外。当电解液体积减小时,可加大电流至10A左右,随后又要逐步降低电流,注意适时调节,以避免在电极作用面积小时电流密度过大。当浓缩至10mL时,切断电源,取出电极,准确量出浓缩液体积(mL),计算浓缩倍数
3)减压蒸馏。将电解浓缩液全部移入50mL蒸馏瓶中,用酒精干冰冻结后抽真空。用调压器控制低温蒸馏,蒸出水的pH值介于7~8为合格。
4)样品配制和乳化。在20mL计数瓶中,准确加入12.0mL闪烁液及5.0mL减压蒸馏合格的水样。盖紧计数瓶盖,在38~42℃的水中乳化,充分摇匀,冷却后将瓶口密封。
5)测量。用低本底液体闪烁谱仪,在选定的工作条件下,将避光静置两天后的乳化试样进行测量。
分析结果的计算
按下式计算氚的浓度:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:氚的浓度,TU(氚单位,每1018个氢原子中的一个)C为样品总计数t为样品总计数时间,minB为本底计数率,min-1(cpm)V为计数用试样量,mLCE为仪器计数效率,%, ,dpm为每分钟里变量Rt为氚电解回收率, α为试样体积浓缩倍数e-λt为氚衰变函数(表83.2氚的衰减系数表)。
表83.2 氚的衰减系数(T1/2=12.43a)
1dpm/g=139.44TU。
误差计算
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
方法分析误差,因样品含氚放射性强度,液体闪烁谱仪特性,测量时间的长短等条件而异。
可控核聚变是人类正在努力攀登的 科技 巅峰,这项技术一旦实现,人类就可以获得源源不绝的清洁能源,从而一举为人类文明未来的发展铺平道路。
简而言之,核聚变其实就是较轻的原子核发生聚合作用,然后生成较重的原子核,并因为质量出现亏损而释放出大量的能量。作为宇宙中结构最简单、丰度又高得离谱的氢元素,理所当然地就成为了可控核聚变的最佳原料。
氢元素有三种同位素,分别为氕(H)、氘(D)、氚(T),其中氕原子核其实就是一个质子,氘原子核由一个质子和一个中子构成,氚原子核则包含了一个质子和两个中子。虽然在宇宙中的氢元素中,氕的相对丰度高达99.9844%,但由于实现氕的核聚变实在太难,人类目前暂时只能想办法利用氘和氚这两种氢的同位素。
从理论上来讲,氘和氚的核聚变可以有“氘-氘”、“氘-氚”以及“氚-氚”这三种类型,其中“氘-氚”核聚变释放的能量最多、实现难度又最低,因此在可控核聚变研究领域,目前主要都是以研究如何实现“氘-氚”核聚变,而这也就意味着,在不太遥远的未来,如果人类真的实现了可控核聚变,就会消耗大量的氘和氚。
相对来讲,地球上的氘是够用的,毕竟在地球的海洋之中就蕴含了大约40万亿吨的氘。然而氚的情况就不一样了,要知道氚是一种放射性同位素,其半衰期只有大约12.43年,也就是说,氚不可能在地球上长时间地大量存在。
实际上,地球上的氚的主要来源是宇宙射线与地球大气层的相互作用,由于这样的事情并不常见,再加上氚的半衰期相对较短,因此地球上天然存在的氚非常少,根据科学家的估算,就算将它们全部收集起来,其总量也只有几公斤。
这样的情况不免会令人担心,可控核聚变一旦实现,人类会把地球上的氚用光吗?毕竟地球上的氘本来就只有几公斤,这根本就不够用啊。
想象一下,人类辛辛苦苦实现了可控核聚变,到头来却发现没有足够的原料来使用,这确实是挺尴尬的,不过这样的事情并不会发生,因为氚是可以人工制备的。
就目前的情况来看,人工制备氚主要有两种途径,一种是利用中子(n)去轰击铍-9(9Be)原子核,然后就可以产生锂-7(7Li)和氚,其过程可描述为:“9Be + n 7Li + T”。
另一种是利用中子去轰击锂-6(6Li)原子核,然后就可以产生氦-4(4He)和氚,其过程可描述为:“6Li + n 4He + T”。
另一方面来讲,在氘和氚发生核聚变反应之后,会生成氦-4并释放出中子,其过程可描述为:“D + T 4He + n”。
也就是说, 氘和氚的核聚变会产生中子,而中子轰击铍-9或者锂-6时,又会产生氚 ,所以一个合理的设想就是,假如我们在可控核聚变反应装置的内壁加入铍-9或者锂-6,那么在理想情况下,启动核聚变反应时所加入的氚,其总量将一直保持不变,而铍-9或者锂-6则代替氚变成了消耗的原料。
如此一来,就相当于实现了氚的循环利用 ,我们也就不必担心人类会把地球上的氚用光了,当然了,人类也不会去收集地球上天然存在的氚,毕竟它们就只有几公斤,实在是太少了。实际上,人类最初加入可控核聚变反应装置中的氚,也只能通过人工制备,尽管氚的制备成本相对较高,但制备出来就可以一直循环使用,对于人类而言这根本不是问题。
值得一提的是,相对而言,人们更倾向于用锂-6来代替氚作为可控核聚变的“耗材”,这是因为当能量不足的中子(能量小于11.6MeV)轰击铍-9原子核时,并不会产生氚,而只会产生氦-4和氦-6(6He),即:“9Be + n(能量小于11.6MeV) 4He + 6He”,这不利于氚在反应装置中的稳定循环。
统计数据表明,截至2021年底,全球锂资源储量约为1500万吨,探明储量约为6500万吨,尽管锂-6在天然锂中的相对丰度只有7.5%,但这些锂也足够人类使用几十万年甚至更久,不出意外的话,在几十万年之后,人类应该早就实现了以氕为原料的可控核聚变,所以我们也不必担心未来的人类会将核聚变的原料用完,因为在宇宙中,氕可以说是到处都是。
世界上所有的物质其实都是由 原子 所组成的,而原子的内部结构则是一个原子核和很多个围绕其旋转的电子。只要在一定的条件下,这些原子核就会发生 爆炸反应 ,从而迸发出巨大的能量。
氢弹 所产生的爆炸就是因为原子核发生了 核聚变反应 ,从而产生了 巨大的能量波动 。其实 太阳 之所以能够一直 燃烧100亿年 , 也是由于核聚变所导致的 ,那么为什么氢弹却在一瞬间就爆炸了,而太阳却能够持续迸发将近100亿年的能量呢?
在上个世纪40年代,世界上的科学技术便达到了一个新的高度,核武器也是在那个时候出现的。最先提出关于核裂变设想的科学家是来自德国的哈恩和斯特拉斯曼,他们两位在1939年初就发表了关于 铀原子核裂变现象 的论文。
于是在几个星期之后,世界上的很多科学家便开始逐步证实这一观点,并且有人还认为可以创造出关于这种核裂变反应的条件,从而 为人类的发展提供一种更为强大的能量 。
历史 上很多最为先进的技术,都是最先运用在军事方面,核裂变也不列外。但是二战之前,原子弹的制造受到了政治条件和 社会 因素的影响而没有继续开展下去。但是到了1940年的时候,德国攻占了法国,于是英、美等先进国家便重新将注意力放在了 核武器 的研究上。
当时很多科学家担忧,一旦德国的法西斯分子率先掌握了核聚变技术就会给世界人民带来十分严重的后果,甚至爱因斯坦最后也给美国总统罗斯福写信,表明 原子弹实验已经迫在眉睫了 。
到了1942年,美国才开展 “曼哈顿工程区” 这项秘密计划。美国政府耗费将近60多万的人力以及20多亿美元的投资,于是到了第二次世界大战后期, 美国成为了世界上第一个制造出原子弹的国家 。
而苏联在1941年受到德国法西斯军队入侵后才正式官方性地开展原子弹制造计划,关于铀原子核的自发裂变便是在这个时候被苏联物理学家Г.Н.弗廖罗夫和Κ.А.佩特扎发现的。但是后来卫国战争的爆发,使得 苏联在1943年的时候,才在库尔恰托夫的领导下进行原子弹研究 。
由于苏联在1949年制造出了原子弹,使得美国人开始寻求一种 更为强大的武器 ,于是在1950年1月的时候,美国总统杜鲁门便呼吁要加快制造 氢弹 ,由此世界各国才开始把目光放在氢弹上面。
最终美国在上世纪50年代制造出了氢弹,而英国和法国也紧随其后,分别在在上世纪50年代和60年代开展了原子弹和氢弹实验,而我国关于氢弹的研究 历史 则是要追溯到1967年了, 仅仅在原子弹完成2年过后,我们便制造出了氢弹 ,让世界各国都刮目相看。
原子弹 的爆炸源于 撞裂原子核 ,而 氢弹 的爆炸原理则是源于 融合原子核 ,前者是 核裂变 来产生能量,而后者则是通过 核聚变 的方式。从爆炸的强度上看, 核聚变要比核裂变强大很多 。
氢弹的核聚变之所以会产生出爆炸,这就是因为氢弹将氢中的 两个同位元素氘和氚会相互融合形成氮 ,从而发生爆炸并释放出巨大的能量波动。氢原子的原子核里面仅仅存在着一个质子,但是 氘原子的原子核则多出来了一个中子 ,所以一旦氘原子遇上氚原子并进行融合的时候,那么 氦原子的能量 便会 小于氚原子和氘原子的能量之和 了。
其实在一般情况之下,物质中的两个原子核是没有办法进行融合的,因为在其内部都携带着 正电 ,一旦相遇便会互相 排斥 。但是氢就不一样,因为在氢原子的原子核中仅 仅存在着一个质子 ,所以 氢原子核所携带的正电往往会比其他原子核的正电小 。
只要在 高温 的环境下,就能够使得 二者相互融合 ,因为一旦环境的温度升高,那么原子的运动速度也会随着加快,所以要把两个原子核进行融合的话,就必须把两个原子的运动速度加快到非常高的程度,经过科学家们反复的实验,发现在温度达到 1亿摄氏度 的时候,就能够 完成这一理论 。
因为在1亿摄氏度的环境温度下,原子就会发生蜕变从而成为一种 等离子体 ,这个时候原子便会从原有的运行轨道上脱离下来, 让原子核之间的距离缩小 ,当这段距离到达1*10^(-15) 米时,强大的核力就会显现出来。
那么我们是如何制造1亿摄氏度高温去制造氢弹的呢? 其实在氢弹的内部还存在着一个原子弹 ,当原子弹发生了爆炸就会在 一瞬间产生高达1亿的温度 ,以此为氢弹的核聚变反应提供条件。所以恰恰是体内原子弹的贡献才会让氢弹能够瞬间点燃发生爆炸。
根据有关研究,其实太阳的燃烧和我们平常生活中看见的物质燃烧是不一样的,在太阳的内部一直都在进行着和氢弹爆炸相似的核聚变反应,所以太阳能够发出热量和光芒。
而太阳之所以能够持续燃烧将近100亿年,且不像氢弹会在一瞬间就发生爆炸,这主要是由两个因素所导致的,首先就是 太阳自身的燃料要足够充足 ,其次就是 让核聚变发生的反应速度要保持稳定 。
太阳是太阳系中无论是从质量还是体积上看都是最大的一颗星球,而人类所处的地球其质量 仅仅占了太阳系的0.0003% ,而且太阳的体积也是地球的 130多万倍 。所以太阳自身所存在的 氢元素 是非常多的, 能够支持其持续燃烧下去 。
太阳和宇宙中的其他行星一样,在内部高温高压的作用下,几乎是 每分钟就有大概6亿吨的氢会进行核聚变 ,并且还会有420万吨的物质会随之成为能量,这种能量会从太阳的中心逐渐向四周发生 扩张 ,从而 传达到太阳的表面上 。
如果说人类想要收集到一分钟太阳所释放出来的能量,那么几乎会 花费接近100万年以上的时间 。而太阳的中心发热区域经常会产生一种 可持续的聚变反应 ,会从外部向内部形成一种巨大的压力。
但是内部产生的核聚变往往会产生一种更为强大的张力,从而这 两种力量相互汇集 ,达到一种平衡性,所以恰恰是因为这种状态,才使得太阳能够持燃烧100亿年的时间。
太阳在发生核聚变的时候,经常会出现 质子-质子反应链 。而这种反应链想要发挥作用,就必须要 质子和质子之间完成第一阶段的核聚变反应,太阳才会迸发出能量 。
由于质子和质子之间相互存在着 正电荷 ,使得它们互相存在一种 排斥力 ,从而让核聚变的反应难以继续维持下去。那么太阳是怎么发生核聚变的呢?其实这主要是因为太阳上还有一种 “弱力” ,这种力量能够使质子的状态发生一定程度的变化,从而让太阳核聚变的反应变得可能。
但是仅仅依靠太阳自身的弱力其实还不太够,因为较低弱力让太阳上的质子相互碰撞的机会并不是很大,所以这就 要求太阳上质子的密度必须要更大 才行。而在宇宙大爆炸之初,宇宙空间便弥漫着大量的氢,于是太阳在形成后自身携带的氢数量是非常庞大的。
恰恰是庞大数量的氢和太阳上存在的弱力才 使得太阳发生核聚变的速度处于一种缓慢状态 ,同时又不会很快消耗完氢的数量,所以太阳才能够持续燃烧下去。
核能的发现对于人类来说既有好处同时也存在有 潜在的危机 ,核能发电可以使用铀来完成核分裂锁链进而产生出热量,并且还会把水加热成为高温和高压的状态, 从核反应迸发的热量来看就要比普通的化石燃料高出很多 ,而且 所需要的燃料数量比火力发电少 。
核能发电厂 每年 仅仅需要 消耗80吨的核燃料 ,而这些核燃料使用两个标准的货柜就能够进行运输了。假如将其换成 煤炭 ,那么就需要将近 515万吨 了,而且需要装载在20吨的卡车中,并且拉705辆才能运输。如果是天然气的话,就需要消耗143万吨了,换算下来几乎是 20万桶的家用瓦斯 。
不仅如此,核能发电不会像那些化石燃料发电厂一样,会将大量的污染物质排放到大气层中,所以 并不会产生过量的空气污染 。
但是核能发电在 历史 上也有很多失败的例子,曾经在日本的 福岛第一核电站 就发生过放射性物质泄漏事件,当时日本政府将核电站周围20多公里范围内的居民全部 紧急避难 。
随着污染情况的加剧,百姓们都要求能够得到安全庇护,所以政府的生物必需品的补给就变得十分困难,最后日本政府为此次事件进行了道歉,并 紧急叫停了14座新增的核反应发电堆项目 ,对其能量政策开展了全方面的检查。
第二起比较大的核反应泄漏事件就是发生在上个世纪末的 切尔诺贝利核泄漏事件 了,当时很多居民都受到了不同程度的核辐射,一旦放射性物质进入到人的呼吸系统,就会在人体内引起内辐射反应,从而产生 头昏、出血甚至是癌症和新生婴儿畸形 等情况,而且这些病症还会遗传下去,身体受到的辐射越是严重,那么产生的痛苦就越是巨大。
切尔诺贝利核泄漏问题使得前苏联几乎投入了 2000亿美元 才勉强控制住,但是随着空气的飘动,当时的很多欧洲国家,例如白俄罗斯和瑞典等都不同程度的污染。
大概有9.3万人在这次事件中丧失生命,还有 27万人因此患上疾病 ,而且直到现在,当地政府也只是将切尔诺贝利工厂封闭起来,仅仅能维持100年的时间,而在100年后,这些核污染有该怎么解决呢?这依旧是一个问题。
核能也是一种 新能源 ,但是我们在享受它的同时,也必须对它 提高警惕 ,防止再次出现切尔诺贝利那样的核泄漏事件,所以我认为:核能既是天使,同时也像是一个恶魔。只有完善关于核反应的检测系统和预备措施,才能安心地使用它们。
土壤污染是指人类活动所产生的污染物质通过各种途径进入土壤,其数量超过土壤的容纳和同化能力而使土壤的性质、组成性状等发生变化,导致土壤的自然功能失调,土壤质量恶化的现象。土壤污染物质的来源极为广泛,主要来自工业废水,城市生活污水和固体废物、农药与化肥、牲畜排泄物、生物残体以及大气沉降物等。
土壤中的污染物含量如果超标,会造成潜在的健康和生态危害。很多人类活动都可能会导致土壤污染,譬如向土壤表面丢弃、排放固体或液体污染物;施用杀虫剂;地下储罐、管道和垃圾填埋泄露;以及大气污染物(如含铅尘埃、颗粒物等)沉降等。常见的污染物有:燃料中包含的挥发性碳氢化合物类,如苯、甲苯、乙烯和二甲苯(BTEX);重质石蜡和有机氯化物,如PCB(多氯联苯)和PCP(五氯苯酚);铅、镉、砷、汞等无机物;氚等放射性元素。土壤通常受到多种物质的混合污染。任何具体污染物的积累、活动性、毒性和总体上的重要性取决于土壤性质、污染物的物理化学特性以及气候、水文等环境条件互相作用。