硼同位素分离方法.docx

硼同位素分离方法1•同位素概况1・1稳定同位素在元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于 1015 年的元素的同位素，称为稳定同位素1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质量数为20和22的 两种同位素所组成，第一次发现了稳定同位素1919年阿斯顿制成质谱仪，并在71 种元素中发现了2 02种核素，绝大多数是稳定 的；后来利用光谱等方法发现了氧、氮等元素的稳定同位素地球上已发现的稳定同位素共2 74种，原子序数在84以上的元素的同位素都是放 射性同位素常用的有34种，已实现规模生产的稳定同位素及化合物有235U、重水、6Li、 10B它们是重要的核工业材料或作示踪原子元素的同位素组成常用同位素丰度表示，同位素丰度是指一种元素的同位素混合物 中，某特定同位素的原子数与该元素的总原子数之比1.2同位素分析方法同位素分析通常是指样品中被研究元素的同位素比例的测定它是同位素分离、同 位素应用和研究中不可缺少的组成部分质谱法 它是稳定同位素分析中最通用、最精确的方法它是先使样品中的分子或 原子电离，形成各同位素的相似离子，然后在电场、磁场的作用下，使不同质量与电荷 之比的离子流分开进行检测。

若用照相底板摄像检测,则称质谱仪将离子流收集在法 拉第杯电极上,并用静电计测量电流，以能使仪器自动连续地接收不同荷质比的离子， 这样的仪器称为质谱计这两种仪器不仅能用于气体，也可用于固体的研究质谱计能 用于几乎所有元素的稳定同位素分析核磁共振法 它是稳定同位素分析的另一重要方法由于构成有机体主要元素的稳 定同位素氘、碳13、氮 15、氧17和硫33 等的核自旋量子数均不为零，在外磁场的作 用下,这些原子核都会象陀螺一样进动,若此时在磁场垂直方向加上一个射频电场，当其 频率与这些原子核进动频率相同时，即出现共振吸收现象,核自旋取向改变,产生从低能 级到高能级的跃迁；当再回到低能级时就放出一定的能量，使核磁共振能谱上出现峰值， 此峰的位置是表征原子核种类的磁场强度恒定时，根椐共振时的射频电场频率，可以 检出有机体样品中不同基团上的同位素，根据峰高,还可测定含量,但由于其测定灵敏度 较低，一般不作定量分析用光谱法 利用红外振动光谱中同位素取代引起的谱线位移，可测定氢化合物中的氘 含量原子吸收、发射光谱等可用于氮等同位素分析,甚至可作铀 235 浓度的中等精度 测定气相色谱法 可用于氢、氮、氧等的同位素分析，是一种简单、易行的分析方法。

密度法 一般用于水中氘的同位素分析，其中有比重瓶法、落滴法、浮沉子法等1.3硼同位素天然硼元素有两种稳定同位素，即ioB和iiB，丰度分别为19.78%和80.22 %ioB 具有对中子高吸收的独特特性， 10B 对热中子的吸收截面为 3837巴，自然丰度的硼对热 中子的吸收截面接近于750巴，而iiB仅为0.005巴，因此ioB对热中子的吸收截面是自 然丰度硼的5倍还多正是由于10B同位素的这种特性，使得10B同位素的相关产品广泛 应用到军用防护、核武器及核工业等军事领域硼稳定同位素主要物理性质列于表1表1 硼稳定同位素主要物理性质序号硼稳定同位素10B11B1质量数10112原子质量（160=16）10.01611611.0127963自然丰度，%19.7680.224核自旋，I33/25吸电子能力（与C相比）22.17.54 x 10-26电极矩，Qx 10-28 m28.5 x 10-24.1 x 10-27热核捕获界面，10-28 m2(n, a)(n, Y)38370.5<0.05<0.058Y射线能量,MeV4.47-11.430.95-5.739与中子反应10B ( n, a 7L+2.31MeV10B(n, y ) nB + 0.47MeV11B(n, y )12B (t =0.019s )1/22.硼同素分离发展二战以来，由于原子能工业的发展,反应堆和原子弹需要10B作控制元件以控制中子 注量率，因此迫切需要大量的10B,这使得10B的分离得到了较快发展，1944年，出现年产 300kg1°B的工业生产装置。

据文献报道，富集 10B 的方法有很多,从分离提纯技术上看,主要分为以下 5 种:三氟 化硼化学交换精馏法、三氟化硼低温蒸馏法、离子交换树脂法、激光分离法、电磁法上述这些方法中三氟化硼低温蒸馏法和三氟化硼化学交换精馏法外,其他几种方法 均未能实现工业规模生产三氟化硼低温蒸馏法前苏联曾使用过,因能耗大,成本高,现 已淘汰目前 10B 的分离以三氟化硼化学交换精馏法为主,其他方法还处于研究探索阶 段2.1化学交换精馏法的发展化学交换精馏法分离硼同位素的原理：同位素分子具有不同的零级能量, 零级能量 是热力学函数的一个重要参数,热力学函数决定物质的许多物理化学性质,零级能量的 变化会影响挥发性、平衡常数、反应速度等,对构成物质组分的化学元素进行同位素分 离时就利用了这些性质的差异迄今为止,化学交换精馏法分离ioB同位素经历了三个阶段：1961年以前采用三氟化 硼-乙醚络合物化学交换精馏法;1961年以后,被三氟化硼-甲醚络合物化学交换精馏法 所取代;而后, 又被三氟化硼-苯甲醚络合物化学交换反应精馏法所取代。