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DPAL的动力学模拟和SrCl2蒸气激光的实验研究
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来源:  作者:李华芹尹国师;
铷—锶年龄测定中样品制备的一种新方法  在钩一钮年龄测定中,制样工作占有重要地位.要从千变万化的岩石、矿物样品中制出能满足质谱测定的Rb、sr同位素样品,要使Rb87和sr87这对同量异位素完全分离,就需要有一个简便、完灸的方法。国内、外的Rb一sr同位素实验室大都采用离子交换分离制样法‘:,‘“气”君 为了满足高精度、高灵敏度及高自动化程度的质谱仪对Rb、sr同位素样品的需要,笔者用放射性示踪试验对各类岩石矿物中的Rb一Sr分离方捧进行了研究〔幻、‘)。笔者在总结大量实验成果的基础上,提出了一套新的制样方法,即复床式离子交’换分离法。方法能应用于火成岩,变质岩和某些沉积岩类,并具有较好的经济效果。 一、实验工作 一为了弄清某些岩石中的大量基体元素(如Fe、A1、ca、Mg等)在树脂柱上的吸附和洗提行为,笔者采用FeSS十5,、Ca‘5、Rb二和sr.9四种人工放射性示踪剂,对不同种的一些岩石矿物中的Fe、Rb、ca、sr在AG sowxs树脂柱(条伟协内=7om,h=loe。,v=z滴八。一22秒,内装200一如。目树脂3克)和无机离子交换剂磷酸铅(简式为zrP)子柱(条件:功内=4.omm,h二4.scm,v=l滴八5一(本文共计5页)          
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金屬:銀白色
鍶(Strontium)·Sr·38
2,8,18,8,2
(1787年)
(1808年)
時液體密度
2.375 g·cm-3
1050 ,777 ,1431
1655 ,1382 ,2520
136.9 kJ·mol-1
26.4 J·mol-1·K-1
(強鹼性)
0.95(鮑林標度)
第一:549.5
第二:1064.2 kJ·mol-1
第三:4138 kJ·mol-1
195±10 pm
(20 °C)132 n Ω·m
35.4 W·m-1·K-1
(25 °C)22.5 um·m-1·K-1
最穩定同位素
0.76, 0.36
穩定,帶46個
穩定,帶48個
穩定,帶49個
穩定,帶50個
鍶(Strontium,舊譯作鎴)是一種化學,它的是Sr,它的是38,屬於周期表的2A族,是一種銀白色有光澤的。
鍶是鹼土金屬中豐度最小的元素。在自然界主要以化合態存在,主要的礦石有(SrSO4),(SrCO3)。1787年,由英國人霍普發現,亦經過他的朋友克勞福德確認。1807年英國化學家電解時發現了金屬鍶。工業用電解熔融的製取鍶。
鍶的化學性質活潑,加熱到熔點(769℃)時即燃燒,呈紅色火焰,生成(SrO),在加壓條件下跟氧氣化合生成(SrO2)。跟、、等容易化合。加熱時跟氮化合生成(Sr3N2)。加熱時跟化合生成(SrH2)。跟、稀劇烈反應放出氫氣。常溫下跟水反應生成氫氧化鍶和氫氣。鍶在空氣中會轉黃色。
鍶元素廣泛存在在礦泉水中,是一種人體必需的微量元素,具有防止動脈硬化,防止血栓形成的功能。
鍶和碳酸鍶均是根據Strontian來命名的,這是蘇格蘭的一個小村莊,其附近的礦物質Strontian於1790年首先由Adair Crawford和William Cruickshank發現。19世紀自甜菜中提取糖料的發明是其最大的一個應用(參見strontian工藝)。鍶化合物如今主要用於生產電視機中的陰極射線管,以其他顯示法代替使用陰極射線管的做法正在改變鍶的總消費量。
鍶是一種銀灰色金屬,比鈣軟,遇水更易起反應,並產生氫氧化鍶和氫氣。在空氣中鍶若燃燒既會產生氧化鍶也會產生氮化鍶,但在380°C以下不與氫發生反應,因此在室溫下自動生成的只有氧化鍶[2]。關於金屬鍶,目前發現有三種同素異形體存在,其轉換點為235°C和540°C[3]。
由於鍶與氧和水極易起反應,因此這種元素通常僅存在於與其他元素合成的化合物中,比如說存在於礦物質碳酸鍶和天青石中。將其放入液態碳氫化合物如礦物油或煤油中可防止發生氧化;剛暴露於空氣中的金屬鍶可迅速生成氧化鍶並轉變為黃色。粉末狀金屬鍶易自燃,也就是說可在室溫下的空氣中自動起燃。揮發性鍶鹽可將明亮紅色的物體點燃,因此常用於煙火術以生成煙花。天然鍶是四種穩定的同位素的混合物[2]。
鍶的名字來源於蘇格蘭的一個村莊Strontian,發現於此處開採出的鉛礦石中[4]。1790年,制鋇物理學家Adair Crawford和他的同事William Cruickshank發現,Strontian礦顯示出與其他「重晶石」中常見的特性不同的特性[5]。因此,Adair在第355頁指出這樣的結論:「……蘇格蘭的這種礦石可能其實是一種新型土壤,但卻沒有對其進行過足夠的研究。」這位物理學家與礦石收藏家Friedrich Gabriel Sulzer以及Johann Friedrich Blumenbach共同對來自Strontian的這種礦物質進行了分析,並將其命名為菱鍶礦(strontianite)。他還得出另一個結論:這樣礦物質與毒重石(witherite)不同,它含有一種新型土壤[6]。1793年,格拉斯哥大學化學教授Thomas Charles Hope提議採用strontites這個名字[7][8][9][10]。他肯定了Crawford早期的研究成果,同時也重申:「……考慮到它是一種特殊的土壤,我認為有必要給它重新命名。根據它被發現的地點名稱,我將它命名為Strontites;這是我採用的一種派生法,恰如其分,也是目前流行的一種做法。」這種元素最終於1808年由Humphry Davy爵士分離出來,是通過電解法將含有氯化鍶和氧化汞的混合物分離後得出,他於日在英國皇家學會作報告時宣布這一成果[11]。仿照為其他鹼性土命名的方法,他後來又將名字改為strontium(鍶)[12][13][14][15][16]。
對鍶的首次大規模應用是用甜菜生產糖。雖然早在1849年由Augustin-Pierre Dubrunfaut專利發明可採用氫氧化鍶進行晶化處理[17],但直到19世紀70年代對這一工藝進行改進之後才得以大規模應用。德國的製糖業直到20世紀還在使用這一工藝。第一次世界大戰之前,甜菜製糖業每年要使用10-15萬噸氫氧化鍶[18]。在製糖工藝中氫氧化鍶得到回收利用,然而,若要彌補生產過程中產生的大量流失,就需要在明斯特蘭地區大規模開採菱鍶礦。當格羅斯特郡開始開採天青石礦藏之後,德國就不再開採菱鍶礦[19]。年期間,這些礦的開採基本確保了全世界的鍶需求量[20]。雖然格拉納達盆地的天青石礦藏已為世人所知有一段時間,但大規模開採直到20世紀50年代才開始[21]。
在大氣核武器試驗期間發現,90Sr是核裂變產生的產量相對較高的產物之一。由於與鈣相似,90Sr可在骨骼中富集,因此關於鍶代謝方面的研究已成為一個重要課題[22][23]。
鍶通常存在於自然之中,是地球上第15大蘊藏量最豐富的元素,估計在地殼中每一百萬中就有約360個鍶元素[24],主要以硫酸鹽礦物天青石(SrSO4)和碳酸鹽礦物菱鍶礦(SrCO3)兩種形式存在。在這兩種礦物質中,天青石更常見於大型沉積層,非常適於開採和開發。由於鍶通常以碳酸形式使用,因此兩者中菱鍶礦更為常用,但幾乎還沒有發現適於開採開發的菱鍶礦[25]。
海水中的鍶平均含量為8毫克/升[26][27]。鍶的濃度為82-90微摩爾/升,遠低於鈣的濃度,鈣濃度通常為9.6-11.6毫摩爾/升[28][29]。
根據英國地質調查局提供的數據,2007年中國是最大的鍶生產國,生產世界上2/3的鍶,其後是西班牙、墨西哥、土耳其、阿根廷和伊朗[30][31]。
開採出的大量天青石可通過兩種工藝轉換為碳酸鹽。或者直接通過碳酸鈉溶液溶解,或者以煤燒烤生成硫化物。第二種工藝會產生一種暗色物質,其中主要含的是硫化鍶。這種所謂的黑灰溶於水後可進行過濾。硫化鍶溶液中加入二氧化碳,就可沉澱出碳酸鍶[32]。通過以下碳熱還原過程,可自硫化鍶中還原出硫酸鍶:
SrSO4 + C → SrS + 2 CO2
通過這種方式每年的全球硫酸鍶產量約為30萬噸 [33]。
商業上利用鋁從氧化鍶中還原出金屬鍶,將鍶從混合物中蒸發出來[33]。原則上,將氯化鍶溶液放入熔化的氯化鉀中電解後可還原出金屬鍶:
Sr2+ + 2 e- → Sr
2 Cl- → Cl2 + 2 e-
鍶具有4個自然存在的穩定同位素:84Sr (0.56%)、86Sr (9.86%)、87Sr (7.0%) 和 88Sr (82.58%)。其中只有87Sr通過放射產生:也就是從放射性鹼性金屬87Rb(銣)衰變後產生,銣的半衰期為4.88 × 1010年。這樣,任何一種材料中均有兩種87Sr的來源:第一種是利用晶石與84Sr、86Sr和 88Sr三種同位素共同生成;第二種是87Rb放射性衰變後產生的。87Sr與86Sr之間的比率是地質調查中通常使用的參數;礦物質與岩石的比率範圍為0.7到4.0以上。鍶與鈣的原子半徑接近,它可以替代各種材料中的鈣。
已知存在的同位素有16種。其中最為重要的是半衰期為28.78年的90Sr以及半衰期為50.5天的89Sr。90Sr是核裂變的副產物,存在於核塵中,由於它可替代骨骼中的鈣而無法從身體排出,因此造成健康問題。這樣同位素是已知的存在時間最長的高能率β輻射體,用於核輔助動力系統SNAP設備中。這種設備非常適用於太空飛行器、遠程氣象站和航行浮標,需配備有薄型耐用核電裝備。1986年的車諾比核電泄漏事故導致了大面積90Sr污染。將90Sr封存在凹形銀箍中也可用於翼狀胬肉切除後的治療[2]。
89Sr是一種非耐用人造放射性同位素,用於治療骨癌。當癌症病人骨骼出現大面積(繼發性)疼痛性病毒轉移時,施用89Sr可引發放射性輻射(這種情況下也就是β顆粒輻射),直接輻射到有病患的骨骼周圍(也就是鈣轉換最多的地方)。89Sr是作為(可溶性)氯鹽生產出的,溶解於普通的鹽水後可用於靜脈注射。一般來說,治療癌症病人時使用的劑量是150MBq。患者須謹慎施用,由於他們的尿液會受到放射性污染,因此必須坐便並重複沖洗馬桶。β顆粒在骨骼中的移動速度為3.5毫米(能量0.583 MeV),在組織中的移動速度為6.5毫米,因此不必隔離治療中的患者,例外的是,施用10-40天內不可讓其他人(尤其是兒童)在其膝上久坐[根據需要提供引證]。根據89Sr清除所需時間,對久坐時間的要求也隨之變化,這取決於腎臟功能和病毒轉移量。若病毒轉移量較大,全部劑量的89Sr可抵達骨骼內部,因此放射性直到50.5天的半衰期後才會發生衰變。需要10個半衰期或者約500天才可使99.9%的放射性鍶89Sr發生衰變。然而,若骨骼病毒轉移量較小,未被骨骼吸收的大部分89Sr會被腎臟過濾掉,因此有效半衰期(物理和生物半衰期)就要短得多。
鍶用於製造合金、光電管、照明燈。它的化合物用於制信號彈、煙火等。
是一種放射性同位素,是裂變產物,其半衰期為28.1年。
可做β射線的放射源,對人體有相當大的危害,半衰期為25年,它在核試驗中由鈾產生,以粉塵的形態被人體吸入,對人體產生放射性傷害。在醫學上有一定的應用。
把的鍶-87m引入患者身體中,待骨骼吸收後,用輻射檢測器可測定其在人體骨骼中所處的位置,並確定人體中出現異常的情況。鍶-87m半衰期只有2.8小時,會很快從人體中排出,因此,人體所受輻射量很小。
鍶產量的75%用於彩色電視機內的玻璃陰極射線管[33]。它可以防止X射線輻射[34][35]。陰極射線管(CRT)的每一個部分必須要能夠吸收X射線。在陰極射線管的頸部和漏斗位置使用鉛玻璃就是為此目的,但這種鉛玻璃由於內部X射線起反應而產生褐化效應。因此,前板應當使用一種不同的玻璃混合物,其中的鍶和鋇就是吸收X射線的物質。2005年進行的一項回收研究表明,玻璃混合物平均值應當是8.5%氧化鍶加上10%氧化鋇[36]。陰極射線管中的鍶用量出現下降,因為陰極射線管被其他顯示法取代,這對鍶的開採量和提煉量產生重大影響[25]。
由於鍶與鈣類似,因此鍶也可被骨吸收,4種穩定同位素也大體按自然比例被吸收。然而,不同地理位置的同位素實際比例變化較大。因此,通過分析個人的骨骼可以幫助確定其來自哪一地區。這種方法有助於確定古代遷移模式,也有助於識別戰場掩埋地點的混合人類遺體。因此,鍶對法政科學家也有幫助。
87Sr與86Sr之間的比例常用於確定自然系統中沉積物的可能起源地,尤其是海洋和河流環境中的沉積物。Dasch在1969年證明,大西洋底表面沉積物中的87Sr/86Sr比例可被視為鄰近陸地地理地形的87Sr/86Sr整體平均比例[37]。關於河流海洋系統的鍶同位素起源地方面的一項成功研究對象就是尼羅河-地中海系統[38],由於藍色和白色尼羅河主體岩石的石齡不同,可通過研究鍶同位素確定抵達尼羅河三角洲和東部地中海的一系列沉積物的起源地匯水區。這種起源地變化受晚第四紀氣候控制。
最近,87Sr/86Sr比例也被用於確定古代材料的起源,比如說新墨西哥查科峽谷中的林木和玉米起源地[39][40]。牙齒中的87Sr/86Sr比例也可用於推斷動物遷移路線[41][42]或者用於犯罪法證。
碳酸鈣或其他鍶鹽可在煙火中形成深紅色,因此用於煙火製造 [43],用量約佔全世界產量的5%[33]。
89Sr是美他特龍中的一種活性成分(也就是通用的美他特龍Metastron,是Bio-Nucleonics公司生產的泛型氯化鍶Sr-89注射液[44]),美他特龍是一种放射性藥物,用於治療緩解轉移性骨癌的繼發性骨痛。鍶與鈣的作用類似,在骨質增生處更易被骨吸收,因此癌病變部位更易暴露於輻射。
90Sr作為一種能源用於放射性同位素熱電發生器(RTGs)。每克90Sr可生成約0.93瓦特的熱能(在RTGs中使用的90Sr若採取氟化鍶形式,產生的熱能則略低[45])。然而,90Sr比另一種RTG燃料鈈(238Pu)的壽命短1/3而且密度也低。90Sr的主要優勢在於,它比238Pu價格低而且存在於核廢物中。蘇聯將其北部沿海地區的近1000個放射性同位素熱電發生器作為燈塔和氣象站使用[46]。
90Sr也用於治療癌症,其β輻射率以及較長的半衰期適於作表層放射治療。
氧化鍶有時也用於生產適用于敏感性牙齒的牙膏。有一個流行品牌的牙膏中使用了10%重量的氯化鍶六水合物[47]。
在鋅的提煉過程中也可使用少量的鍶以去除所含的少量鉛雜質[2]。
o 鈦酸鍶具有極高的折射率以及比鑽石還高的光學色度,因此可用於各種光學領域。由於具有這一品質,它可被切割成寶石,尤其是是作為鑽石仿製品。然而,由於它非常軟且易刮花,因此很少被使用[2]。 o 用作鐵氧體磁鐵。 o 鋁酸鍶可用作磷光體,發出的磷光可保持很長時間。 o 氧化鍶有時也用於提高陶器的光澤質量。 o 雷尼酸鍶用於治療骨質疏鬆症,在歐盟地區作為處方藥使用,但在美國卻不屬於處方藥。 o 鈮酸鍶鋇可作為「螢幕」用於室外3D全息顯示[48]。
金屬鍶可製成鍶鋁(90%+10%)共熔合金,用於改進鋁矽合金鑄造工藝[49][50]。AJ62是一種耐用抗蠕變鎂合金,用於寶馬汽車和摩托車引擎,其中鍶的重量比為2%[51]。
對神經元中的神經傳遞物質釋放進行科學研究時也可用到鍶。與鈣類似,鍶有利於促進突觸小泡與突觸膜之間的融合。但是,與鈣不同的是,鍶會導致非同步囊泡融合。因此,在培養皿中以鍶代替鈣,科學工作者就可測量單一囊泡融合產生的效應,也就是說,對單囊泡中神經傳遞物質濃度所引發的後突觸反應進行測量[52][53]。
關於同位素示蹤的重要概念是,通過風化反應從任何礦物質中衍生出的鍶均具有相同的87Sr/86Sr比例。因此,地表水中的87Sr/86Sr比例若有不同,表明:(a)不同的礦物學以及不同的流徑,或者 (b)同等量的礦物質中風化出非等量的鍶。後一種情況可通過幾種方式體現。首先,同類岩石內初始水化學若有不同,將會影響礦物質的相對風化速度。例如,由於補給水蒸發濃度不同或二氧化碳分壓(pCO2)不同而形成的不同土壤帶,可能會具有不同的87Sr/86Sr比例。其次,從粒間孔隙大小的水到集水區規模的水之間由於具有不同的相對遷移率,也會明顯影響87Sr/86Sr比例(Bullen等人,1996)。例如,取決於流經斜長石-角閃石晶粒邊界或者流經石英-雲母邊界,移動水體的化學成分以及因此導致的87Sr/86Sr比例將會不同。第三,岩石某一部分相對「有效」礦物表層也會導致化學上和同位素成分上的不同;易反應表層被有機塗層「毒化」的現象也是此類過程的一個例子。基本上,由於淺層水體與岩石不具有化學平衡性,因此即使流經同一恆定礦學單元的水體也不可能具有恆定的87Sr/86Sr比例。相反,沿特定路徑流動的水體與岩石緩慢反應,經過長時間後可逐漸接近化學平衡[54]。
鍶可形成多種鹽類,這些鹽類的特性總是處於鋇和鈣之間。這些鹽類通常無色,硫酸鍶和碳酸鍶幾乎不溶於水,因此它們作為礦物質存在。多數化合物衍生自碳酸鍶或者由礦物質提取的硫化鍶。作為鹼性土衍生物,硫化鍶易通過以下過程水解:
SrS + 2 H2O → Sr(OH)2 + H2S
在商業生產化合物時也會採用類似的反應式,包括最為有用的鍶化合物——碳酸鍶[33]。
SrS + H2O + CO2 → SrCO3 + H2S
通過此種方式也可製成硝酸鍶。
等輻骨蟲綱是一種相對大型群居的海生放射蟲,可生成由硫酸鍶組成的複雜礦物骨架[55]。在生物系統中,有少量的鈣會被鍶替代[56]。在人體內,吸收的鍶多存在於骨骼中。人體內鍶與鈣的比例在1:0之間,基本上與血清內的鍶/鈣比例相同[57]。
人體吸收鍶就象吸收鈣一樣。由於這兩種元素具有化學相似性,穩定狀態的鍶不會對健康造成嚴重影響——事實上,人體中自然存在的一定水平的鍶可能是有益的(如下所述)——但是放射性90Sr可導致各種形式的骨骼問題和疾病,包括骨癌。鍶單位用于衡量已吸收的90Sr的放射性。
最近由紐約牙科大學使用鍶對成骨細胞進行的一項試管試驗表明,施用鍶後成骨細胞的造骨功能顯著提高[58]。
鍶與雷奈酸合成的藥品雷尼酸鍶,對骨骼生長具有輔助作用,它可提高骨骼密度,並可減少椎骨、周邊骨和臀部發生骨折[59][60]。使用這種藥物的女性患者骨骼密度提高了12.7%,而對照組的女性患者骨骼密度下降了1.6%。(根據X射線密度法測量,)骨骼密度增加有一半原因是由於鍶具有比鈣高的原子重,另一半原因是由於骨量增加。雷尼酸鍶在歐洲以及許多其他國家是作為處方藥登記的,必須由醫生開處方、由藥師給藥使用,並且受嚴格的醫療監督。
自20世紀50年代開始,關於鍶的有益之處的醫學研究已有很長歷史。研究表明,鍶不具有不良副作用[61][62][63][64][65][66]。在美國,根據《1994膳食補充劑健康教育法》,其他幾種鍶鹽如檸檬酸鍶和碳酸鍶是可以服用的,只要服用的雷尼酸鍶接近建議的鍶含量,也就是大約680毫克/天的劑量。關於鍶對人體的長期安全性和有效性,還未進行過大規模醫療試驗[需引證]。然而,確實有一些公司在生產鍶片以提高骨健康[67]。
在皮膚上施用鍶可明顯加快表皮屏障的修復率。「[……]表皮屏障功能是人體防禦系統的第一道屏障,可阻止外界刺激並防止細菌或污染物侵入人體或被人體吸收。[……]與未施用鍶的對照組進行對比發現,在皮膚上施用氯化鍶溶液可加快表皮屏障的修復率[70]。」
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