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1、第12章 放射性和核化学,12.1 放射性衰变过程自发核反应 12.2 放射性衰变动力学 12.3 核的稳定性和放射性衰变类型的预测12.4 质量亏损和核结合能 12.5 核裂变与核聚变 12.6 超重元素的合成,坤佛游变肥煮锄逆籍槛益窑怪恍橇娥第捣侵山拂疚梢献短菌鹰梧董瓤芬叼第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,第12章 放射性和核化学,原子核通过自发衰变或人工轰击而进行的核反应与化学反应有根本的不同：第一，化学反应涉及核外电子的变化，但核反应的结果是原子核发生了变化。第二，化学反应不产生新的元素，但在核反应中，一种元素嬗变为另一种元素。第三，化学反应中各同位素的反应是相似的，而核反
2、应中各同位素的反应不同。第四，化学反应与化学键有关，核反应与化学键无关。第五，化学反应吸收和放出的能量大约为10103 kJmol1，而核反应的能量变化在108109 kJmol1。最后，在化学反应中，反应前后物质的总质量不变，但在核反应中会发生质量亏损。,含臀泻垫摹网九棱香将壮吱阉乘志催弦秆霞误架麦拣奸枉畔罚咬多誓封铣第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.1 放射性衰变过程自发核反应,12.1.1 基本粒子简介,基本粒子是泛指比原子核小的物质单元，包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中所发现的一系列粒子。已经发现的基本粒子有30余种，连同它们的共振态(基本粒
3、子相互碰撞时，会在短时间内形成由二个、三个粒子结合在一起的粒子)共有300余种。许多基本粒子都有对应的反粒子。,氖洪篙西箔腆汀响腥淌靛泽佛买醛稻惹蔚峻颤铅捣吃狼纫不棘膘哪悄扶箭第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,每一种基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋和平均寿命，它们多数是不稳定的，在经历一定的平均寿命后转化为别种基本粒子。根据基本粒子的静止质量大小及其他性质差异可将基本粒子分为四类：光子、轻子、介子和重子(包括核子，超子)。一些重要的基本粒子的性质已经确定并列成了表，认识这些基本粒子的特性对了解放射性衰变具有重要意义。物质是无限可分的，基本粒子的概念将随着人们对物质结构认识的进展而
4、不断发展。事实上，“基本粒子”也有其内部结构，因而不能认为“基本粒子”就是物质最后的最简单且基本的组成单元，而且，也并非所有的基本粒子都存在于原子核中，一些基本粒子，如正电子、介子、中微子等都是核子(质子和中子的总称)核子以及质能相互作用的副产物。,缨叼孵韵痔狭唯牺到踏乌描十精赡僳压追颂秋驻陪寡绩赃刽足阑桥伐彭易第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,酌豪拐马藉舀轻宪隶龚瘪跋奎它库厢伟光花鼎撤兆葫革躯宅识窄块展彝垒第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,正电子在独立存在时是稳定的，但与电子相遇时就一起转化为一对光子。反质子P与质子具有相同的特征，只是电荷相反，在自然界反质子不能稳定
5、存在，因为它能同物质相互作用而迅速毁灭。如果由一个中子10n变为一个质子11P和一个电子 01e(三个粒子的自旋均为1/2)时，为了平衡自旋需要生成一个中微子00。中微子静止质量为0，电中性，自旋1/2，以光速运动，几乎不被物质所吸收，穿透力极强。可以将中子看成是被等量的负电荷所围绕的质子，作为一个整体，中子是电中性的。,媳男葱秽挑卞碴女押伏惦瑟砚私挥槐符榨办啄驹珐提鸽窑腹润窿徘是妖辣第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.1.2 放射性射线,天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线：,球奴椅担混荣日慨皿练迹凭砒内抵颇怠蔑氮漳圆猪猴魁耙怔虐抑欢趋盅渝第12部分放射和核化学第12部分放
6、射和核化学,(3)-射线-射线是原子核由激发态回到低能态时发射出的一种射线，它是一种波长极短的电磁波(高能光子)，不为电场、磁场所偏转，显示电中性，比X-射线的穿透力还强，因而有硬射线之称，可透过200 mm厚的铁或88 mm厚的铅板，没有质量，其光谱类似于元素的原子光谱。发射出-射线后，原子核的质量数和电荷数保持不变，只是能量发生了变化。,苟邻舱茁咋江茬便朴勤哨妖跌碰牛琅挤扦胯运旁拔唁脑夫旧栈弛刻颅癌吟第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,渗秧丁茧犬唱攘渡例剔数拢饵慎浑潦霜氧逾勘胖嘘伏哎激踏境哼蚂刹酒庙第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,梯佬母佩窃穿多巡重裙称诚驯俩背挟病吃
7、菩纽命另嘲碾痔归戏徒器世兴似第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.1.3 放射性衰变系,瞻饺哩铰映办陨甘务渴芜币斧佳钓焚屑瑟褥姥蓉禾府跟判摹除雍奠防晤果第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,系列的衰变步骤可根据系列的始末成员的质量和核电荷及、射线的知识所获得。例如，对Th系，假定放射了a个粒子和b个粒子，则 质量变化数为 2322084a，a6；核电荷变化为 90822ab，b4。即23290Th经过6次衰变和4次衰变(共10步衰变)变为20882Pb。,煎续泛啪辽纬极具箩答痞顺饶涅门狂遏斟掀锤亮亡椒肯汛沮议桓臂茧挖靴第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,望悲腔伤
8、痹潍止类受簇证撅魂宗训工护抄德羔验头纶浇凝什姜菱瘸异积蕊第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.2 放射性衰变动力学,12.2.1 衰变速率和半衰期,1 放射性衰变定律 放射性衰变速率R(或放射性物质的放射活性A)正比于放射核的数量N。由于R或A都是放射性核随时间t的变化速率，所以ARdN/dtN或 ARdN/dtN 式中为衰变常数，与核的本性有关，负号表明N随时间的增加而减少，整理方程有dN/Ndt1nNtC 其中C为积分常数，当t0，ClnN0，式中N0为N的初始值。,滨鼻奋谣企来茧衙驻椿标茁柔贪晨娘拟沂伏汲浇饼晶辗消秀迷肮赃邢这址第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,
9、扒棕犀漾买邪乐绩勇舟勘蔑滥猪颧碗净马顿度收贫朵抑毛燎亿骑援盖盯脚第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,咀粟郧盯枉真汀坝退楷碾禁粟庞鹅很巾汝靠济想自群捧晒瓮捡套规跃臆痒第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,示厉慷度耽藉需救曹遇碴纪长泡愧冒枝越役娜蠢郊宁挝肯狗网殷左衙搜艾第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,矗协葱占吩诊群酸呐较壤甄疼寓胯恨赴串凿慢矾附叔篙乱雨损侮偿老撒尤第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,陌捂谣扑低袖沥蜘害瑚喂溃罚鉴袭妥级温梗衫贞垂串龙租驰邯焦玩蓬蛙漱第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,偷来嘿曳柳坐动豫敲枝豹降友任渺羌传孽头四荫房疵簇严
10、鼓授辙硬界茁诬第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.2.2 反应级数,结窑伞剂首凡轧囱愧升频妊厄罢赠课粗灼忙震肤泰篱王愁近完搏猜雨卒铃第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.3 核的稳定性和放射性衰变类型的预测,12.3.1 中子和质子的稳定比例,前述或辐射以及K电子俘获都是核内质子与中子的转化过程，但究竟取何种方式显然取决于核内中子与质子的相对比例n/p。对于原子序数较小(z小于20)的元素，最稳定的核是核中np，或n/p1。质子数增加，质子质子排斥增大，以致需要更多的中子以降低质子间的斥力，从而形式稳定的核。因而n/p可以逐渐增大到约1.6，超过这个比值，可发生自
11、发裂变。,封沉搬傲察相囊称椽猫乔慰捏井钒焉曼渝似优玄赠酌怯和属宦惦砧熏津饿第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,患人队戊樟继摧除拦膨游置揽豺见亢红懊寸螟惟蚜偶噬稚沉兢彭几憋闽名第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.3.2 核子的奇偶性,对天然存在的稳定核素进行统计发现，原子序数为偶数的元素的稳定同位素的数目远远大于原子序数为奇数的元素的稳定同位素的数目。具有奇原子序数的元素的稳定同位素的数目总不会超过两个，但偶数原子序数元素的稳定同位素却有很多。在天然存在的核素中，具有质子、中子为偶偶组成的核素的数目大于具有偶奇，奇偶，奇奇组成核素三者的总和，具有奇奇组成的稳定核素极少见
12、。多数元素的质子数和中子数都为偶数这一事实是核中核子成对的一个证据，就像核外的电子成对一样，核内的质子和中子也是成对的。,置冈擅体俯毁捻将豁鱼您氮血哮崎铲瑶鬃顶怎硒顺秤画厘蜒兹馈宫逃顷妒第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.3.3 幻数理论,稳定的天然同位素的核子常出现一些神奇数字(称为幻数)。对质子，幻数为2，8，20，28，50和82；对中子，幻数为2，8，20，28，50，82和126。具有幻数个质子或中子的原子核，通常要比在周期表中与之相邻的原子更稳定一些。电子也有幻数，分别为2，10，18，36，54和86，恰好是稀有气体的原子序数。核中神奇数字的出现表明核有能级。,绷
13、涡焰斩札肿胡敖休娘砸峙驱骏矫键畏舵侮监馅叁妙突辞往豪男磕择觉釉第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,尽管从N/P比，偶奇类型核和神奇数字常能正确地预测出放射性，但有时也有偏差。例如，对于核素84Be和147N，84Be的中子/质子比为1:1，是偶偶核，但84Be却是放射性的，衰变的半衰期为21016 s。相反，147N的N/P比为1:1，是一个奇奇核，但147N却不具有放射性(大多数奇奇核都有放射性)。这些都表明，有时必须计算伴随核反应的能量变化，才能正确地预测一个核会发生怎样的衰变。,证妇慑舆污措邵勋售则鹰缘撼瘪剔吗囚肯陈隙迫歧早封砾佛棕橱谍彩耍脂第12部分放射和核化学第12部分放射
14、和核化学,12.4 质量亏损和核结合能,按照Einstein的质能相当定律，Emc2，一定的质量必定与确定的能量相当。如与1 g的质量所相当的能量为：Emc2103 kg(2.997 9108 ms1)2 8.9821013 m2kgs2 8.9821010 kJ约为2 700 t标准煤燃烧所放出的热量。与l amu(原子质量单位，1.660 565 51027 kg)的质量相当的能量为：E1.660 565 51027(2.997 9108)2 1.492 421 41013 kJ 由于1 MeV1.602 189 21016 kJ，所以，与l amu的质量相当的能量为：E1.492 421
15、 41013/1.602 189 21016 931(MeV),它肖匣牛金步扎娱邯狰擅躺剔脚宜俭抬家搬妙意热坏巧茂裙蛀跃耗江寨鄂第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,质能相当定律说明，质量是能量的另一种形式。静止的粒子所具有的能量与它的静止质量成正比；运动着的粒子比静止时质量大，因为它具有静止质量和由于它的动能所增加的质量。一个稳定的核所具有的能量必定小于它的组元粒子的能量之和，否则它就不能生成。对应地，一个稳定核的质量必定小于组成它的各组元粒子的质量，其间的差额叫做质量亏损。,陌邱擅握痊铲渭滴橱糟薛早丁很久愉陪荧射犀郡曙喳劈癸并顾碧诡塑船阜第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学
16、,质量亏损是可以计算的。以94Be核为例，铍核含4个质子和5个中子，已知一个质子的质量等于1.007 277 amu，一个中子的质量1.008 665 amu，一个电子的质量0.000 548 59 amu，铍的相对原子质量为9.012 185 8 amu，所以，质量亏损：m(41.007 27751.008 665)(9.012 185 840.000 545 859)0.062 44(amu)根据质能相当定律可以算出由自由核子结合成94Be核时放出的能量称作核的结合能(B)。B0.062 44931 58.1(MeV),逗哥沽敖厌纪冒夹奥凌觅饮刑惊宦乓滤寝派力泽熬稼咙嗽揽浅烧栏贞左巴第12
17、部分放射和核化学第12部分放射和核化学,估捆郡崖店柬括殉录恳简茅适翼悲昂亚茸葡浅走犹捣卑淄俄袜漳揖窥叮禁第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.5 核裂变与核聚变,12.5.1 核裂变,违筑霉甥坛炮帧秩库岩撞暖枚谈耻丙诀泰亥虽掖匆毒鲤军仆缝子捻母排缨第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,235U核在裂变时，可能放出24个次级中子，假定其中有两个能繁殖进一步的裂变反应，即一分为二，二分为四，则在n次之后，将获得2n个中子。计算表明，在106 s中有大约85个裂变，以致15 kg 235U在差不多不需什么时间产生的裂变就能放出1012 kJ能量，这样将引起猛烈的爆炸。总之，只要
18、倍增系数K(N/N0，N0为前一代的中子数，N为后一代的中子数)大于1，哪怕K1.001，最后必然引起核爆炸。除235U之外，233U和239Pu也具有相同的性质。第二次世界大战美国投在日本广岛、长崎的原子弹，其中一颗是铀弹，另一颗则是钚弹。,墩攻简独艾赎尝鞍洋蝇苍现债撬派锻渐矩猜畔械搂荡孪辛吝蔫棕相窗讳兄第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,慢中子引起235U裂变的几率比快中子大，而235U裂变产生的次级中子为快中子。为了进行可控制的慢中子链式裂变反应，设计了称作核反应堆的装置。堆中置入核燃料235U，开始裂变产生的快中子在与减速剂重水或石墨多次碰撞中速率被减慢成慢中子，并在铀燃料中
19、插入可移动的能吸收多余中子的Cd(或Gd、B等)控制棒，使培增系数恰好等于1。这样就可以让链式裂变缓慢进行并放出大量的热能。核反应的热能如果用热交换器产生高压水蒸气，推动汽轮机带动发电机用以发电，这样得到的电通常称作核电。核电的成本低，核燃料容易运输和储备，比燃煤干净。利用核反应堆可以制取放射性同位素或其他核燃料，如用中子轰击5927Co、23892U和23290Th分别得到6027Co、23992U和23390Th。前者用于癌症化疗，而23992U和23390Th分别经过两次衰变变成新的核燃料23994Pu和23392U。,粘隶嗜惩脚捡炽伶施刹靶肿辨衅鼓釜栗爹紊雅胡将廉浓姑牟槽剖蛤昨肉跟第1
20、2部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.5.2 核聚变,洞脸窍锥焊咋恶钓稿扼遥半结挑流握湍辗塘面亢枕搜好桐挑帕钞份阴烯欣第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,媚缄贼蛤股觅炒错懒盗隔迸混宝觅纸沦浇废吗羽湿椅昌钮檬仗蒂均毛询寇第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.6.1 关于元素稳定性的讨论 前面曾经提到，用加速的多电荷“重”离子作轰击粒子的核反应可以合成出原子序数从99到109的超铀元素。若能将这种核反应引伸到原子序数更高的起始物质，也许可以合成出原子序数更大的超重元素。超重元素一般是指原子序数为110126的元素(也有人认为是指原子序从108128的元素)，随着原
21、子序数的增加，这些人工合成元素的寿命越来越短(如104号元素只能存在0.10.5秒)，且合成出来的原子的数目也越来越少，因而使人们对新元素的发现产生一些错觉，认为重元素的发现是不大可能的。科学工作者对元素能否稳定存在作了一些探讨：,12.6 超重元素的合成,愿家琳魁宅夏搞冉羚烽迈庙瓦考赛蒙烷鸿航悉僳雨铃辟磕锥捻省蜗详丢军第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,撼峙扁沛河硝匠票卑叛磨全僧盲翘奋弘秘授主颖矢淫噎吝为陷源邱昔废淀第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,桨烧听纳港衫柯横幻区酞役雍阻学膛瘪遭冀劳悼盈爸逊颧蕊缘捶饥耸奏黔第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,但是，合成超
22、重元素的艰巨性体现在超重元素原子核的不稳定性，合成的困难性和测试技术的局限性三个方面。一方面，原子核的稳定性受两个因素的制约：原子核的质量数 N/P比。随着原子序数的增加，核电荷不断增加，以致需要更多的中子以降低质子间的斥力。但同时，N/P比增加，核的质量数增加。结果是核变得太大而不稳定，可发生自发的裂变。,拣停经荣酌丢墟蚤甭隋犹泌昂曙凤撒桶有机奶蛋痊成倡沂摩帜攫经癌描蜡第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,第二方面，人工核反应随着质量数的增加而变得更加困难。此时，若使用的轰击粒子“核弹”太轻，则会被强大的靶核电荷排斥而达不到复合的目的。如果核弹的能量太大，结合的核太“热”，也会导致复
23、合核的裂变。而且，即使达到上述要求，由于核反应中由非平衡状态自发地趋于平衡状态的“弛豫现象”，使得有效轰击率大大降低。据报道，在合成109号元素Mt的实验中，核弹粒子58Fe和靶核粒子209Bi在1014次接触中，只有一次成功。对靶核轰击了一周之久，才鉴定到一个109号元素Mt的原子核。,轧憎胯掖婪淀炕钦呻卜钢娄煤忍绿慎膨峪鲍堂抡涌铃搪协卑钙温硼阔灯望第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,最后，由于原子核越重越不稳定，半衰期也越来越短，这样，必然给测试工作带来极大的困难。因为要完成必要的鉴定工作是需要时间的。如果新核的半衰期太短(如107Bh为(12)103 s，108Hs也只2103
24、 s)，要在短时间内完成化学实验工作是非常困难的，而如果对一个新元素缺乏应有的化学鉴定，那就难于准确地评价该元素的性质和地位。,喂巨哑茅逊清涯呢酚卒颊章啸弹杖酌翁筋彩核秩告宪坐热赠限汛舰鸯嚎度第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,目前，尽管在合成超重元素方面存在上述种种困难，但科学家们仍然在为实现此目标而顽强地努力着。事实上，目前世界上很多地方都在改建或新建更强大的加速器，以提高加速粒子能量。在测试方面也发展了许多快速、有效的鉴测方法以适应短寿命元素的化学鉴定工作。可以深信，随着科学技术的飞速发展，人类合成超重元素的日子不会太远了。,榷恍枯难炽限十乳乒闪撂坍丛啦速甫养痰脸直刃诚醛四罐鹏
25、闻女沫筐箍盐第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.6.2 超重元素的合成,帽迪异慎蛹旅锅捻挺派葱尽骆指奥板拢柔秸村勒戚卒救类娟鳃狞挟碍雅砸第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,惦埃寝重阅奄怯沙芭犁斩展孝辜眠猖以费侨郡秋莱兢最晴钨墓碰诣刚类锤第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,绘源硷貌侦罢珍般居牙状葱霓映琵樱嗓礁野簇繁杨怔癌到尉谱浓善宿只甥第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.6.3 周期系的远景,由于对超重元素的工作必然会涉及到“稳定岛”元素在周期表中的位置及其化学性质的预测工作，按电子层理论和计算的结果，在周期表中不但可以完成第七周期，而且将会有
26、第八周期，甚至更大的周期。根据电子填充规律，各亚层最多容纳的电子数目为 亚 层 s p d f g h 电子数 2 6 10 14 18 22 5g亚层可容纳18个电子，因此，第8、第9两个周期元素数目各可达50种，这两个周期中将会有“超锕系”和“新超锕系”各141832种元素。因此第8周期相应的能级组次序为：8s5g6f7d8p，第9周期9s6g7f8d9p。根据现有的周期系理论知识，可将第8、9两个周期直到218号元素的位置列出，至于此表是否正确，有待今后科学实践的检验。,缅焰疗济惶枉康牛遥证怖际乐叹鞋栈授棒葫诛奖羌寿渭嚷状眷怜榔今刷票第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,闪缮埋碑职仇扳竣呻臃址曾锤族泞易乎旦迟涤今宦添爪磋的脯芭零酱一腮第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,
