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核化学介绍 第第18 章章第1页上页上页下页下页目录目录返回返回 19641964年年1010月月1616日日1515时时,中国在本国西部中国在本国西部地域爆炸了一颗原子弹地域爆炸了一颗原子弹.蘑菇云蘑菇云第2页上页上页下页下页目录目录返回返回本章教学要求3了解放射性碳了解放射性碳-14测定年代法；测定年代法；2会正确书写核化学方程式；会正确书写核化学方程式；1了解相关放射性核素和放射性衰变了解相关放射性核素和放射性衰变 概念；概念；5简单了解人工核反应和超铀元素合成简单了解人工核反应和超铀元素合成 基本内容。基本内容。4了解核能和核能利用基本概念；了解核能和核能利用基本概念；第3页上页上页下页下页目录目录返回返回18.1 放射性核素和放射性衰变放射性核素和放射性衰变 Radioactive nuclide and radioactive decay18.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy18.3 人工核反应和超铀元素人工核反应和超铀元素 合成合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements第4页上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.1 放射性衰变和放射系放射性衰变和放射系Radioactive decay and radioactivity Series 18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性核化学方程、半衰期和放射性 活度活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity18.1.3 放射性碳放射性碳-14-14纪年纪年 Radiocarbon-14 dating 18.1 放射性核素和放射性衰变放射性核素和放射性衰变 Radioactive nuclide and radioactive decay第5页上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.1 放射性衰变和放射系放射性衰变和放射系 放放射射性性衰衰变变(radioactive decay)是是一一个个过过程程,在在这这种种过过程程中中,原原来来核核素素(母母体体)或或者者变变为为另另一一个个核核素素(子子体体),或或者进入另一个能量状态。者进入另一个能量状态。第6页上页上页下页下页目录目录返回返回 辐辐射射会会使使细细胞胞生生长长-调调整整机机制制受受到到伤伤害害，以以白白血血细细胞胞过分生长为特征白血病可能是由辐射造成。过分生长为特征白血病可能是由辐射造成。第7页上页上页下页下页目录目录返回返回衰变衰变衰变衰变衰变衰变 核核电电荷荷数数降降低低2意意味味着着子子核核在在元元素素周周期期表表中中位位置置左左移移2格格,叫叫作作衰衰变变位位移定则。移定则。衰变位移定则衰变位移定则是，子核在元素周期是，子核在元素周期表中位置右移表中位置右移1格。格。放射性衰变放射性衰变 +（高能电子波高能电子波）+（电子电子）第8页上页上页下页下页目录目录返回返回 在在自自然然界界存存在在放放射射性性核核素素大大多多含含有有多多代代母母子子体体衰衰变变关关系系。母母体体放放射射性性核核素素经经多多代代子子体体放放射射性性核核素素最最终终衰衰变变生生成成稳定核素。稳定核素。放射系放射系(radioactive series)铀铀 系系钍钍 系系锕锕 系系第9页上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性核化学方程、半衰期和放射性 活度活度 1.1.核化学方程式核化学方程式 书书写写核核化化学学方方程程式式规规则则：(a)方方程程式式两两端端质质量量数数之之和相等；和相等；(b)方程式两端原子序数之和相等。方程式两端原子序数之和相等。2.2.半衰期半衰期 1 1个半衰期个半衰期2 2个半衰期个半衰期3 3个半衰期个半衰期4 4个半衰期个半衰期 放放射射性性核核素素衰衰变变速速率率用用半半衰衰期期(half-life)表表示示,符符号号为为t12。比如比如,锶锶-90衰变反应衰变反应 半衰期为半衰期为29 a。第10页上页上页下页下页目录目录返回返回Question 1Question 1Solution配平以下方程式配平以下方程式:(a)+?+?(b)+?+?(c)(c)+?+?依据配平规则可知依据配平规则可知：(a)+a)+(b)(b)+(c)(c)+第11页上页上页下页下页目录目录返回返回 放放射射性性核核素素半半衰衰期期短短至至10-6 s,长长至至1015 a。衰衰变变反反应应半半衰衰期期一一个个主主要要特特征征是是,它它不不受受外外界界条条件件(温温度度、压压力力等等)影响，也不受化合状态影响。影响，也不受化合状态影响。化学方法能够使有毒化学制剂分解为无毒物种化学方法能够使有毒化学制剂分解为无毒物种，但对放射性造成毒性却无可奈何但对放射性造成毒性却无可奈何!切切尔尔诺诺贝贝利利4 4号号反反应应堆堆爆爆炸炸灾灾难难后后几几年年内内，乌乌克克兰兰0 01414岁岁儿儿童童中中甲甲状状腺腺癌癌发发病人数。病人数。第12页上页上页下页下页目录目录返回返回 3.3.放射性活度及其单位放射性活度及其单位 放放射射性性活活度度(activity)是是经经过过试试验验观观察察得得到到放放射射性性物质衰变速率。物质衰变速率。SI单位单位:为为Bq(贝可贝可)，1 Bq相当于每秒发生相当于每秒发生1次衰变。次衰变。旧单位旧单位：Ci(居里居里)，1 Ci 相当于每秒发生相当于每秒发生3.71010次衰次衰 变变(1 g 镭镭-226衰变速率衰变速率)。1Ci=3.71010 Bq 比活度：比活度：指样品中某核素放射性活度与样品总质量之指样品中某核素放射性活度与样品总质量之 比，单位为比，单位为Bqg-1或或mCig-1等。等。第13页上页上页下页下页目录目录返回返回检测放射性方法检测放射性方法盖盖革革计计数数器器(Geiger counter)是是依依据据受受辐辐射射气气体体发发生电离而产生离子和电子能传导电流原理设计。生电离而产生离子和电子能传导电流原理设计。每个被放大了电脉冲即每个被放大了电脉冲即代表一次放射性记数代表一次放射性记数 第14页上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.3 放射性碳放射性碳-14-14纪年纪年方方 法法：放射性碳放射性碳-14测定年代法测定年代法(radiocarbon-14 dating)依依 据据：衰变反应半衰期与反应物起始浓度无关衰变反应半衰期与反应物起始浓度无关 利利 比比：取得取得1960年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖假假 定定：大气中碳大气中碳-14与碳与碳-12比值是恒定比值是恒定 碳碳-14以以5730 a 半半衰期发生衰期发生衰变衰变 +第15页上页上页下页下页目录目录返回返回Question 2Question 2 埃埃及及一一法法老老古古墓墓发发掘掘出出来来木木质质遗遗物物样样品品中中,放放射射性性碳碳-14比比活活度度为为432 Bqg-1 即即 s-1(gC)-1,而而地地球球上上活活体体植植物物组组织织对对应应比比活活度度则为则为756 Bqg-1，试计算该古墓建造年代。试计算该古墓建造年代。Solution 衰变反应是衰变反应是:依据一级反应速率方程和半衰期公式依据一级反应速率方程和半衰期公式:lnct()=-kt lnc0()，t1/2=0.693/k得得：k=0.693/t1/2=0.693/5730 a=1.2110-4 a-1 t=ln756 Bqg-1/432 Bqg-1/(1.2110-4 a-1)=4630 a 即该古墓大约是公元前即该古墓大约是公元前26252625年建造年建造。第16页上页上页下页下页目录目录返回返回18.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 18.2.1 核素平均结合能核素平均结合能 Average binding energy of nuclide18.2.2 核裂变核裂变 Nuclear fission18.2.3 核聚变核聚变 Nuclear fusion第17页上页上页下页下页目录目录返回返回18.2.1 核素平均结合能核素平均结合能 核核子子之之间间靠靠核核力力(nuclear force)结结合合成成原原子子核核，核核力力是核子之间短程强吸引力，作用范围为是核子之间短程强吸引力，作用范围为2 fm(10-15 m)。=0.002 389 3u降低质量降低质量 质量亏损质量亏损(mass defect)用用m表示表示 E=mc2 降降低低能能量量即即核核结结合合能能(nuclear binding energy),符号用符号用EB 比如比如,2H核结合能为核结合能为:EB(2H)=mc2=931.5 MeVu-1 0.002 389 3 u 2.225 6 MeV第18页上页上页下页下页目录目录返回返回 平平均均结结合合能能(average binding energy)指指核核子子结结合合为为原原子子核核时时每每个个核核子子平平均均释释放放能能量量(结结合合能能除除以以质质量量数数）。比比如如 2H 核值为核值为1.112 8 MeV。因因为为重重核核裂裂变变为为较较轻轻核核和和轻轻核核聚聚变变为为较较重重核核过过程程都都是是放放能能反反应应,这这种种趋趋势势就就奠奠定定了了核核能能利利用用基基础础。第19页上页上页下页下页目录目录返回返回Question 3Question 3Solutionm=59.9529+1.00783 58.9332 2.01410 =0.01343(g mol-1)E=mc2=1.343 10-5 kg mol-1 (3.00 108 m s-1)2 =1.21 109 kJ mol-1 计算反应计算反应 +吸收发射能。吸收发射能。原子量原子量：=58.9332，=2.01410，=59.9529，=1.00783。第20页上页上页下页下页目录目录返回返回18.2.2 核裂变核裂变 核核裂裂变变(nuclear fission)是是大大核核分分裂裂为为小小核核过过程程.普普通通核武器和核电站都依赖于裂变过程产生能量。核武器和核电站都依赖于裂变过程产生能量。1.铀铀-235裂变与核武器裂变与核武器 发生链反应发生链反应爆爆炸炸35种种元元素素200各种各种位素位素同同 2 3第21页上页上页下页下页目录目录返回返回 足以维持链反应正常进行裂变材料质量叫足以维持链反应正常进行裂变材料质量叫临界质量临界质量(critical mass)。铀铀-235 临界质量约为临界质量约为 1 kg，质量超质量超出出1 kg 则发生爆炸。则发生爆炸。任何有核反应堆国家都不难得到爆炸级裂变材料，原子弹基本设计又如此简单，从而为预防核武器扩散带来了困难。第22页上页上页下页下页目录目录返回返回这是美国对日本投掷两颗原子弹这是美国对日本投掷两颗原子弹疮疮满满目目痍痍全世界第一次知道了什么是原子弹！全世界第一次知道了什么是原子弹！第23页上页上页下页下页目录目录返回返回 2.核反应堆核反应堆 经经过过受受控控核核裂裂变变反反应应取取得得核核能能装装置置，可可使使裂裂变变产产生生中中子子数数等等于于各各种种过过程程消消耗耗中中子子数数,以以形形成成所所谓谓自自持持链链反反应应(self-sustaining chain reaction)。第24页上页上页下页下页目录目录返回返回 前前苏苏联联于于1954建建成成世世界界上上第第一一座座核核电电站站；至至今今已已经经有有30多多 个个 国国 家家和和 地地 域域400多多座座核核电电站站处处于于运运行行之之中中。右右图图列列出出1995年年一一些些国国家家核核电电占占各各自自总总电电力百分率。力百分率。第二次世界大战结束后，科学家快速将原子能利用转第二次世界大战结束后，科学家快速将原子能利用转向和平用途。向和平用途。第25页上页上页下页下页目录目录返回返回第26页上页上页下页下页目录目录返回返回18.2.3 核聚变核聚变核聚变核聚变(nuclear fusion)由两个或多个轻核聚合形成较由两个或多个轻核聚合形成较重核过程。重核过程。热核武器热核武器 以聚变反应为基础核武器以聚变反应为基础核武器 氢氢弹弹就就是是利利用用装装在在其其内内部部一一个个小小型型铀铀原原子子弹弹爆爆炸炸产产生高温引爆。生高温引爆。40 000 000 第27页上页上页下页下页目录目录返回返回18.3.1 人工核反应人工核反应 Artificial nuclear reaction 18.3.2 超铀元素合成超铀元素合成 Syntheses of transuranium elements18.3 人工核反应和超铀元素合成人工核反应和超铀元素合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements第28页上页上页下页下页目录目录返回返回18.3.1 人工核反应人工核反应 人人工工核核反反应应是是指指原原子子核核受受中中子子、质质子子、粒粒子子、重重粒粒子子(比比如如原原子子核核 )等等轰轰击击而而形形成成新新核核核核嬗嬗变变过过程程(nuclear transmutation)。通式为通式为:式中式中X为靶核，为靶核，a为入射粒子，为入射粒子，Y为产物核，为产物核，b为出射粒子，为出射粒子，通常简写为通常简写为A1X(a,b)A3Y。19卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应:第29页上页上页下页下页目录目录返回返回185Hf(1992)、208Hg(1992)、237Th(1993)、239Pa(1995)、175Er(1996)、235Am(1996)、135Gd(1996)、121Ce(1997)、186Hf(1998)、209Hg(1998)、238Th(1999)、125Nd(1999)、128Pm(1999)、129Sm(1999)、139Dy(1999)、139Tb(1999)和和137Gd(1999)。我国科学家合成我国科学家合成19种新核素：种新核素：90Ru(1991)和和202Pt(1992)分别由中国原子能科学研究分别由中国原子能科学研究院（北京）和上海原子核研院（北京）和上海原子核研究所合成。究所合成。第30页上页上页下页下页目录目录返回返回18.3.2 超铀元素合成超铀元素合成第31页上页上页下页下页目录目录返回返回1.第一个第一个“超铀元素超铀元素”（transuranium elements)合成合成1940年年1970年年2.第一个第一个“超锕系元素超锕系元素”（transactinide elements)合成合成 +4第32页上页上页下页下页目录目录返回返回射线疗法射线疗法 射射线线疗疗法法(radiation therapy)是是指指用用高高能能射射线线治治疗疗疾疾病病方方法法，它它是是人类战胜癌症一个主要武器。人类战胜癌症一个主要武器。32P60Co90Sr125I131I14.3 d5.26 a28.8 a60.25 d8.06 d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30 a74.2 d2.7 d3.82 d1 622 a辐射源辐射源半衰期半衰期 辐射源辐射源 半衰半衰期期第33页上页上页下页下页目录目录返回返回 放射性示踪剂以某种化合物形式给药放射性示踪剂以某种化合物形式给药.诊疗是依据这些放诊疗是依据这些放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集能力。射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集能力。131I59Fe32P99Tc23Na 8.1 d45.1 d14.3 d6.0 h14.8 h 甲状腺甲状腺红血细胞红血细胞眼眼,肝肝,瘤瘤心心脏脏,骨骨,肝肝,肺肺循环系统循环系统辐射源辐射源半衰期半衰期检验部位检验部位第34页上页上页下页下页目录目录返回返回放射性示踪剂用于研究化学放射性示踪剂用于研究化学反应机理和化合物结构反应机理和化合物结构 匈牙利化学家海维西（匈牙利化学家海维西（G Hevesy）首次将放射性示踪首次将放射性示踪剂用于化学研究，取得了剂用于化学研究，取得了1943年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。3 H2O(l)+32SO2(g)+35S(s)结结果果:掺掺入入那那个个S原原子子(35S)与与 离离子子中中那那个个S原原子子(32S)处处于于不不一一样化学环境。样化学环境。35S(s)+32 (aq)35S32 (aq)+2 H3O+(aq)第35页