能源材料2-核能利用和核材料

历史回顾重要事件
1932：J.Chadwick发现了中子;
1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性； 1939：O.Hahn等人发现重核裂变；
1939：N.Bohr等提出液滴模型;
1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了
巨大的毁伤。广岛市区80%的建筑 化为灰烬，64000人丧生，72000人 受伤，伤亡总人数占全市总人口的 53%。长崎市60%的建筑物被摧毁， 伤亡86000人，占全市总人口的 37%。
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历史回顾原子弹
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
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宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。
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历史回顾重要人物
丁肇中，(1936—)与
B.Richter, (1931—)分 别发现J／ψ粒子，找 到了美夸克存在的证 据，1976年获诺贝尔 奖。
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历史回顾重要事件
1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象;

0 -1 e
根据一级反应的速率方程和半衰期公式: lnct( 14 C)= -kt ＋ lnc0( 14 C ) ， t1/2 = 0.693/k 6 6 得： k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21×10-4 a-1 t = ln[756 Bq·-1/432 Bq·-1]/(1.21×10-4 a-1) = 4630 a g g 即该古墓大约是公元前2625年建造的。
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历史回顾我国核化学重要事件
1958：我国建成第一座重水型原子反应堆;
1964：我国第一颗原子弹试爆成功；
1967：我国第一颗氢弹试爆成功；
1969：我国首次成功地下核实验； 1984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动； 1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功； 1991：秦山核电站发电成功;
由于重核裂变 为较轻核和轻核聚 变为较重核的过程
这 种趋势就奠定 了核能利用的 基础。
都是放能反应,
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Question 2
计算反应 60 2 27 Co + 1 H
的吸收发射能。 原子量： =58.9332， 2 60 1 H =2.01410， Co =59.9529， 27
1897：P.&M.Curie发现钋(Po)和镭(Ra); 1899：卢瑟福发现a , b 射线；
1900：维拉德发现g 射线;
1903：卢瑟福证实a 射线为He2+， b 射线为电子；
1911：卢瑟福提出原子的核式模型；
1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。
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放射系 (radioactive series)
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2.1.2 核化学方程式、半衰期和放射性
1. 核化学方程式
活度
书写核化学方程式的规则：(a) 方程式两端的质量 数之和相等；(b) 方程式两端的原子序数之和相等。
2. 半衰期
放射性核素的衰变速率用半 衰期(half-life) 表示, 符号为t1／2。 例如, 锶-90的衰变反应
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2.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of
nuclear energy
2.2.1 核素的平均结合能 Average
binding energy of nuclide 2.2.2
2.2.3
核裂变 Nuclear fission
核聚变 Nuclear fusion
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放射性活度及其单位
放射性活度(activity)是通过实验观察得到的放射性 物质的衰变速率。 SI单位: 为Bq(贝可)，1 Bq相当于每秒发生1次衰变。 旧单位： Ci(居里) ，1 Ci 相当于每秒发生3.7×1010次衰 变(1 g 镭-226的衰变速率)。
1Ci = 3.7×1010 Bq
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历史回顾重要人物
M.Curie，法国物理学家
（1867-1934），波兰人， 1903年获得诺贝尔奖。发现 钋(Po)和镭(Ra); 她的女儿 (I.Joliot-Curie, 1897-1956)和 女婿(F. Joliot-Curie, 19001958)因发现人工放射性获 1934年诺贝尔奖。
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2.2.2
核裂变
素的 元 种 35
核裂变(nuclear fission)是大核分裂为小核的过程. 普通 的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。
1. 铀-235的裂变与核武器
200 多种 同 位素
发生链反应
爆 炸
235 92 U 235 92 U
＋
1 0n
137 52Te
历史回顾重要人物
J.Chadwick(查德威
克 )，英国物理学家
(1891-1974)，1935年 因发现了中子获得诺 贝尔奖。中子的发现 被认为是原子核物理 的诞生。
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历史回顾重要人物
E.Fermi(费米），
意大利物理学家 (1901-1954)，1938 年获得诺贝尔奖。 发明了热中子链式 反应堆。
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2.1核衰变和放射化学 2.2 核能和核能利用 2.3 核反应堆及相关核材料 2.4 核安全和核废料处理
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2.1.1 放射性衰变和放射系
放射性衰变(radioactive decay)是一种过程, 在这种过程 中, 原来的核素(母体)或者变为另一种核素(子体), 或者进 入另一种能量状态。
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历史回顾重要人物
E.Rutherford(卢瑟福 )，
英国物理学家(1871-1937)， 新西兰人，1908年获得诺 贝尔奖。证实了a 射线为 He2+， b 射线为电子； 提 出了原子的核式模型；首 次实现人工核反应；培养 了10诺贝尔奖获得者。
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辐射造成 的生物 效应
辐射会使细胞的生长-调节机制受到伤害，以白血细 胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。
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α 衰变
226 88 Ra
222 86
Rn +
4 α( 4 He) 2 2
核电荷数减少2意味着子核在元素 周期表中的位置左移2格, 叫作α衰变 的位移定则。
90 38 Sr
1个半衰期
2个半衰期
90 39Y

0 -1 e
3个半衰期 4个半衰期
的半衰期为29 a。
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放射性核素的半衰期短至10-6 s, 长至1015 a。 衰变反 应半衰期的一个重要特征是, 它不受外界条件(温度、压力 等)的影响，也不受化合状态的影响。
化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种， 但对放射性造成的毒性却无可奈何! 切尔诺贝利4 号反应堆爆炸灾 难后的几年内， 乌 克 兰 0 ～ 14 岁 儿童中甲状腺癌 的发病人数。
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Question 1
埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样 品中, 放射性碳-14的比活度为432 Bq·-1 [即 g s-1· -1], 而地球上活体植物组织相应的比 (gC) 活度则为756 Bq·-1，试计算该古墓建造的 g 年代。
Solution
衰变反应是:
14 6C
14 7N
2.1.3 放射性碳-14纪年
方 法： 放射性碳-14测定年代法(radiocarbon-14 dating)
依
假
据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关
定 ： 大气中碳-14与碳-12的比值是恒定的
利
比 ： 获得1960年诺贝尔化学奖
碳-14以5730 a 的 半衰期发生β衰变
14 6C
14 0 7 N + -1 e
“原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到

十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光 异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与 其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”
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历史回顾原子弹
在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的
蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟 尘直冲云天，高达12英里多。
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2.2.1
核素的平均结合能
核子之间靠核力(nuclear force)结合成原子核，核力是 核子之间的短程强吸引力，作用范围为2 fm (10-15 m) 。 质量亏损 (mass defect) 用△m表示 △E = mc2 例如, EB(2H) = △mc2 = 931.5 MeV·-1 u
2H核的结合能为:
=
0.002 389 3u
减少的质量
× 0.002 389 3 u ≈ 2.225 6 MeV
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减少的能量即核 的结合能(nuclear binding energy), 符号用EB
平均结合能(average binding energy) 指核子结合为原 子核时每个核子平均释放的能量(结合能除以质量数）。 例如 2H 核的值为1.112 8 MeV。
1964年10月16日15时,中国在本国西部 地区爆炸了一颗原子弹.....
蘑菇云
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教学要求
1．了解核素、放射性衰变等基本概念；
掌握核化学反应基本原理。 2．了解核衰变和核能利用的基本概念； 3．了解核辐照效应对材料性能的影响； 4．掌握核反应堆原理及材料材料的特性； 5．了解核安全和核废料处理
比活度：指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之 比，单位为Bq·-1或mCi·-1等。 g g
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检测放射性的方法
盖革计数器(Geiger counter)是根据受辐射气体发
生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的。
每个被放大了的电脉冲 即代表一次放射性记数
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学习与思考
凡事豫则立，不豫则废 孔子
《礼记•中庸》
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第二 章
核能利用和核材料
— 核化学概论
核化学历史 核能利用历史
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历史回顾重要人物
H.Becquerel （贝克勒尔）, 法国物理学家（18521908），1903年获得诺贝 尔奖。发现了铀(U)放射现 象，这是人类历史上第一 次在实验室里观察到原子 核现象。
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历史回顾原子弹
“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万
吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大 气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并 在地面上形成一个巨大的弹坑。
在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿
色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有 的动物全部死亡。
1 1H
1 59 Co 1H 27 59 27 Co
+
=1.00783。
Solution
Δm = 59.9529 + 1.00783 ― 58.9332 ― 2.01410 = 0.01343 (g · -1) mol ΔE =Δ mc2 = 1.343 × 10-5 kg · -1 × (3.00 × 108 mol m · -1)2 s =1.21× 109 kJ · -1 mol
放射性衰变
β 衰变
210 83 Bi
210 84 Po
0 + -1 e （电子）
β衰变的位移定则是，子核在元素周 期表中的位置右移1格。
γ 衰变
60 Co* 27
60 27 Co
+ γ （高能电子波）
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在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变 关系。母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生 成稳定核素。
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历史回顾重要人物
R.L.Mossbauer（穆斯
堡尔） , 德国物理学家
(1929-1976)。1961年 因为对γ辐射的共振 吸收的研究和发现的 Mossbauer效应获诺 贝尔物理学奖。
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历史回顾重要人物
李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中
＋
97 40 Zr
91 36 Kr
＋2
1 0n
＋
1 0n
142 56 Ba
＋
1 ＋ 3 0n
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足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量 (critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过 1 kg 则发生爆炸。