无机化学第二十三章 核化学

核动力发电是一种清洁能源
核废料处理和 安全方面的担 心是科学家和 有关政府发展 核电的障碍。
23.2.3 核聚变 (nuclear fusion) 由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。 热核武器: 以聚变反应为基础的核武器
3 1H
＋2H 1
4 He 40 000 000 ℃ 2
1 ＋0n
氢弹就是利用装 在其内部的一个小 型铀原子弹爆炸产 生的高温引爆的
23.3 人工核反应和超铀元素的合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements
23.2.1 核素的平均结合能\质能转换
来源——“核子”（质子和中子的通称） 之间的强吸 引力超过了质子的静电排斥力； 核子之间靠核力结合成原子核，核力是核子之间的 短程强吸引力，作用范围为2 fm (10-15 m) 。 核子组成核时会产生能量（质量）的变化，服从爱 因斯坦的质能相当关系： E = mc 2 （c 3108 米 / 秒；1 kg相当于9 1016 焦 ）
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1.1128 MeV。 由于重核裂 变为较轻核和轻 核聚变为较重核 的过程都是放能 反应, 这种趋势 就奠定了核能利 用的基础。
计算反应: 59 60 Co+ 1 H Co+ 2 H 27 1 27 1 59 的吸收发射能。 原子量：27 Co = 58.9332， 60 2 = = 59.9529， H 2.01410， 27 Co 1 1 = 1.00783。 1H
痛苦的回忆: 全世界第一次知道了什么是原子弹！
这是美国对日本投掷的两颗原子弹
2.核反应堆: 通过受控核裂变反应获得核能的装置， 可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数, 以 形成所谓的自持链反应(self-sustaining chain reaction)
第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能 的利用转向和平用途。 前 苏 联 于 1954 建 成世界上第一座 核电站；至今已 有 30 多 个 国 家 和 地区的400多座核 电站处在运行之 中。右图列出 1995 年 一 些 国 家 核电占各自总电 力的百分率。
=
质量亏损 0.0023893u 减少的质量 (mass defect) 用△m表示
△E = mc 2减少的能量即核的结合能, 符号用EB
核素
氘 2H
氚 3H 2.82 7
氦 3He 2.57 3
中等 氦 4He 质量核 铀或钚 7.07 4 8.5 7.6
比结合能 1.11 (MeV) 2
例如, 2H 核的结合能为: EB(2H) = △mc2 = 931.5 MeV·-1 × 0.0023893 u u ≈ 2.225 6 MeV
Z核
A

A 核 Z+1 +
b- +
0 0V
- 即为 0 b -1
e
代表中微子，是一种静质量极小的比电子还 轻的多的中性粒子。它不存在于核内，而是在b-衰变 0 0 时同电子一起从核内产生的。 b- 衰变核内一个中子转变为质子，核电荷增加一 个单位，而质量数不变。如：
14
0 0V
6C
7 N +
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。
α衰变
226 88 Ra
222 86 Rn
+ 2 α( 2 He)
4 4
放射性衰变
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。 β衰变 0 210 210 + -1 e （电子） 84 Po 83 Bi 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
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。
23.1.2 核化学方程、半衰期和放射性活度 1. 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, 1个半衰期 锶-90的衰变反应的半衰 2个半衰期 期为28a。 3个半衰期
23.1 放射性核素和放射性衰变 Radioactive nuclide and radioactive decay 23.1.1 放射性衰变和放射系 Radioactive decay and radioactivity Series 23.1.2 核化学方程、半衰期和放射性活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity 23.1.3 放射性碳-14纪年 Radiocarbon-14 dating
23.2.2 核裂变 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
素的 元 种 35
200 多种 同 位素
发生链反应
爆 炸
235 ＋ 1 92 U 0
235 ＋1 92 U 0
n
n
Hale Waihona Puke Baidu
137 Te ＋ 97 Zr 40 52 142 91 Ba ＋ 36 Kr 56
第二十三章
核化学简介
Introduction to Nuclear Chemistry
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
本章教学要求和内容: 1．了解有关放射性核素和放射性衰变的概念； 2．会正确书写核化学方程式； 3．了解放射性碳-14测定年代法； 4．了解核能和核能利用的基本概念； 5．简单了解人工核反应和超铀元素合成的基本内容。 23.1 放射性核素和放射性衰变 Radioactive nuclide and radioactive decay 23.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 23.3 人工核反应和超铀元素的合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements
23.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 23.2.1 核素的平均结合能 Average binding energy of nuclide 23.2.2 核裂变 Nuclear fission 23.2.3 核聚变 Nuclear fusion
1 ＋ 20n ＋ 3 1n 0
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。
任何有核反应堆 的国家都不难得 到爆炸级的裂变 材料，原子弹的 基本设计又如此 简单，从而为防 止核武器扩散带 来了困难。
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
23.1.3 放射性碳-14纪年 方 法： 碳-14测定年代法(radiocarbon-14 dating) 依 据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关 假 定： 大气中碳-14与碳-12的比值是恒定的
10 Ne
19
9 F +
19
+ + 0V b 0
0 b+ 即为 +1e
纯 b+ 衰变要比 b- 衰变少得多，基本上也只是 周期表的前一半元素的同位素才具有。
电子俘获： 这是原子核从核外电子壳层（通常是内层特别是 K层）中俘获一个电子的过程。结果使核内一个质子变 成中子，核的电荷数将因之减少1，同时放出一个中微 子。 电子俘获特别是 K 壳层电子俘获，是中子不足的 同位素所特有的，大多是周期表前一半元素的轻同位 素。如： 7 0 7 0 3Li + 0 V 4 Be + -1 e 辐射是一切已知辐射中波长最短的电磁辐射。 因为γ量子没有静质量，所以它的发射并不引起元素 的转变，上述各种衰变形式经常伴有γ辐射的发射。
23.1.1 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。是随机自发的单体核反应
常见的有 a, b, g 三种： 三种粒子在电场中的偏转
辐射造成 辐射造成的生物效应 的生物 辐射会使细胞的生 效应 长-调节机制受到伤害，
90 38 Sr
90 39Y
+
0 -1 e
4个半衰期
配平下列方程式:
(a) 253 Cf + 98
10 5B
122 54 Xe
0 -1 e
1 30 n + ?
(b)
(c)
122 53 I
59 26 Fe
+ ?
+ ?
依据配平规则可知：
(a) (b) (c)
253 98 Cf
+
10 5B
122 54 Xe
14 6C
14 7N
0 + -1 e
碳-14 以5730 a 的 半衰期发生β衰变
利 比：1960年 诺贝尔化学奖
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 s-1· -1], 而地球上 g (gC) 活体植物组织相应的比活度则为756 Bq·-1，试计算该 g 古墓建造的年代。
0 -1 e
1 30 n +
260 103
Lr
122 53 I
59 26 Fe
+ +
0 -1 e
59 27 Co
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。
3. 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: 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 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
60 * 27 Co
60 27 Co
+ γ （高能电子波）
A- 4 核 + 4 He( a ) a 衰变： 核 Z- 2 2
A Z
或记为： 如
A Z
核
A-4 a Z- 2
核
263 106
259 Rf Sg 104
a
b 衰变又分为 b-, b+ 及电子俘获三种:
b-：
衰变反应是:
14 6C
14 7N
+
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。
14
b- +
0 0V
b- 衰变基本是中子过多的核所特有的，发生 b衰变的一般是这些元素的最重的同位素。
b+ 衰变: 这是放射性原子核放射出正电子和中微子而转变 成另一种核的过程。 b+ 衰变是质子过多，中子不足的 核所特有的，一般是元素的最轻同位素。 在b+ 衰变过程中，核内一个质子转变成为中子， 此时核电荷减少一个单位，而质量数没有变化。质子 转变成中子的同时，释放出一个正电子和一个中微子：
Δm = 59.9529 + 1.00783 ― 58.9332 ― 2.01410 = 0.01343 (g · -1) mol ΔE =Δ mc2 = 1.343 × 10-5 kg · -1 × mol (3.00 × 108 m · -1)2 s =1.21× 109 kJ · -1 mol