1、核化學介紹 第18 章第1頁 1964年10月16日15時,中國在本國西部地域爆炸了一顆原子彈.蘑菇云第2頁本章教學要求3了解放射性碳-14測定年代法；2會正確書寫核化學方程式；1了解相關放射性核素和放射性衰變 概念；5簡單了解人工核反應和超鈾元素合成 基本內容。4了解核能和核能利用基本概念；第3頁18.1 放射性核素和放射性衰變 Radioactive nuclide and radioactive decay18.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy18.3 人工核反應和超鈾元素 合成 Artificial nuclear r

2、eaction and syntheses of transuranium elements第4頁18.1.1 放射性衰變和放射系Radioactive decay and radioactivity Series 18.1.2 核化學方程、半衰期和放射性 活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity18.1.3 放射性碳-14紀年 Radiocarbon- 14 dating 18.1 放射性核素和放射性衰變 Radioactive nuclide and radioactive decay第5頁18.1.1 放射性衰變和放

3、射系 放射性衰變(radioactive decay)是一個過程, 在這種過程中, 原來核素(母體)或者變為另一個核素(子體), 或者進入另一個能量狀態。第6頁 輻射會使細胞生長-調整機制受到傷害，以白血細胞過分生長為特征白血病可能是由輻射造成。第7頁衰變衰變衰變 核電荷數降低2意味著子核在元素周期表中位置左移2格, 叫作衰變位移定則。衰變位移定則是，子核在元素周期表中位置右移1格。 放射性衰變 + （高能電子波） + + （電子）第8頁 在自然界存在放射性核素大多含有多代母子體衰變關系。母體放射性核素經多代子體放射性核素最終衰變生成穩定核素。 放射系(radioactive series)

4、鈾 系釷 系錒 系第9頁18.1.2 核化學方程、半衰期和放射性 活度 1. 核化學方程式 書寫核化學方程式規則：(a) 方程式兩端質量數之和相等；(b) 方程式兩端原子序數之和相等。 2. 半衰期 1個半衰期2個半衰期3個半衰期4個半衰期 放射性核素衰變速率用半衰期(half-life) 表示, 符號為t12。 比如, 鍶-90衰變反應 半衰期為29 a。第10頁Question 1Solution配平以下方程式:(a) + + ?(b) + ?(c) + ?依據配平規則可知：(a) + +(b) +(c) +第11頁 放射性核素半衰期短至10-6 s, 長至1015 a。 衰變反應半衰期一

5、個主要特征是, 它不受外界條件(溫度、壓力等)影響，也不受化合狀態影響。 化學方法能夠使有毒化學制劑分解為無毒物種，但對放射性造成毒性卻無可奈何! 切爾諾貝利4號反應堆爆炸災難后幾年內，烏克蘭014歲兒童中甲狀腺癌發病人數。第12頁 3. 放射性活度及其單位 放射性活度(activity)是經過試驗觀察得到放射性物質衰變速率。SI單位: 為Bq(貝可)，1 Bq相當于每秒發生1次衰變。舊單位： Ci(居里) ，1 Ci 相當于每秒發生3.71010次衰 變(1 g 鐳-226衰變速率)。 1Ci = 3.71010 Bq 比活度：指樣品中某核素放射性活度與樣品總質量之 比，單位為Bqg-1或m

6、Cig-1等。第13頁檢測放射性方法蓋革計數器(Geiger counter)是依據受輻射氣體發生電離而產生離子和電子能傳導電流原理設計。每個被放大了電脈沖即代表一次放射性記數 第14頁18.1.3 放射性碳-14紀年方 法： 放射性碳-14測定年代法(radiocarbon-14 dating) 依 據： 衰變反應半衰期與反應物起始濃度無關 利 比 ： 取得1960年諾貝爾化學獎假 定 ： 大氣中碳-14與碳-12比值是恒定 碳-14以5730 a 半衰期發生衰變 +第15頁Question 2 埃及一法老古墓發掘出來木質遺物樣品中, 放射性碳-14比活度為432 Bqg-1 即 s-1(g

7、C)-1, 而地球上活體植物組織對應比活度則為756 Bqg-1，試計算該古墓建造年代。Solution 衰變反應是: 依據一級反應速率方程和半衰期公式: lnct( )= -kt lnc0( ) ， t1/2 = 0.693/k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 即該古墓大約是公元前2625年建造。 第16頁18.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 18.2.1 核素平

8、均結合能 Average binding energy of nuclide18.2.2 核裂變 Nuclear fission18.2.3 核聚變 Nuclear fusion第17頁18.2.1 核素平均結合能 核子之間靠核力(nuclear force)結合成原子核，核力是核子之間短程強吸引力，作用范圍為2 fm (10-15 m) 。=0.002 389 3u降低質量 質量虧損(mass defect) 用m表示 E = mc2 降低能量即核結合能(nuclear binding energy), 符號用EB 比如, 2H核結合能為:EB(2H) = mc2 = 931.5 MeVu-

9、1 0.002 389 3 u 2.225 6 MeV第18頁 平均結合能(average binding energy) 指核子結合為原子核時每個核子平均釋放能量(結合能除以質量數）。比如 2H 核值為1.112 8 MeV。 因為重核裂變為較輕核和輕核聚變為較重核過程都是放能反應, 這種趨勢就奠定了核能利用基礎。 第19頁Question 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

10、mol-1 計算反應 + +吸收發射能。 原子量： =58.9332， =2.01410， =59.9529， =1.00783。第20頁18.2.2 核裂變 核裂變(nuclear fission)是大核分裂為小核過程. 普通核武器和核電站都依賴于裂變過程產生能量。 1. 鈾-235裂變與核武器 發生鏈反應爆炸35種元素200各種位素同 2 3第21頁 足以維持鏈反應正常進行裂變材料質量叫臨界質量(critical mass)。 鈾-235 臨界質量約為 1 kg，質量超出1 kg 則發生爆炸。 任何有核反應堆國家都不難得到爆炸級裂變材料，原子彈基本設計又如此簡單，從而為預防核武器擴散帶來了

11、困難。第22頁這是美國對日本投擲兩顆原子彈瘡滿目痍全世界第一次知道了什么是原子彈！第23頁 2. 核反應堆 經過受控核裂變反應取得核能裝置，可使裂變產生中子數等于各種過程消耗中子數, 以形成所謂自持鏈反應(self-sustaining chain reaction)。 第24頁 前蘇聯于1954建成世界上第一座核電站；至今已經有30多個國家和地域400多座核電站處于運行之中。 右圖列出1995年一些國家核電占各自總電力百分率。 第二次世界大戰結束后，科學家快速將原子能利用轉向和平用途。第25頁安全方面擔心 核廢料處理 核動力發電算得上一個清潔能源 第26頁18.2.3 核聚變核聚變(nucl

12、ear fusion) 由兩個或多個輕核聚合形成較重核過程。熱核武器 以聚變反應為基礎核武器 氫彈就是利用裝在其內部一個小型鈾原子彈爆炸產生高溫引爆。 40 000 000 第27頁18.3.1 人工核反應 Artificial nuclear reaction 18.3.2 超鈾元素合成 Syntheses of transuranium elements18.3 人工核反應和超鈾元素合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements第28頁18.3.1 人工核反應 人工核反應是指原子核受中子、質子、粒子

13、、重粒子(比如原子核 )等轟擊而形成新核核嬗變過程(nuclear transmutation) 。通式為:式中X為靶核，a為入射粒子，Y為產物核，b為出射粒子，通常簡寫為A1X(a,b)A3Y。19盧瑟夫實現了第一個核嬗變反應: 第29頁 人工核反應實現, 使科學家在試驗室合成已知元素新核素和新化學元素成為可能 。185Hf(1992)、208Hg(1992)、237Th(1993)、239Pa(1995)、175Er(1996)、235Am(1996)、135Gd(1996)、121Ce(1997)、186Hf(1998)、209Hg(1998)、238Th(1999)、125Nd(199

14、9)、128Pm(1999)、129Sm(1999)、139Dy(1999)、139Tb(1999)和137Gd(1999)。 我國科學家合成19種新核素： 90Ru(1991)和202Pt(1992) 分別由中國原子能科學研究院（北京）和上海原子核研究所合成。第30頁18.3.2 超鈾元素合成第31頁第一個“超鈾元素”（transuranium elements)合成1940年1970年2. 第一個“超錒系元素”（transactinide elements)合成合成困難： 伴隨質子數越來越多，質子間庫侖引力越來越大，原子核也越來越不穩定。 + + + + +4第32頁放射性應用射線療法 射

15、線療法(radiation therapy)是指用高能射線治療疾病方法，它是人類戰勝癌癥一個主要武器。32P60Co90Sr125I131I14.3 d5.26 a28.8 a60.25 d8.06 d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30 a74.2 d2.7 d3.82 d1 622 a輻射源半衰期 輻射源 半衰期第33頁 放射性示蹤劑以某種化合物形式給藥.診療是依據這些放射性化合物進入人體特定部位并在那些部位濃集能力。 131I59Fe32P99Tc23Na 8.1 d45.1 d14.3 d6.0 h14.8 h 甲狀腺紅血細胞眼, 肝, 瘤心臟, 骨,肝,肺循環系統輻射源半衰期檢驗部位第34