第二节 核化学的产生与发展.ppt

第二节 核化学的产生与发展 随着人类对原子结构的深入了解和认识 人们从原子的外部 深入到原子的内部 从懂得原子之间相互作用发生质变 进而懂得了原子核发生质变的问题 这样 就逐步建立起研究原子核质变的化学 核化学 本节内容 一 核化学的产生 二 核化学的发展 三 原子能的开发和利用 四 核化学各分支的建立和发展 一 核化学的产生 核化学 nuclearchemistry 用化学方法或化学与物理相结合的方法研究原子核及核反应的学科 1 核化学的起源 核化学起始于1898年M 居里和P 居里对钋和镭的分离和鉴定 1910年 为了证实原子核质变的可能和方式 卢瑟福做了开创性的工作 2 质子的发现 1919年 卢瑟福用 粒子轰击氮时 发现产生一种新的 射程很长 质量很小的带正电的微粒 经研究证明 这种带正电的微粒就是氢原子核 他把这种带正电的粒子称为质子 这是人类历史上第一次实现的人工核反应 在这个反应中 原子的核发生了质的变化 一种化学元素变成了另一种化学元素 从而实现了古代炼金术们的幻想 所以 有人把核化学称为 20世纪的炼金术 3 原子核质子 电子模型的建立 1919年 居里夫人根据原子中有电子 原子核中有质子的事实 提出了质子 电子模型 她认为 原子核是由质子和电子组成的 电子中和了一部分质子的电荷 而原子序数则是原子核内未被中和的质子数目 4 中子假说 1920年 卢瑟福提出了中子假说 他认为 在原子核中 质子和电子相互结合 形成一种牢固的不带电的微粒 称为中子 并断言 由于中子不带电 因而它周围没有电场 所以当它通过气体时应不产生离子 在穿透物质时 应不受静电的排斥作用 所以穿透力极强 只有与原子核碰撞时 才会被弹回或被偏转 5 中子的发现 1930年 博特用钋的 粒子轰击铍时 发现一种穿透力非常强的粒子 1932年 查德威克证实 这种粒子就是卢瑟福预言的中子 这样 原子核另一成分 中子被发现了 6 核化学的建立 20世纪20年代末到30年代初 其它几个典型的人工核反应也实现了 从而奠定了核反应的基础 至此 一门新的化学学科 核化学就真正问世了 二 核化学的发展 1932年以前 人们总共了解到26种核反应 发现了大约40种同位素 此后 核化学就进入了蓬勃发展时期 1 粒子加速器的研制 1932年 人类研制出粒子加速器 这一实验工具极大地促进了核化学的发展 利用这些有利条件 在1934 1937年间制出了200多种同位素 到1939年底 人类研究过的核反应已达200多种 所以说 核化学的真正发展时期应该是20世纪30年代 2 裂变反应的发现 1938年 约里奥 居里夫妇用中子照射铀以后 发现了与镧的化学性质一样的放射性元素 1939年 哈恩确定是钡的同位素 这一实验证据证明 在核化学的反应类型上 人们不仅认识了轻核结合成重核的聚变反应 同时又认识了重核分裂成轻核的裂变反应 3 核反应机理的研究 在对铀裂变的研究中 约里奥 居里等人发现 一个铀核裂变 就可以放出200兆伏特的能量 并证明铀核的每次裂变中 放出二三个中子 这基本搞清了铀裂变的链式反应机理 结论 核化学的进一步发展 逐步打开了核反应应用的渠道 在医疗 能源和军事上逐步被广泛应用 三 原子能的开发和利用 核化学打开了原子能的大门 开拓了利用原子能的广阔领地 1 在医学上的应用 发射性早期主要应用于医疗方面 如放射性测试 用放射性的射线照射癌细胞 放疗 可延缓癌细胞的病变 或消灭癌细胞 2 在军事的应用 核化学的一个突出成果 就是在军事上 原子武器 也称核武器 1 原子武器的提出 1939年8月 由爱因斯坦出面 几位美国科学家共同写信给美国总统罗斯福 说明 铀裂变可以制成威力空前的炸弹 并指出德国法西斯也在研制这种武器 希望美国能抓紧研制 以防止这种威力强大的武器首先落在德国法西斯手里 2 原子武器研制开始 1942年夏天 美国总统罗斯福采取积极行动 任命著名物理学家奥本海默来领导原子弹的研制计划 并把这一计划称为 曼哈顿计划 3 原子武器研制成功 奥本海默是一位杰出的科学家和管理人才 他集中了理论物理 实验技术 数学 辐射化学 冶金 爆炸工程 精密测量等各方面的专家 以及分散在美 英 加拿大等许多实验室和研究机构 进行了大规模 多学科的协同研制 终于在1945年7月16日试验成功第一颗原子弹 4 原子弹的灾难 1945年8月6日和9日 美国先后把一枚铀弹和一枚钚弹投在日本的广岛和长崎 造成了人类战争史上最大的惨案 杀死了数以万计的无辜平民 原子弹爆炸的强烈光波 使成千上万人双目失明 10亿度的高温 把一切都化为灰烬 放射雨使一些人在以后20年中缓慢地走向死亡 冲击波形成的狂风 又把所有的建筑物摧毁殆尽 处在爆心极点影响下的人和物 象原子分离那样分崩离析 离中心远一点的地方 可以看到在一霎那间被烧毁的男人和女人及儿童的残骸 更远一些的地方 有些人虽侥幸还活着 但不是被严重烧伤 就是双目被烧成两个窟窿 在16公里以外的地方 人们仍然可以感到闷热的气流 当时广岛人口为34万多人 靠近爆炸中心的人大部分死亡 当日死者计8 8万余人 负伤和失踪的为5 1万余人 以上数字不含军人 据估计军人伤亡在4万人左右 全市7 6万幢建筑物全被毁坏的有4 8万幢 严重毁坏的有2 2万幢 5 我国核武器的研制 1964年10月16日 成功进行了原子弹试验 1967年6月18日 成功进行了氢弹试验 3 核电站的建立和发展 1954年 前苏联采用石墨冷反应堆 以石墨为减速剂 普通水为冷却剂 建成了第一座小型原子能发电站 1956年 英国建成了第一座天然铀石墨气冷发电和产钚两用堆 1957年 美国建成了实验型压水堆核电站 核电站的发展历程 20世纪50年代 核电站处于实验阶段 20世纪70年代 核电站的发电成本已经低于火力发电 只是核废料的处理面临一定困难 20世纪80年代以后 这些问题都解决了 核电站处于快速发展时期 四 核化学各分支的建立和发展 20世纪30年代以后 核化学和各分支学科也都发展起来了 主要有同位素化学 放射化学 辐射化学 超铀元素化学等等 1 同位素化学 1910年同位素假说提出以后 1914年发现了同位素 从而开创了同位素化学 同位素化学 同位素化学主要侧重于鉴定 分裂各种同位素以及合成新的同位素 并研究同位素在现代科学技术中的应用 重水 D2O 2 超铀元素化学 自从1940年 美国的艾贝尔生和麦克米伦合成了超铀元素镎 1942年又合成了钚以后 从1944 1984年的40年里 人类合成了95 109号的铀后元素 超铀元素化学 超铀元素化学主要是指用现代方法研究人工合成的重元素的化学性质 研究工作较好的 美国西博格领导的研究中心 原苏联的杜布纳研究室 原西德的核子研究中心 3 放射化学 居里夫人对钋和镭的研究奠定了放射化学的基础 放射性 放射性元素 等术语都是她制订的 是她首先用化学方法提纯放射性同位素的 放射化学 放射化学是研究放射性物质 及与原子核转变过程相关的化学问题的化学分支学科 放射化学与原子核物理对应地关联和交织在一起 成为核科学技术的两个兄弟学科 4 辐射化学 1895年 1896年 X射线和放射性发现后 辐射化学就开始了 1899年 居里夫人研究镭辐射时 发现空气中有臭氧生成 并注意到 射线能使玻璃和瓷器着色 这些都是辐射引起的化学变化 1900年 吉泽尔观察到在放射性作用下 碱金属的卤化物会改变颜色 镭化合物的水溶液也会产生爆鸣声 这是水的辐射分解造成的 辐射化学 就是系统研究辐射作