高中化学竞赛基础知识之核化学

1、核化学简介 第第12 章章 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区爆炸了一颗原子弹地区爆炸了一颗原子弹.蘑菇云蘑菇云本章教学要求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了解有关放射性核素和放射性衰变的了解有关放射性核素和放射性衰变的 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 的基本内容。的基本内容。4了解核能和核能利用的基本概念；了解核能和核能利用的基本概念；12.1 放射性核素和放射性衰变放射性核素和放射性衰变 Radioactiv

2、e nuclide and radioactive decay12.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy12.3 人工核反应和超铀元素的人工核反应和超铀元素的 合成合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements12.1.1 放射性衰变和放射系放射性衰变和放射系Radioactive decay and radioactivity Series 12.1.2 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 Nuc

3、lear chemical equation half-time and radioactivity12.1.3 放射性碳放射性碳-14-14纪年纪年 Radiocarbon- 14 dating 12.1 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 decay12.1.1 放射性衰变和放射系放射性衰变和放射系 放 射 性 衰 变放 射 性 衰 变(radioactive decay)是是一种过程一种过程, 在这种过在这种过程中程中, 原来的核素原来的核素(母母体体)或者变为另一种核或者变为另一种核素素(子体子体), 或

4、者进入另或者进入另一种能量状态。一种能量状态。衰变衰变衰变衰变衰变衰变 核电荷数减少核电荷数减少2意味着子核在元素意味着子核在元素周期表中的位置左移周期表中的位置左移2格格, 叫作叫作衰变衰变的位移定则。的位移定则。衰变的位移定则衰变的位移定则是，子核在元素周是，子核在元素周期表中的位置右移期表中的位置右移1格。格。 放射性衰变放射性衰变 + （高能电子波高能电子波）*6027CoCo6027 +Ra22688Rn22288He)(4242 + （电子电子）Bi21083e0-1Po21084 在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体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

5、体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生关系。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。成稳定核素。 放射系放射系(radioactive series) 铀铀 系系钍钍 系系锕锕 系系12.1.2 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 书写核化学方程式的规则：书写核化学方程式的规则：(a) 方程式两端方程式两端的质量数之和相等；的质量数之和相等；(b) 方程式两端的原子序数方程式两端的原子序数之和相等。之和相等。 Question 1Question 1Solution配平下列方程式配平下列方程式: :(a) +

6、 + ? + + ?(b) + ?+ ?(c)(c) + ?+ ?Cf25398n310I12253Xe12254Fe5926e0-1B105依据配平规则可知依据配平规则可知：( (a) + +a) + +(b)(b) + +(c)(c) + +n310Lw259103Cf25398e0-1I12253Xe12254Fe5926Co5927e0-1B10512.1.2 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 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 放射性核素的衰变速率用放射性核素的衰变速率用半半

7、衰期衰期(half-life) 表示表示, 符号为符号为t12。 例如例如, 锶锶-90的衰变反应的衰变反应 的半衰期为的半衰期为29 a。Sr9038Y9039e0-1 放射性核素的半衰期短至放射性核素的半衰期短至10-6 s, 长至长至1015 a。 衰衰变反应半衰期的一个重要特征是变反应半衰期的一个重要特征是, 它不受外界条件它不受外界条件(温度、压力等温度、压力等)的影响，也不受化合状态的影响。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化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种物种，但对放射性造成的毒性却无可奈何但对放射性造成的毒性却无可奈何! ! 切 尔 诺

8、贝切 尔 诺 贝利利4 4号反应堆号反应堆爆炸灾难后的爆炸灾难后的几年内，乌克几年内，乌克兰兰0 01414岁儿岁儿童中甲状腺癌童中甲状腺癌的发病人数。的发病人数。 3. 3. 放射性活度及其单位放射性活度及其单位 放射性活度放射性活度(activity)是通过实验观察得到的放射性是通过实验观察得到的放射性物质的衰变速率。物质的衰变速率。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的衰变速率的衰变速率)。 1Ci = 3.7

9、1010 Bq 比活度：比活度：指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之指样品中某核素的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。检测放射性的方法检测放射性的方法盖革计数器盖革计数器(Geiger counter)是根据受辐射气体发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。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每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数即代表一次放射性记数 12.1.3 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-1

10、4 dating) 依依 据据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关 利利 比比 ： 获得获得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的比值是恒定的的比值是恒定的 碳碳-14以以5730 a 的的半衰期发生半衰期发生衰变衰变 +C146N147e01-Question 2Question 2 埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中品中, 放射性碳放射性碳-14的比活度为的比活度为432 Bqg-1 即即 s-1(gC)-1, 而地球上活体植物组织相应的比而地球上活体植物组织相

11、应的比活度则为活度则为756 Bqg-1，试计算该古墓建造的试计算该古墓建造的年代。年代。Solution 衰变反应是衰变反应是: 根据一级反应的速率方程和半衰期公式根据一级反应的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26261919年建造的年建造的。 C146N147e0-1C146C14612.2

12、 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 12.2.1 核素的平均结合能核素的平均结合能 Average binding energy of nuclide12.2.2 核裂变核裂变 Nuclear fission12.2.3 核聚变核聚变 Nuclear fusion12.2.1 核素的平均结合能核素的平均结合能 核子之间靠核子之间靠核力核力(nuclear force)结合成原子核，核力是结合成原子核，核力是核子之间的短程强吸引力，作用范围为核子之间的短程强吸引力，作用范围为2 fm (10-15 m) 。=0.002

13、 389 3u减少的质量减少的质量 质量亏损质量亏损(mass defect) 用用m表示表示 E = mc2 减少的能量即核减少的能量即核的结合能的结合能(nuclear binding energy), 符号用符号用EB 例如例如, 2H核的结合能为核的结合能为:EB(2H) = mc2 = 931.5 MeVu-1 0.002 389 3 u 2.225 6 MeV 平均结合能平均结合能(average binding energy) 指核子结合为原指核子结合为原子核时每个核子平均释放的能量子核时每个核子平均释放的能量(结合能除以质量数）。结合能除以质量数）。例如例如 2H 核的值为核的

14、值为1.112 8 MeV。 由于重核裂变由于重核裂变为较轻核和轻核聚为较轻核和轻核聚变为较重核的过程变为较重核的过程都是放能反应都是放能反应, 这这种趋势就奠定种趋势就奠定了核能利用的了核能利用的基础基础。 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 + +的吸收发射能。的吸收发射能。 原子量原子量： =58.9332

15、， =2.01410， =59.9529， =1.00783。Co6027H21H11Co5927H21H11Co6027Co592712.2.2 核裂变核裂变 核裂变核裂变(nuclear fission)是大核分裂为小核的过程是大核分裂为小核的过程. 普通普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。 1. 铀铀-235的裂变与核武器的裂变与核武器 发生链反应发生链反应爆爆炸炸35种种元元素素的的200多种多种位素位素同同 2 3U23592n10Te13752Zr9740n10Kr9136U23592n10Ba14256n10 足以维持链反应

16、正常进行的裂变材料质量叫足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量临界质量(critical mass)。 铀铀-235 的临界质量约为的临界质量约为 1 kg，质量超过质量超过1 kg 则发生爆炸。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。这是美国对日本投掷的两颗原子弹这是美国对日本投掷的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！ 2. 核反应堆核反应堆 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

17、过程消耗的中子数的中子数等于各种过程消耗的中子数, 以形成所谓的以形成所谓的自持自持链反应链反应(self-sustaining chain reaction)。 前苏联于前苏联于1954建成建成世界上第一座核电世界上第一座核电站；至今已有站；至今已有30多多个 国 家 和 地 区 的个 国 家 和 地 区 的400多座核电站处多座核电站处在运行之中。在运行之中。 右图右图列出列出1995年一些国年一些国家核电占各自总电家核电占各自总电力的百分率。力的百分率。 第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能的利用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。转向和平用途。安全方面的担心

18、安全方面的担心 核废料处理核废料处理 核动力发电算得上一种清洁能源核动力发电算得上一种清洁能源 12.2.3 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的过程。重核的过程。热核武器热核武器 以聚变反应为基础的核武器以聚变反应为基础的核武器 氢弹就是利用装在其内氢弹就是利用装在其内部的一个小型铀原子弹爆炸部的一个小型铀原子弹爆炸产生的高温引爆的。产生的高温引爆的。 40 000 000 H31H21He42n1018.3.1 人工核反应人工核反应 Artificial nuclear reaction 18.3.2 超铀元素

19、的合成超铀元素的合成 Syntheses of transuranium elements12.3 人工核反应和超铀元素的合成人工核反应和超铀元素的合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements12.3.1 人工核反应人工核反应 人工核反应是指原子核受中子、质子、人工核反应是指原子核受中子、质子、粒子、重粒粒子、重粒子子(例如原子核例如原子核 )等轰击而形成新核的等轰击而形成新核的核嬗变过程核嬗变过程(nuclear transmutation) 。C126通式为通式为:式中式中X为靶核，为靶核，a为入

20、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。XA1Z1aA2Z2YA3Z3bA4Z41919年卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应年卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应: : 42147NP+O11178 人工核反应的实现人工核反应的实现, 使科学家在实验室合成已使科学家在实验室合成已知元素的新核素和新的化学元素成为可能知元素的新核素和新的化学元素成为可能 。185Hf(1992)、208Hg(1992)、237Th(1993)、239Pa(1995)、175Er(1996)、235Am(1996)、135Gd(1996)、121Ce(199

21、7)、186Hf(1998)、209Hg(1998)、238Th(1999)、125Nd(1999)、128Pm(1999)、129Sm(1999)、139Dy(1999)、139Tb(1999)和和137Gd(1999)。 我国科学家合成的我国科学家合成的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。12.3.2 超铀元素的合成超铀元素的合成1. 第一个第一个“超铀元素超铀元素”（transuranium elements)的合成的合成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)的合成的合成合成的困难合成的困难： 随着质子数越来越多，质子间的随着质子数越来越多，质子间的库仑引力越来越大，原子核也越来越不稳定。库仑引力越来越大，原子核也越来越不稳定。 + + +U23892n10U23992U23992Np2399310 + +4Cf24998N157Db260105n10放射性的应用放射性的应用射线疗法射线疗法 射线疗法射线疗法(radiation therapy)是指用是指用高能射线治疗疾病的方法，它是高能射线治疗疾病的方法，它是人类战胜癌症的一种重要武器。人类战