吉林大学无机化学课件：第二十三章原子核化学

1、第二十三章 原子核化学本章的要求： 1 掌握核反应和化学反应的区别。2 掌握天然放射系的有关概念和知识。 3 了解人工核反应的有关概念和应用。4 了解放射性同位素的应用。2022/8/24123.1 历史的回顾 原子核化学与原子核物理学这两门学科紧密地交织在一起，成为原子能科学技术的基础。原子核化学是研究各种化学元素的转变规律的学科。 中世纪的炼丹术时期，“点石成金”。 1896年，贝克勒尔(Becquerel)发现铀的放射性。原子核会自动地会放出和粒子的同时转变为另一种元素。 尝试水银蒸汽高压放电，或用阴极射线去打击氮气，进行元素转变。 天然放射性物质放出的具有极高速度的粒子作为“炮弹”去轰

2、击原子核 1919年，卢瑟福实现了“转变元素”： 1932年，查德威克发现了中子： 质子和中子统称为核子。中子易进入原子核，常利用中子引发核反应。 1934年，约里奥居里夫妇发现正电子。2022/8/242 30-40年代，利用核反应，合成了自然界未找到的元素，Fr、At、Po，完成1-92号的所有元素。 1940年，Macmillan and Abelson发现93号元素，至1982年发现93-103号元素。 自1939年初发现了中子使铀裂变后，铀原子核吸收了一个中子后分裂成两个质量相近的碎片，同时放出了两三个中子并伴随有大量的能。 还在裂变现象发现以前，物理学家就已知道某些很轻的原子核能相

3、互聚合为较重的原子核并放出巨大的能量。 在极高的温度下氢原子核聚变的过程叫做热核反应。可控制的热核反应是目前自然科学研究的重点问题之一，一旦研究成功，人类将从水中的重氢(氘)获得人类用之不竭的新能源。2022/8/24323.2 核结构2-1 核模型 某元素“X”原子核，常用符号AZ X表示。Z代表该原子核质子数（即核电荷数，原子序数）；A代表核子总数，称为质数，如：23892U 等。 液滴模型：把各种原子核看成是由不可压缩，且有很大表面张力的特种“液体”凝成的大小不同的“液滴”。质子之间的斥力有使液滴破裂的趋势，而表面张力的效应和核力的凝聚作用有使核子聚集的趋势。 壳层模型：中子和质子可各自

4、独立地填充核壳层，中子和质子充满壳层的核具有最稳定结构。满壳层的质子数与中子数称为“幻数”。包含2，8，20，28，50和82个质子(或中子)以及126个中子的核具有特殊的稳定性。 质子数为82,中子数为126的82208Pb ,由于具有双幻数,具有球形对称饱和结构,因而,特别的稳定。 希有气体的氦、氖、氩、氪、氙、氡-2、10、18、36、54、86、118。 壳层模型可描述处于非激发或者弱激发状态下的核性质(如发射射线)；而液滴模型可解释处于激发状态下的核性质（如裂变）。2022/8/2442-2 核力 核子间除质子间排斥力外，还存在一种很强的具有引力性质的核力。核力作用所能达到的空间距离

5、很短，具有饱和性。 核力通过核子间交换介子产生，+介子带一个单位正电荷，-介子带一个单位负电荷，0介子不带电。原子核中带电粒子的数目从统计角度来说为一常数，但质子和中子不断变化。处于平衡状态。 2-3 核的稳定性 当N/P=1时，核最稳定。原子序数增加，N/P值逐渐增大，当n/p1.6，原子核就要裂变。凡原子序数在钋以上的原子核，质子或中子过多的原子核都不稳定。 稳定岛的假设：由稳定同位素所组成的稳定同位素区犹如被“海洋”所包围的“孤岛”或“山脉”，“海洋”由不稳定同位素所组成（图23-2）。2022/8/2452022/8/2462022/8/2472-4 质能转换、核的结合能 E = mc

6、2 如氦核的静质量比2个质子和2个中子的静质量总和少0.03040，这个质量差叫质量亏损，失去的质量是以能量的形式放出。 结合能 = (原子核所有中子和质子静质量之和-原子核静质量)(光速)2 可以这样说：使原子核分离为单个的质子和中子所需要的能量称这种原子的结合能。 每一个核子所具有的结合能称平均结合能。核子的平均结合能 = 总结合能/核子数 2022/8/248例：两个质子和两个中子结合成氦核的结合能和平均结合能：P: 2x1.00728u=2.01456un: 2x1.00867u=2.01734uHe: 4.0319u-4.00150u=0.03040uE=m.c2=0.03040ux

7、1.66053x10-27kgu-1 x(3x108)2m2.s2 =4.5369x10-12kg.m2.s2 =4.5369x10-12jHe平均核子结合能： 4.5369/4=-1.1342x10-12j2022/8/249 原子能释放：在平均结合能(图23-3)低的核转变成平均结合能高的核的过程中，增加的结合能被释放了出来。通过核裂变和核聚变方法实现。2022/8/241023.3 核反应 3-1 核衰变 衰变：不稳定的重原子核（和少数较轻的核）自发放射出粒子而转变为另一种核的过程。粒子实际上就是氦原子核。衰变时往往有辐射伴随发生。-衰变：放射性原子核放射出电子和中微子而转变为另一种核的

8、过程，-衰变基本上是中子过多的核（最重的同位素）所特有，在-衰变过程中，核内一个中子转变为质子，同时放出一个电子和一个中微子： 中微子是一种静质量极小的（比电子还轻得多）中性的粒子。它不存在于核内，而是在-衰变时同电子一起从核内产生的。2022/8/2411+衰变：放射性原子核放射出正电子和中微子而转变为另一种核的过程。+衰变是质子过多，中子不足的核（最轻的同位素）所特有的。正电子质量和电子一样，但所带电荷的符号相反。质子转变为中子的同时释放出一个正电子和一个中微子： 纯+衰变要比-衰变少得多。中子的质量比质子和电子的质量之和还大。中子转化为质子和电子时，多出的一部分静质量就转化为电子等的增益

9、质量。因此自由中子是不稳定的。自由质子是稳定的。2022/8/2412电子俘获：原子核从核外电子壳层（通常是内层）中俘获一个电子的过程。结果使核内一个质子变成一个中子，同时放出一个中微子： 最内层（K内层）的电子最容易被俘获，称为“K俘获”。K俘获也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。辐射和伦琴射线的发射：辐射是波长最短的电磁辐射。量子没有静质量，所以辐射不引起元素转变。上述各种衰变形式经常要伴有辐射的发射。放射性的核也常常不发射量子，而把它的能量转移到离核最近的那一壳层的电子，这时电子从原子中释出，但这并不引起核转变，这个现象称为内变换。在内变换情况下，将产生特征伦

10、琴射线的次级辐射。在K俘获的情况下也观察到了同样的现象。2022/8/24133-2 原子核衰变的规律 衰变定律和半衰期：N = N0exp(-0.693t /T)。T为半衰期，是某种元素衰变一半的量所需要的时间。 此式表示任何时间t时，剩下的放射性核的数目。它是放射性基本定律的数学表达形式。放射性物质的衰变速率是与样品的原子数成正比 -dN/dt =N (1)式中N为放射性核的数目，为速度常数，也称衰变常数。它表示放射性元素在单位时间内的衰变分数。积分上式得： lnN= -t + 为积分常数。在开始时t=0，N=No，代入上式求出=lnNo，再将=lnNo 代入上式得 ： lnN/N0 =

11、-t (2)写成指数形式： N=N0e-t2022/8/2414 化为常用对数形式，并且两边同乘以1就有： 用半衰期T 的概念来描述放射性元素的放射性强度是很方便的。半衰期是一放射性元素衰变到原来量一半所需的时间，t=T , N=N0 / 2代入上面的式子即有： ln1/2= -T T =0.693 T =0.693/ =0.693/T 半衰期T 是和成反比的，元素的放射性越强，就是它的衰变常数越大，那么它的半衰期就越短。将=0.693T 代入（2）式：N = N0exp(-0.693t/T)。2022/8/2415由前面的第(3)式即有: t=3.32x4.5x109lg(1.297/1)=

12、1.7x109 (年) 例1 通过分析测定某岩石，有1mg铀238就有0275mgPb206，试计算此岩石的年龄。已知：T=4.5x109 解：铅206是由铀238衰变而来的，那么岩石中原来铀的总量为： 23892 U 1+(238206) x 0.2571.297 mgN = N0exp(-0.693t/T) 答：此岩石的年龄为名1.7x109年。2022/8/2416（2）已知：N0=1.000 g t=5 T 1/228年 求N？例2 若我们从1.000克锶90开始，经过两年后，剩下0.952克。（1）计算锶的半衰期。（2）5年后锶90还剩下多少？ 解：（1）已知N0=1.000 g N

13、=0.952g t=2年 求T =? 由公式（3）： T = t/ 3.32 lgN0/N=2/ 3.32lg1.000/0.952 =2/3.32x0.0212=28（年）解:由 lgN0/Nt3.32T =5/3.32x28=0.054 N0/N=100.054 =1.13 N=N0/1.13=1/1.13=0.88(g) 答：5年以后还剩下088g锶90。N = N0exp(-0.693t/T)2022/8/2417放射性衰变系列：所有地球上现存的天然放射性重元素是由原始原子经衰变而成，如U-238放射射线后生成（钍） Th-234，Th-234又放射射线生成（镤） Pa -234，这个

14、核不稳定，继续衰变，直到Pb-206(图23-5)。(92U-238、 92U-235、90Th-232 、90Np-237） 核反应系列:是由不稳定核开始到稳定核终止，此过程叫做放射系列或核衰变系列。位移规律：原子核衰变后，在周期表内左移两格，质量数减少4。原子核经-衰变后，在周期表内右移一格，质量基本不变。经+衰变或电子俘获以后，核电荷减少1，即原子序数减少1，在周期表内左移一格，质量基本不变化。这样的规律就叫位移规律。 2022/8/24183-3 诱导核反应 经带电粒子轰击而引起的核反应： 简称为p反应，p 反应、D n反应。 经中子轰击而引起的核反应： n p n n 经高能光子照射

15、而引起的核反应： 2022/8/24192022/8/24202022/8/2421 核反应方程式的写法与化学方程式写法基本相同,两边质量数相等,但不用等号而用箭头”连接,并可以简写如下:2022/8/242223.4 核能的释放4-1 核裂变能 为使链式反应正常进行，必须保证由原子核裂变所产生的中子能补偿为引起核反应（裂变的和不裂变的）或逸出反应堆而损耗的中子，这条件只有在反应堆（或铀块）具有一个最低限度的体积时才能实现，这个最低限度的体积叫做临界体积。 2022/8/2423中国秦山核电站中国大亚湾核电站2022/8/2424 轻原子核相遇时聚合为较重原子核并放出巨大能量的过程称为核聚变。

16、氦核的结合能比它附近的轻核大。因此形成氦核的核反应，会放出能量。太阳等恒星内部所进行的正是氢核生成氦核的聚变过程。氢弹的爆炸是利用核裂变的极高温，使内部轻原子核发生剧烈而不可控制的聚变反应。氢弹不受临界体积限制，所以，氢弹的爆炸力可能比原子弹大千百倍。4-2 核聚变能2022/8/24252022/8/24262022/8/242723.5 核化学成就的重要意义5-1 揭示了合成新元素的可能性，发展了周期系 可以推测，合成新元素的最大希望是利用重离子核反应。5-2 为获得新能源指明了方向 2022/8/2428(1) 12H+ 12H23He+01n 12H ( D , n) 23He(2)

17、12H+ 12H13H+11H 12H ( D , P) 13H(3) 12H+ 13H24He+01n(4) 12H+ 23He24He+11H(5) 12H+ 36Li224He(6) 11H+ 37Li 224He(7) 12H+ 36Li24He+23He(8) 12H+ 37Li 224He+01n人类最有希望加以利用的聚变反应有下列几种： 海水中所有的重氢全能利用的话,可产生供人类使用一二百亿年的能源.2022/8/2429 2020年，我国装机容量要达到9亿千瓦才能满足需求，现在已有6亿千瓦的装机容量，电力发展任务十分繁重，我国年均新增装机容量将超过3000万千瓦 。 现时水电3

18、0%,火电68%,核电和其它只占2%。要求水电达50%以上；核电和其它达10%，火电下降到40%以下，使环境更有好。我国能源战略2022/8/24302022/8/2431春晓2022/8/24322022/8/24332022/8/24342022/8/24352022/8/24362022/8/2437 拟定方案四为中下游梯级开发方案，即松塔(龙头水库)丙中洛 马吉(龙 头水库)鹿马登福贡碧江亚碧罗泸水六库石头寨赛格岩桑树光坡的两库十三级开发方案，全梯级总装机容量万千瓦。 怒江水电开发规划 2022/8/24382022/8/2439大亚湾 (广东、深圳）岭澳 (广东、深圳) 田 湾 (江苏连云港 )秦 山 (位于浙江省海盐县秦山 有一期、二期、三期 ) 2022/8/2440我国目前已有6座核电站: 这六座核电站分别为:浙江省秦山：一期，2台30万机组; 秦山核电二期工程，2台60