1、核化学简介,第18 章,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,3了解放射性碳-14测定年代法；,2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概念；,5简单了解人工核反应和超铀元素合成的基本内容。,4了解核能和核能利用的基本概念；,18.1 放射性核素和放射性衰变Radioactive nuclide and radioactivedecay,18.2 核能和核能利用Nuclear energy and use of nuclearenergy,18.3 人工核反应和超铀元素的合成Artificial nuclear reaction an
2、d syntheses of transuranium elements,18.1.1 放射性衰变和放射系Radioactivedecay and radioactivity Series,18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性活度 Nuclear chemical equationhalf-time and radioactivity,18.1.3 放射性碳-14纪年 Radiocarbon-14 dating,18.1 放射性核素和放射性衰变Radioactive nuclide and radioactive decay,18.1.1 放射性衰变和放射系,放射性衰变(radioacti
3、ve 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。,辐射会使细胞的生长-调节机制受到伤害，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。,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, 叫作衰变的位移定则。,衰变的位移定则是，子核在元素周期表中的位置右移1格。,放射性衰变,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。,放射系 (radioactive series),18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性活度,1. 核化学方程式,书写核化学方程式
4、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,Question 1,Solution,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014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: 为Bq(贝可)，1 Bq相当于每秒发生
5、1次衰变。 旧单位： Ci(居里) ，1 Ci 相当于每秒发生3.71010次衰变(1 g 镭-226的衰变速率)。 1Ci = 3.71010 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Bqg-1或mCig-1等。,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。,18.1.3 放射性碳-14纪年,碳-14以5730 a 的半衰期发生衰变,Question 2,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 Bqg-1 即 s-1(gC)-1, 而地球上活体植物组织相
6、应的比活度则为756 Bqg-1，试计算该古墓建造的年代。,Solution,18.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy,18.2.1 核素的平均结合能 Average binding energy of nuclide,18.2.2 核裂变 Nuclear fission,18.2.3 核聚变 Nuclear fusion,18.2.1 核素的平均结合能,核子之间靠核力(nuclear force)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) 。,质量亏损 (mass defect)用m表示
7、,减少的能量即核的结合能(nuclear binding energy), 符号用EB,例如, 2H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(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1.112 8 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。,Question 3,Solution,m = 59.9529 + 1.00783 58.9332 2.0141
8、0 = 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-1,18.2.2 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,发生链反应,爆炸,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
9、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,全世界第一次知道了什么是原子弹！,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)。,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。,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。,安全方面的担心,核废料处理,核动力发电算得上一种清洁能源,18.2.3 核聚变,核聚变(nuclear f
10、usion) 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,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。,18.3.1 人工核反应 Artificial nuclear reaction,18.3.2 超铀元素的合成Syntheses of transuranium elements,18.3 人工核反应和超铀元素的合成 Artificial nuclear reaction andsyntheses of transuraniumelements,18.3.1 人工核反应,人工核反应是指原子核受中子、质子、粒子、重粒子(例如原子核 )等轰击而形
11、成新核的核嬗变过程(nuclear transmutation) 。,1919年卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应:,人工核反应的实现, 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 。,185Hf(1992)、208Hg(1992)、 237Th(1993)、239Pa(1995)、 175Er(1996)、235Am(1996)、 135Gd(1996)、121Ce(1997)、 186Hf(1998)、209Hg(1998)、 238Th(1999)、125Nd(1999)、 128Pm(1999)、129Sm(1999)、 139Dy(1999)、139Tb(1999)和 13
12、7Gd(1999)。,我国科学家合成的19种新核素：,90Ru(1991)和202Pt(1992) 分别由中国原子能科学研究院（北京）和上海原子核研究所合成。,18.3.2 超铀元素的合成,第一个“超铀元素”（transuranium elements)的合成,1940年,1970年,2. 第一个“超锕系元素”（transactinide elements)的合成,合成的困难： 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。,放射性的应用,射线疗法(radiation therapy)是指用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。,放射性示踪剂以某种化合物的形式给药.诊断是根据这些放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。,匈牙利化学家海维西（G Hevesy）首次将放射性示踪剂用于化学研究，获得了1943年诺贝尔化学奖。,亚硫酸盐与硫磺生成硫代硫酸盐. 产物S2O32-离子中的两个S原子是否处于同样的化学环境？,3 H2O (l) + 32SO2 (g) + 35S (s),结果: 掺入的那个S原子(35S)与 离子中的那个S原子(32S)处于不同的化学环境。,
