m放射性和核反应知识分享

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1、第十二章 放 射 性 和 核 反 应,放射性衰变过程自发核反应 放射性衰变动力学 核的稳定性和放射性衰变类型的预测 质量亏损和核结合能 核裂变与核聚变 超重元素的合成,习题: 4, 5, 7, 10, 13, 15, 18, 20(1)、(3)、(5)、(7、)(9)、(11)、(13),要点,原子核通过自发衰变或人工轰击而进行的核反应与化学反应有根本的不同： 第一，化学反应涉及核外电子的变化，但核反应的结果是原子核发生了变化。 第二，化学反应不产生新的元素，但在核反应中，一种元素嬗变为另一种元素。,12.1 放射性衰变过程自发核反应,12.1.1 基本粒子简介,基本粒子是泛指比原子核小的物质

2、单元，包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中所发现的一系列粒子。 已经发现的基本粒子有30余种，连同它们的共振态(基本粒子相互碰撞时，会在短时间内形成由二个、三个粒子结合在一起的粒子)共有300余种。 许多基本粒子都有对应的反粒子。,每一种基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋和平均寿命，它们多数是不稳定的，在经历一定的平均寿命后转化为别种基本粒子。 一些重要的基本粒子的性质已经确定并列成了表，认识这些基本粒子的特性对了解放射性衰变具有重要意义。,根据基本粒子的静止质量大小及其他性质差异可将基本粒子分为四类：光子、轻子、介子和重子(包括核子，超子)。,物质是无限可分的，基本粒子

3、的概念将随着人们对物质结构认识的进展而不断发展。 事实上，“基本粒子”也有其内部结构，因而不能认为“基本粒子”就是物质最后的最简单且基本的组成单元，而且，也并非所有的基本粒子都存在于原子核中，一些基本粒子，如正电子、介子、中微子等都是核子(质子和中子的总称)核子以及质能相互作用的副产物。,一些重要的基本粒子的特征,正电子在独立存在时是稳定的，但与电子相遇时就一起转化为一对光子。 反质子P与质子具有相同的特征，只是电荷相反，在自然界反质子不能稳定存在，因为它能同物质相互作用而迅速毁灭。 如果由一个中子10n变为一个质子11P和一个电子 01e(三个粒子的自旋均为1/2)时, 为了平衡自旋需要生成

4、一个中微子00。中微子静止质量为0, 电中性, 自旋1/2，以光速运动, 几乎不被物质所吸收, 穿透力极强。 可以将中子看成是被等量的负电荷所围绕的质子，作为一个整体，中子是电中性的。,12.1.2 放射性射线,天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线：,(3) 射线 射线是原子核由激发态回到低能态时发射出的一种射线，它是一种波长极短的电磁波(高能光子)，不为电场、磁场所偏转，显示电中性，比X 射线的穿透力还强，因而有硬射线之称，可透过200 mm厚的铁或88 mm厚的铅板，没有质量，其光谱类似于元素的原子光谱。 发射出 射线后，原子核的质量数和电荷数保持不变，只是能量发生了变化。,12.1.3

5、 放射性衰变系,系列的衰变步骤可根据系列的始末成员的质量和核电荷及、射线的知识所获得。 如对Th系，假定放射了a个粒子和b个粒子，则 质量变化数为 2322084a，a6； 核电荷变化为 90822ab，b4。 即23290Th经过6次衰变和4次衰变(共10步衰变)变为20882Pb。,12.2 放射性衰变动力学,12.2.1 衰变速率和半衰期,1 放射性衰变定律 放射性衰变速率R(或放射性物质的放射活性A)正比于放射核的数量N。由于R或A都是放射性核随时间t的变化速率，所以 ARdN/dtN 或 ARdN/dt N 式中为衰变常数，与核的本性有关，负号表明N随时间的增加而减少，整理方程有 d

6、N/N dt 1nN tC 其中C为积分常数, 当t0, ClnN0, 式中N0为N的初始值。,3 平均寿命 平均寿命是样品中放射性原子的平均寿命： 知道了t1/2即不难计算出t平均。,活着的动、植物从大气中吸收CO2，动物和人体食取植物，因而都有同样的14C:12C比值。 当动、植物死亡后, 吸入146C活动停止, 而146C的衰变却不间断地进行, 故146C:126C比值下降。设法测得此比值并与活体中的比值1012比较，即可算出动、植物死亡的时间。,12.2.2 反应级数,12.3 核的稳定性和放射性衰变类型的预测,12.3.1 中子和质子的稳定比例,前述或辐射以及K电子俘获都是核内质子与

7、中子的转化过程，但究竟取何种方式显然取决于核内中子与质子的相对比例n/p。 对于原子序数较小(z小于20)的元素，最稳定的核是核中np，或n/p1。 质子数增加, 质子质子排斥增大, 以致需要更多的中子以降低质子间的斥力, 从而形式稳定的核。因而n/p可以逐渐增大到约1.6, 超过这个比值, 可发生自发裂变。,12.3.2 核子的奇偶性,对天然存在的稳定核素进行统计发现，原子序数为偶数的元素的稳定同位素的数目远远大于原子序数为奇数的元素的稳定同位素的数目。具有奇原子序数的元素的稳定同位素的数目总不会超过两个，但偶数原子序数元素的稳定同位素却有很多。,在天然存在的核素中，具有质子、中子为偶偶组成

8、的核素的数目大于具有偶奇、奇偶、奇奇组成核素三者的总和，具有奇奇组成的稳定核素极少见(上表)。 多数元素的质子数和中子数都为偶数这一事实是核中 核子成对的一个证据，就像核外的电子成对一样，核 内的质子和中子也是成对的。,12.3.3 幻数理论,稳定的天然同位素的核子常出现一些神奇数字(称为幻数)。 对质子，幻数为2，8，20，28，50和82； 对中子，幻数为2，8，20，28，50，82和126。 具有幻数个质子或中子的原子核，通常要比在周期表中与之相邻的原子更稳定一些。 电子也有幻数，分别为2，10，18，36，54和86，恰好是稀有气体的原子序数。 核中神奇数字的出现表明核有能级。,尽管

9、从N/P比，偶奇类型核和神奇数字常能正确地预测出放射性，但有时也有偏差。 例如，对于核素84Be和147N，84Be的中子/质子比为1:1，是偶偶核，但84Be却是放射性的，衰变的半衰期为21016 s。 相反，147N的N/P比为1:1，是一个奇奇核，但147N却不具有放射性(大多数奇奇核都有放射性)。 这些都表明，有时必须计算伴随核反应的能量变化，才能正确地预测一个核会发生怎样的衰变。,12.4 质量亏损和核结合能,按照Einstein的质能相当定律，EmC2，一定的质量必定与确定的能量相当。 如与1 g的质量所相当的能量为： EmC2103 kg(2.997 9108 ms1)2 8.9

10、821013 m2kgs2 8.9821010 kJ 约为2 700 t 标准煤燃烧所放出的热量。,与l amu(原子质量单位，1.660 541027 kg)的质量相当的能量为： E1.660 541027(2.997 9108)2 1.492 391013 kJ 由于1 MeV1.602 181016 kJ，所以，与 l amu的质量相当的能量为： E1. 492 391013/1.602 181016 931.5 (MeV),质能相当定律说明，质量是能量的另一种形式。 静止的粒子所具有的能量与它的静止质量成正比； 运动着的粒子比静止时质量大，因为它具有静止质量和由于它的动能所增加的质量。

11、 一个稳定的核所具有的能量必定小于它的组元粒子的能量之和，否则它就不能生成。 对应地，一个稳定核的质量必定小于组成它的各组元粒子的质量，其间的差额叫做质量亏损。,质量亏损是可以计算的。以94Be核为例，铍核含4个质子和5个中子，已知一个质子的质量等于1.007 28 amu，一个中子的质量1.008 67 amu，一个电子的质量0.000 548 58 amu，铍的相对原子质量为9.012 19 amu，所以，质量亏损： m(41.007 2851.008 67) (9.012 1940.000 548 58) 0.062 76 (amu) 根据质能相当定律可以算出由自由核子结合成94Be核时

12、放出的能量称作核的结合能(B)。 B0.062 76931.5 58.5 (MeV),12.5 核裂变与核聚变,12.5.1 核裂变,原子核发生自发分裂或在受到其他粒子轰击时分裂为两个质量相近的核裂块(也有分裂为更多裂块的情形，但概率很小)，同时还可能放出中子的过程叫核裂变。 原子核裂变时，释发出巨大的能量。这是因为，重核的平均结合能较小，不稳定，在分裂为平均结合能大的较轻的核素时，有部分结合能释放之故。,235U核在裂变时，可能放出24个次级中子，假定其中有两个能繁殖进一步的裂变反应，即一分为二，二分为四，则在n次之后，将获得2n个中子。 计算表明，在106 s中有大约85个裂变，以致15

13、kg 235U在差不多不需什么时间产生的裂变就能放出1012 kJ能量，这样将引起猛烈的爆炸。 总之，只要倍增系数K(N/N0，N0为前一代的中子数，N为后一代的中子数)大于1，哪怕K1.001，最后必然引起核爆炸。除235U之外，233U和239Pu也具有相同的性质。 第二次世界大战美国投在日本广岛、长崎的原子弹, 其中一颗是铀弹，另一颗则是钚弹。,慢中子引起235U裂变的概率比快中子大，而235U裂变产生的次级中子为快中子。 为了进行可控制的慢中子链式裂变反应，设计了称作核反应堆的装置。堆中置入核燃料235U，开始裂变产生的快中子在与减速剂重水或石墨多次碰撞中速率被减慢成慢中子，并在铀燃料

14、中插入可移动的能吸收多余中子的Cd(或Gd、B等)控制棒，使培增系数恰好等于1。这样就可以让链式裂变缓慢进行并放出大量的热能。,核反应的热能如果用热交换器产生高压水蒸气，推动汽轮机带动发电机用以发电，这样得到的电通常称作核电。核电的成本低，核燃料容易运输和储备，比燃煤干净。 利用核反应堆可以制取放射性同位素或其他核燃料, 如用中子轰击5927Co、23892U和23290Th分别得到6027Co、23992U和23390Th。前者用于癌症化疗，而23992U和23390Th分别经过两次衰变变成新的核燃料23994Pu和23392U。,12.5.2 核聚变,前面曾经提到，用加速的多电荷“重”离子

15、作轰击粒子的核反应可以合成出原子序数从99到109的超铀元素。若能将这种核反应引伸到原子序数更高的起始物质，也许可以合成出原子序数更大的超重元素。,12.6 超重元素的合成,12.6.1 关于元素稳定性的讨论,超重元素一般是指原子序数为110126的元素(也有人认为是指原子序从108128的元素), 随着原子序数的增加, 这些人工合成元素的寿命越来越短(如104号元素只能存在0.10.5 s)，且合成出来的原子的数目也越来越少，因而使人们对新元素的发现产生一些错觉，认为重元素的发现是不大可能的。,科学工作者对元素能否稳定存在作了一些探讨：,(1) 关于元素稳定性的经验规则 经验发现，具有2、8

16、、28、50、82、126(这些数字被称为幻数)个质子或中子的原子核，通常要比在周期表中与之相邻的原 子更稳定一些。 经验规则之一就是具有幻核子数的核有突出的稳定性。 经验规则之二，具有质子数和中子数均为偶数的原子核， 比通常具有奇 数的质子或中子的核更为稳定。,(2) 稳定岛的假说,有人预测Z114的元素的半衰期可达到1016年。这种半衰期较长的元素似乎应在自然界中存在，目前科学工作者正在广泛地寻找这个元素，但尚未发现。,但是，合成超重元素的艰巨性体现在超重元素原子核的不稳定性，合成的困难性和测试技术的局限性三个方面。 一方面，原子核的稳定性受两个因素的制约： 原子核的质量数； N/P比。 随着原子序数的增加，核电荷不断增加，以致需要更