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1、上页上页下页下页目录目录返回返回 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.蘑菇云蘑菇云上页上页下页下页目录目录返回返回本章教学要求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；上页上页下页下页目录目录返回返回18.
2、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 decay18.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy18.3 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 elements上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.1 放射性衰变和放射系放射性衰变和放射系Radioactive decay and radioactivit
3、y Series 18.1.2 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 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity18.1.3 放射性碳放射性碳-14-14纪年纪年 Radiocarbon- 14 dating 18.1 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 decay上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.1 放射性衰变和放射系放射性衰变和放射系 放放射射性性衰衰变变(radioactive decay)是是一一种种过过程程
4、, 在在这这种种过过程程中中, 原原来来的的核核素素(母母体体)或或者者变变为为另另一一种种核核素素(子子体体), 或者进入另一种能量状态。或者进入另一种能量状态。上页上页下页下页目录目录返回返回 辐辐射射会会使使细细胞胞的的生生长长-调调节节机机制制受受到到伤伤害害，以以白白血血细细胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。上页上页下页下页目录目录返回返回衰变衰变衰变衰变衰变衰变 核核电电荷荷数数减减少少2意意味味着着子子核核在在元元素素周周期期表表中中的的位位置置左左移移2格格, 叫叫作作衰衰变变的位移定则。的位移定则。衰变的位移定则衰变的位移
5、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） + + （电子电子）上页上页下页下页目录目录返回返回 在在自自然然界界存存在在的的放放射射性性核核素素大大多多具具有有多多代代母母子子体体衰衰变变关关系系。母母体体放放射射性性核核素素经经多多代代子子体体放放射射性性核核素素最最后后衰衰变变生生成稳定核素。成稳定核素。 放射系放射系(radioactive series) 铀铀 系系钍钍 系系锕锕 系系上页上页下页下页目录目录返回返回18.1.2 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.
6、 1. 核化学方程式核化学方程式 书书写写核核化化学学方方程程式式的的规规则则：(a) 方方程程式式两两端端的的质质量量数之和相等；数之和相等；(b) 方程式两端的原子序数之和相等。方程式两端的原子序数之和相等。 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 放放射射性性核核素素的的衰衰变变速速率率用用半半衰衰期期(half-life) 表表示示, 符符号号为为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。上页上页下页下页目录目录返回返回Question 1Question 1Solut
7、ion配平下列方程式配平下列方程式: :(a) + + ? + + ?(b) + ?+ ?(c)(c) + ?+ ?依据配平规则可知依据配平规则可知：( (a) + +a) + +(b)(b) + +(c)(c) + +上页上页下页下页目录目录返回返回 放放射射性性核核素素的的半半衰衰期期短短至至10-6 s, 长长至至1015 a。 衰衰变变反反应应半半衰衰期期的的一一个个重重要要特特征征是是, 它它不不受受外外界界条条件件(温温度度、压压力力等等)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物种化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种，
8、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! ! 切切尔尔诺诺贝贝利利4 4号号反反应应堆堆爆爆炸炸灾灾难难后后的的几几年年内内，乌乌克克兰兰0 01414岁岁儿儿童童中中甲甲状状腺腺癌癌的发病人数。的发病人数。上页上页下页下页目录目录返回返回 3. 3. 放射性活度及其单位放射性活度及其单位 放放射射性性活活度度(activity)是是通通过过实实验验观观察察得得到到的的放放射射性物质的衰变速率。性物质的衰变速率。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
9、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 = 3.71010 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。上页上页下页下页目录目录返回返回检测放射性的方法检测放射性的方法盖盖革革计计数数器器(Geiger counter)是是根根据据受受辐辐射射气气体体发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 上页
10、上页下页下页目录目录返回返回18.1.3 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-14 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 +上页上页下页下页目录目录返回返回Question 2Question 2 埃埃及及一一法法老老古古墓墓发发掘掘出出来来的的木
11、木质质遗遗物物样样品品中中, 放放射射性性碳碳-14的的比比活活度度为为432 Bqg-1 即即 s-1(gC)-1, 而而地地球球上上活活体体植植物物组组织织相相应应的的比比活活度度则则为为756 Bqg-1，试试计计算算该该古古墓墓建建造造的年代。的年代。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/(
12、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26252625年建造的年建造的。 上页上页下页下页目录目录返回返回18.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 18.2.1 核素的平均结合能核素的平均结合能 Average binding energy of nuclide18.2.2 核裂变核裂变 Nuclear fission18.2.3 核聚变核聚变 Nuclear fusion上页上页下页下页目录目录返回返回18.2.1 核素的平均结合能核素的平均结合能 核核子子之之间间
13、靠靠核核力力(nuclear force)结结合合成成原原子子核核，核核力力是核子之间的短程强吸引力，作用范围为是核子之间的短程强吸引力，作用范围为2 fm (10-15 m) 。=0.002 389 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 减减少少的的能能量量即即核核的的结结合合能能(nuclear binding energy), 符符 号号 用用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上页上页下页下页目录目录返回返
14、回 平平均均结结合合能能(average binding energy) 指指核核子子结结合合为为原原子子核核时时每每个个核核子子平平均均释释放放的的能能量量(结结合合能能除除以以质质量量数数）。例如例如 2H 核的值为核的值为1.112 8 MeV。 由由于于重重核核裂裂变变为为较较轻轻核核和和轻轻核核聚聚变变为为较较重重核核的的过过程程都都是是放放能能反反应应, 这这种种趋趋势势就就奠奠定定了了核核能能利利用用的基础的基础。 上页上页下页下页目录目录返回返回Question 3Question 3Solutionm = 59.9529 + 1.00783 58.9332 2.01410 =
15、 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， =2.01410， =59.9529， =1.00783。上页上页下页下页目录目录返回返回18.2.2 核裂变核裂变 核核裂裂变变(nuclear fission)是是大大核核分分裂裂为为小小核核的的过过程程. 普普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。通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
16、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 3上页上页下页下页目录目录返回返回 足以维持链反应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，质量质量超过超过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。上页上页下页下页目录目录返回返回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
17、什么是原子弹！全世界第一次知道了什么是原子弹！上页上页下页下页目录目录返回返回 2. 核反应堆核反应堆 通通过过受受控控核核裂裂变变反反应应获获得得核核能能的的装装置置，可可使使裂裂变变产产生生的的中中子子数数等等于于各各种种过过程程消消耗耗的的中中子子数数, 以以形形成成所所谓谓的的自自持持链反应链反应(self-sustaining chain reaction)。 上页上页下页下页目录目录返回返回 前前苏苏联联于于1954建建成成世世界界上上第第一一座座核核电电站站；至至今今已已有有30多多个个 国国 家家 和和地地 区区 的的400多多座座核核电电站站处处在在运运行行之之中中。 右右图
18、图列列出出1995年年一一些些国国家家核核电电占占各各自自总总电电力的百分率。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。利用转向和平用途。上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回18.2.3 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 氢氢弹弹就就是是利利用用装装在在其其内内部部的的一一个个小小型型铀铀原原子子弹弹爆炸产生的高温引爆的。爆炸产
19、生的高温引爆的。 40 000 000 上页上页下页下页目录目录返回返回18.3.1 人工核反应人工核反应 Artificial nuclear reaction 18.3.2 超铀元素的合成超铀元素的合成 Syntheses of transuranium elements18.3 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 elements上页上页下页下页目录目录返回返回18.3.1 人工核反应人工核反应 人人工工核核反反应应是是指指原原子子核核受受中中子子、质质子
20、子、粒粒子子、重重粒粒子子(例例如如原原子子核核 )等等轰轰击击而而形形成成新新核核的的核核嬗嬗变变过过程程(nuclear transmutation) 。通式为通式为:式中式中X为靶核，为靶核，a为入射粒子，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。1919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: : 上页上页下页下页目录目录返回返回185Hf(1992)、208Hg(1992)、237Th(1993)、239Pa(1995)、175Er(1996)、235Am(1996)、135Gd(1996)、121C
21、e(1997)、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。上页上页下页下页目录目录返回返回18.3.2 超铀元素的合成超铀元素的合成上页上页下页下页目录目录返回返回1.第一个第一个“超铀元素超铀元素”
22、（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 + + + + +4上页上页下页下页目录目录返回返回射线疗法射线疗法 射射线线疗疗法法(radiation therapy)是是指指用用高高能能射射线线治治疗疗疾疾病病的的方方法法，它它是人类战胜癌症的一种重要武器。是人类战胜癌症的一种重要武器。32P60Co90Sr125I131I14.3 d5.26 a28.8 a60.25 d8.06 d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30 a74.2
23、d2.7 d3.82 d1 622 a辐射源辐射源半衰期半衰期 辐射源辐射源 半衰半衰期期上页上页下页下页目录目录返回返回 放射性示踪剂以某种化合物的形式给药放射性示踪剂以某种化合物的形式给药. .诊断是根据这些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。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。 131I59Fe32P99Tc23Na 8.1 d45.1 d14.3 d6.0 h14.8 h 甲状腺甲状腺红血细胞红血细胞眼眼, 肝肝, 瘤瘤心心脏脏, 骨骨,肝肝,肺肺循环系统循环系统辐射源辐射源半衰期半衰期检查部位检查部位上页上页下页下页目录目录返回返回放射性示踪剂用于研究化学放射性示踪剂用于研究化学反应机理和化合物的结构反应机理和化合物的结构 匈牙利化学家海维西（匈牙利化学家海维西（G Hevesy）首次将放射性示踪首次将放射性示踪剂用于化学研究，获得了剂用于化学研究，获得了1943年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 3 H2O (l) + 32SO2 (g) + 35S (s)结结果果: 掺掺入入的的那那个个S原原子子(35S)与与 离离子子中中的的那那个个S原原子子(32S)处处于于不同的化学环境。不同的化学环境。 35S (s) + 32 (aq) 35S32 (aq) + 2 H3O+ (aq)
