学科竞赛高中化学竞赛基础知识之核化学课件

核化学简介 第12 章 上页上页下页下页目录目录返回返回 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 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-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； 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.1 放射性核素和放射性衰变 Radioactive nuclide and radioactive decay 12.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 12.3 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 12.1.1 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 活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity 12.1.3 放射性碳-14纪年 Radiocarbon- 14 dating 12.1 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 12.1.1 放射性衰变和放射系 放射性衰变 (radioactive 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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 衰变 衰变 衰变 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 + （高能电子波） + + （电子） 上页上页下页下页目录目录返回返回 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) 铀 系 钍 系 锕 系 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.1.2 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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 Question 1 Solution 配平下列方程式: (a) + + ? (b) + ? (c) + ? 依据配平规则可知： (a) + + (b) + (c) + 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.1.2 核化学方程、半衰期和放射性 活度 2. 半衰期 1个半衰期 2个半衰期 3个半衰期 4个半衰期 放射性核素的衰变速率用半 衰期(half-life) 表示, 符号为t12。 例如, 锶-90的衰变反应 的半衰期为29 a。 上页上页下页下页目录目录返回返回 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! 上页上页下页下页目录目录返回返回 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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 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。 每个被放大了的电脉冲 即代表一次放射性记数 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.1.3 放射性碳-14纪年 方 法： 放射性碳-14测定年代法(radiocarbon-14 dating) 依 据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关 利 比 ： 获得1960年诺贝尔化学奖 假 定 ： 大气中碳-14与碳-12的比值是恒定的 碳-14以5730 a 的 半衰期发生衰变 + 上页上页下页下页目录目录返回返回 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应的比 活度则为756 Bqg-1，试计算该古墓建造的 年代。 Solution 衰变反应是: 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： 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2619年建造的。 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.2 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 Average binding energy of nuclide 12.2.2 核裂变 Nuclear fission 12.2.3 核聚变 Nuclear fusion 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.2.1 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) 。 = 0.002 389 3u 减少的质量 质量亏损 (mass defect) 用m表示 E = mc2 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 上页上页下页下页目录目录返回返回 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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 Question 3 Solution m = 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 + + 的吸收发射能。 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 12.2.2 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 35 种 元 素的 200 多种 位素 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 疮 满 目 痍 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 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)。 上页上页下页下页目录目录返回返回 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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 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 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.2.3 核聚变 核聚变(nuclear fusion) 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。 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 Artificial nuclear reaction 18.3.2 超铀元素的合成 Syntheses of transuranium elements 12.3 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 12.3.1 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 )等轰击而形成新核的核嬗变过程 (nuclear transmutation) 。 通式为: 式中X为靶核，a为入射粒子，Y为产物核，b为出射粒子， 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: 上页上页下页下页目录目录返回返回 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 137Gd(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。 上页上页下页下页目录目录返回返回 12.3.2 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“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。 + + + + +4 上页上页下页下页目录目录返回返回 放射性的应用 射线疗法 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。 32P 60Co 90Sr 125I 131I 14.3 d 5.26 a 28.8 a 60.25 d 8.06 d 137Cs 192Ir 198Au 222Ra 226Rn 30 a 74.2 d 2.7 d 3.82 d 1 622 a 辐射源 半衰期 辐射源 半衰期 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.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。 131I 59Fe 32P 99Tc 23Na 8.1 d 45.1 d 14.3 d 6.0 h 14.8 h 甲状腺 红血细胞 眼, 肝, 瘤 心脏, 骨,肝,肺 循环系统