中级无机化学13.ppt

第12章放射性和核化学 12 1放射性衰变过程 自发核反应12 2放射性衰变动力学12 3核的稳定性和放射性衰变类型的预测12 4质量亏损和核结合能12 5核裂变与核聚变12 6超重元素的合成 第12章放射性和核化学 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 第三 化学反应中各同位素的反应是相似的 而核反应中各同位素的反应不同 第四 化学反应与化学键有关 核反应与化学键无关 第五 化学反应吸收和放出的能量大约为10 103kJ mol 1 而核反应的能量变化在108 109kJ mol 1 最后 在化学反应中 反应前后物质的总质量不变 但在核反应中会发生质量亏损 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 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 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 物质是无限可分的 基本粒子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 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0 1e 三个粒子的自旋均为1 2 时 为了平衡自旋需要生成一个中微子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200mm厚的铁或88mm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 例如 对Th系 假定放射了a个 粒子和b个 粒子 则质量变化数为232 208 4a a 6 核电荷变化为90 82 2a b b 4 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A R dN dt N或A R dN 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dN N dt1nN t C其中C为积分常数 当t 0 C lnN0 式中N0为N的初始值 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n p 或n p 1 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 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2 10 16s 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 E mc2 一定的质量必定与确定的能量相当 如与1g的质量所相当的能量为 E mc2 10 3kg 2 9979 108m s 1 2 8 982 1013m2 kg s 2 8 982 1010kJ约为2700t标准煤燃烧所放出的热量 与lamu 原子质量单位 1 6605655 10 27kg 的质量相当的能量为 E 1 6605655 10 27 2 9979 108 2 1 4924214 10 13kJ由于1MeV 1 6021892 10 16kJ 所以 与lamu的质量相当的能量为 E 1 4924214 10 13 1 6021892 10 16 931 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 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 007277amu 一个中子的质量1 008665amu 一个电子的质量0 00054859amu 铍的相对原子质量为9 0121858amu 所以 质量亏损 m 4 1 007277 5 1 008665 9 0121858 4 0 000545859 0 06244 amu 根据质能相当定律可以算出由自由核子结合成94Be核时放出的能量 称作核的结合能 B B 0 06244 931 58 1 MeV 12 5核裂变与核聚变 12 5 1核裂变 235U核在裂变时 可能放出2 4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10 6s中有大约85个裂变 以致15kg235U在差不多不需什么时间产生的裂变就能放出1012kJ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K 1 001 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裂变的几率比快中子大 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 12 6 1关于元素稳定性的讨论前面曾经提到 用加速的多电荷 重 离子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 超重元素一般是指原子序数为110 126的元素 也有人认为是指原子序从108 128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 1 0 5秒 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 12 6超重元素的合成 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 以致需要更多的中子以降低质子间的斥力 但同时 N P比增加 核的质量数增加 结果是核变得太大而不稳定 可发生自发的裂变 第二方面 人工核反应随着质量数的增加而变得更加困难 此时 若使用的轰击粒子 核弹 太轻 则会被强大的靶核电荷排斥而达不到复合的目的 如果核弹的能量太大 结合的核太 热 也会导致复合核的裂变 而且 即使达到上述要求 由于核反应中由非平衡状态自发地趋于平衡状态的 弛豫现象 使得有效轰击率大大降低 据报道 在合成109号元素Mt的实验中 核弹粒子58Fe和靶核粒子209Bi在1014次接触中 只有一次成功 对靶核轰击了一周之久 才鉴定到一个109号元素Mt的原子核 最后 由于原子核越重越不稳定 半衰期也越来越短 这样 必然给测试工作带来极大的困难 因为要完成必要的鉴定工作是需要时间的 如果新核的半衰期太短 如107Bh为 1 2 10 3s 108Hs也只2 10 3s 要在短时间内完成化学实验工作是非常困难的 而如果对一个新元素缺乏应有的化学鉴定 那就难于准确地评价该元素的性质和地位 目前 尽管在合成超重元素方面存在上述种种困难 但科学家们仍然在为实现此目标而顽强地努力着 事实上 目前世界上很多地方都在改建或新建更强大的加速器 以提高加速粒子能量 在测试方面也发展了许多快速 有效的鉴测方法以适应短寿命元素的化学鉴定工作 可以深信 随着科学技术的飞速发展 人类合成超重元素的日子不会太远了 12 6 2超重元素的合成 12 6 3周期系的远景 由于对超重元素的工作必然会涉及到 稳定岛 元素在周期表中的位置及其化学性质的预测工作