第30章核化学.ppt

Chapter24nuclearchemistry preface 元素及化合物化学chemistryofelementsandcompounds 由于核外电子状态的改变而引起的物质化学性质及物理性质的改变 与原子核atomicnucleus无关 核化学nuclearchemistry 研究原子核的组成 性质 反应 分离以及产物鉴定和合成制备的一门化学chemistryofresearchcomposition property reaction separationofatomicnucleusandappraisalandsynthesizeoftheproducts Character 元素质的变化 反应的能量大 1克235U 2 4吨煤1克Ra 50万倍RaCl2的 H 性质与状态无关 同位素性质差异大H和T Section1nuclearreaction basicconcept 放射性和放射性同位素radioactivityandradioisotope Radioactivity 从原子核内部自发地放射出射线的性质 如23892U23490Th 42He 粒子 1986年贝克勒尔发现该反应 这个过程 自发地发生核结构的改变 称为核衰变or放射性衰变 radioisotope 具有放射性的同位素 二 核反应的书写 注意两边质量数和原子序数的配平 三 artificialradioactivityandartificialisotope1919年 卢瑟福进行的第一个核反应 人工核反应 147N 靶核 42He 炮弹 178O 11H 11P质子 简写形式147N a p 178O94Be a n 126C 1932年查德威克94Be 42He126C 10n中子 发现中子 质子 中子核子 共同组成了原子核1934年居里夫妇发现了一个意义非常重大的反应2713Al 42He3015P 10n2713Al a n 3015P3015P3014Si 0 1e 正电子 3015P称为人造同位素artificialisotope 它所具有的放射性则称为人工放射性artificialradioactivity 上述反应使现代核化学获得迅速发展 新的核反应和放射性同位素不断发现 现已知的1000多种放射性同位素中绝大多数是人工产生的 proton neutron核力atomicnucleus那么原子核中的中子数和质子数是否可以任意比例呢 研究表明稳定的核内中子数和质子数之间有一定的比例 N P比例不当 不稳定的核 放射性1 开始N P 1时 核最稳定 当原子序数增大 质子间的吃斥力增大 必须引入较多的中子 故N P 稳定带 2 最重的稳定核内N P值约等于1 6 大于1 6时原子核就要发生自发裂变 放射性 Section2naturalradioactivity 2 1nuclearstability 3 Z 84 原子核是不稳定的 有放射性 见周期表 84Po 85At 86Rn 87Fr 88Ra 89 103锕系 4 具有2 8 20 28 50 82 126个质子or中子的核通常比相邻的核要稳定些 上述这些数字称核幻数nuclearimaginarynumber 5 原子核具有的质子数和中子数均为偶数时 稳定性较高 P926表 数目 半衰期 若质子数和中子数同时为双幻想数 则稳定性更高 如208Pbp 82n 126 2 2typeofnucleardecay changeofnuclearstructure 一 衰变decay 放出a射线ray 高速的氦原子核流22286Rn21884Po 42He 二 衰变decay 放出 射线ray 高速运动的电子流其本质是核内的中子转化为质子10n11P 0 1e 例如 146C 133 1 147N 1 1 0 1e 中子较多 14156Ba 14157La 14158Ce 14159Pr 中子过多 1 52 11 47 11 43 11 39 1质量数不变 质子加1三 衰变decay 放出 射线ray 高能量 短波长 的光子流 辐射是已知辐射中波长最短 穿透力最强的电磁辐射 它的发射不引起元素的改变 但表示损失能量 通常不写在核反应中 四 衰变decay 正电子衰变 放出 射线ray 高速运动的正电子流 e 本质是核内质子转化为中子 11P10n 0 1e 00 质子过多 如 1910Ne199F 0 1e 00 质量数不变 质子数减1116C115B 0 1e 00 五 电子俘获electroniccapture参见教材本质上从K层俘获一个电子使质子成为中子11P 0 1e10n电子少一个4019K 0 1e4018Ar质子少一个1 105 11 22 1中子多一个 2 3半衰期halfperiod 任何放射性原子核不会一下子全部衰变掉 而是呈现一定的规律 一 衰变定律和半衰期decaylawandhalfperiod 岩石 古物的鉴定 某样品有No个原子经时间t后 由于衰变只剩下N个 那么N与N0之间存在如下关系 衰变定律decaylaw N N0e t 0 693 T1 2衰变常数 其中T1 2表示核元素衰变掉一半时所需的时间 半衰期halfperiod 它是个特性常数 变核换得 t 3 32T1 2lg N0 N 应用例P950 上一页 下一页 回首页 二 位移规律 前面所介绍的几种放射类型中 除放射 射线以外 其余几种都会引起元素在周期表中位置的移动 位移规律 现归纳如下 放射衰变类型质子数变化质量数变化位移规律 2 4左移二格 1不变右移一格 不变不变不移动正电子 1不变左移一格电子俘获 1不变左移一格 上一页 下一页 回首页 科学家们研究表明 所有地球上现有的天然放射性重元素 Z 83 都是不稳定的 有些放射性核素是某些半衰期相当长的放射性核素相继经过 衰变期后的产物 在自然界有三个互不相关的放射系 每个系各有一个半衰期极长的始祖元素 后随着人工铀的合成 又发现一个镎系 共有钍 镎 铀 锕四个放射系 在四个放射系中 Np U Ac是相应放射系的主要成员 并具有最长的半衰期 故分别称之为钍 镎 铀 锕系 三 放射性衰变系列 放射系decayseries 上一页 下一页 回首页 各放射系内各核的质量数与4有如下关系钍 4n 放射系镎 4n 1 放射系铀 4n 2 放射系锕 4n 3 放射系 衰变所产生的放射性元素渐渐稳定 稳定同位素 三个天然放射系 82Pb 人工镎 Bi 都是经过 和 衰变 上一页 下一页 回首页 Section3artificialnuclearreaction 3 1人工核反应artificialnuclearreaction 一 人工核反应artificialnuclearreaction 人工核反应是指中子或其它原子核轰击靶核时发生核反应而产生新原子核 这种原子核由外因而引起核结构的变化 人工核反应 1919年147N 靶核 42He 炮弹 178O 11H 11P质子 二 轰击粒子流 炮弹 通常用 11P 10n 21H 氘核D 42He和B C W O等小核 上一页 下一页 回首页 如22688Ra22286Rn 42He 94Be 42He126C 10n 三 回旋加速器cyclotron 粒子运动能量 天然为4 8百万ev Mev 而经加速器加速后 可达24兆ev 240亿ev 42He克服静电斥力147N 均带正电荷 因此需给轰击粒子以很高的动能方法 使轰击粒子通过回旋加速器进行加速 四 加速器的轰击反应类型 上一页 下一页 回首页 1 a n反应 a为轰击粒子 炮弹 n为产物粒子 73Li 42He105B 10n缩写为73Li a n 105B 2 a p反应 2412Mg 42He2713Al 11H2412Mg a P 2713Al 3 p a反应 105B 11P74Be 42He105B P a 74Be 4 p n反应 136C 11H137N 10n136C P n 137N 此外还有a D P P D D P D a D n 上一页 下一页 回首页 5 n 反应 11H 10n21H 11H n 21H 此外还有n a n P的反应 五 人工核反应的应用 93号以后元素的制备 接受中子 变为质子 3 2combinationenergeofatomicnucleuses 质量quality物质substanceE mc2爱因斯坦质能公式能量energe由相对论导出 上一页 下一页 回首页 质量1Kg的任何物质都具有9 1813KJ的能量在一般化学反应中 伴随能量变化的质量变化 亏损 太小 用现代测试手段测不出来 那么在核反应中又如何呢 例21H D 11H P 10n 实测21H的摩尔质量 2 01355KJ mol 1 实测中子加质子 2 01595KJ mol 1 质量变化 m 2 01595 2 01355 KJ mol 1 0 00240KJ mol 1静止质量减小 质量亏换 上一页 下一页 回首页 任何两个有相互吸收力的东西靠近的时候就要放出能量 若干个核子结合成原子核时 也要放出能量 这个能量叫核的生成能 负值 由于核力很强 所以核的生成能很大 核子结合成原子核时总的能量减少了 反过来说 原子核分解为其组成的质子和中子则需要能量 正值 这个能量也称之为核的结合能 因此 D的结合能为216KJ mol 1 而每一个原子核的结合能则为 216GJ 6 022 1023 0 358 10 12J 而分子的键能约为200 40KJ mol 1 而核的结合能为216 106KJ mol 1 即原子核中使核子结合在起的能量要比分子中使原子结合在一起的能量大大一百万倍 因为在不同的核中核子数是不同的 为了便于比较 通常使用 核子平均结合能 原子核的结合能 核子数 上一页 下一页 回首页 例根据表24 3的数据可求Fe的核子中均结合能 5626Fe2611P 3010n 核子的平均结合能 4750GJ mol 1 56 6 022 1023 1 41 10 12J 根据核的结合能或核生成能 可以判断核的稳定性 m 56 44938 55 92066 0 52872g mol 1 E 4750GJ mol 1 mc2 核的结合能 H 4750GJ mol 1 核生成能 最稳定的核是质量数靠近60的核 5626Fe 重核不稳定裂变二个差不多大小的裂块的中等核 放热 轻核不稳定聚变一个重核 放热更多 上一页 下一页 回首页 3 3releasingofnuclearenerge nuclearenerge 核结构变化时所放出的能量 原子能 包括重核裂变和轻核聚变 1Kg235U 2500吨左右优质煤 核聚变放出的能量比同质量核裂变大几倍 一 核裂变 参见图24 3 nuclearfission 14356Ba 9036Kr 310n10n 23592U13752Fe 9740Zr 210n13954Xe 9538Sr 210n13553I 9538Y 410n 继续诱发铀的裂变 链式裂变反应 上一页 下一页 回首页 U23892U 99 28 23592U 0 714 23492U 0 006 分离UF6扩散 23892U所需中子 1 1MeV吃掉大量中子23592U所需中子 1 1MeV 中子能量为几十eV 对中子的吸收238U 235U中子能量为1 40ev 对中子的吸收238U 235U 1 190 综合上述两上条件 可使235U裂变所产生的中子仍被235U所吸收 故也需要减速剂 临界体积 质量 除23592U之外 还能引发23892U和23993Pu裂变 上一页 下一页 回首页 23892U 10n23992U 00 23992U23993Np 0 1e23993Np23994Pa 0 1e 二 核聚变 参见P938 nuclearfusion 轻核 如4个氢核 氦核放出26Mev能量 1 质子 质子循环 11H 11H21H 0 1e 00 21H 11H32He 00 32He 32He42He 211H 上一页 下一页 回首页 2 碳 氮循环 氢弹利用UorPu在裂变时发生的爆炸所造成的极高温度 4千万度 从而使内部的轻原子核发生剧烈而不可控制的聚变反应 热核反应控制发电 放出更多的能量 无临界体积 氢弹爆炸的威力比原子弹