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第 18 章 核化学简介 第 18 章 核化学简介 一 要点 1 核化学 nuclear Chemistry 研究原子核 稳定性的和放射性的 的反应 性质 结构 分离 鉴定及其在化学中 的应用的一门学科 2 核子 nucleon 指组成原子核的基本粒子 如质子和中子都是核子 3 核素 nuclide 具有确定电荷数 质子数 即原子序数 Z 和中子数 N 的原子核所对应的原子 例如天 然存在的铀元素由三种核素组成 它们的 Z 都是 92 而中子数 N 分别为 234 235 和 238 它们互称同位素 化学性质相同而核性质不同 4 放射性 radioactivity 不稳定原子核自发发射出 和 射线的现象 可分为 天然放射性 和 人工放射 性 放射性在工业 农业和医疗方面的应用具有极重要的价值和广阔的前途 5 放射性衰变 radioactive decay 指由原来的核素 母体 或者变为另一种核素 子体 或者进入另一种能量状态的过 程 根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方式分为 衰变 衰变和 衰变三大 类 6 放射系 radioactive series 自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变过程 它们经过多代子体放射性核 素最后衰变生成稳定核素 这一过程中发生的一系列核反应被称之为放射系 自然界 存在铀系 钍系和锕系三大天然放射系 7 衰变的位移定则 衰变中 子核在元素周期表中的位置左移 2 格的反应 例如 226 88Ra 222 86Rn 4 2 4 2He 8 衰变的位移定 衰变中 子核在元素周期表中的位置右移 1 格的反应 例如 1 0n 1 1p 0 1e 9 核化学方程式 用于表示核变化过程的方程式 只是不用表明核素的状态 书写时要特别遵守两条规 则 方程式两端的质量数之和相等 方程式两端的原子序数之和相等 10 放射性活度 activity 通过实验观察得到的放射性物质的衰变速率 11 比活度 specific activity 指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之比 单位为 Bq g 1或 mCi g 1等 12 放射性碳 14 测定年代法 radiocarbon 14 dating 自然界中的碳 其放射性同位素碳 14 在有机物所含碳素中占一定比例 但死亡后 不但不能再从外界摄取含碳化合物 而且大约每隔 5730 40 年减少为原有量的 一半 因此 根据古代遗留下来的有机物中碳 14 放射性的减少程度 便可测知其死 亡的年代 现有技术仅能测定 5 万年以内的年代 13 核力 nuclear force 粒子之间特有的相互作用力 强度大 力程短 作用范围在 2 fm 通常认为核力是由 于核子间交换 电子而产生的 14 质量亏损 mass defect 原子核的质量小于它所含有的各核子独立存在时的总质量 这两者的差额成为质量 亏损 用 m表示 说明当核子集合成原子核时要放出结合能 它的数值愈大 原 子核就愈稳定 15 核的结合能 nuclear binding energy 由核子结合成原子核时质量减少了 m 根据爱因斯坦的质能关系式 E mc2 其能量应该相应地减少 减少的能量即核的结合能 符号用 EB 例如 2H 核的结合能 为 EB 2H mc2 931 5 MeV u 1 0 002 389 3 u 2 225 6 MeV 16 核裂变 nuclear fission 指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 17 核反应堆 nuclear reactor 指通过受控核裂变反应获得核能的一种装置 为使裂变链反应持续和可控进行的关 键在于控制中子的数目 使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数 便形成 所谓的自持链反应 18 核聚变 nuclear fusion 由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程 轻核聚变释放的能量比重核裂变时大得 多 19 热核反应 thermonuclear reaction 在极高温度下轻原子核聚变的过程 当温度足够高时 聚变过程能够持续进行 并 放出巨大能量 例如 氘核和氚核实现自持热核反应 需要 5 千万度以上的温度 而氘核和氘核则需几亿度 目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆炸 可控的热核 反应尚未实现 20 热核武器 以聚变反应为基础的核武器 例如原子弹和氢弹 21 超铀元素 transuranium elements 周期表中原子序数大于 92 即铀 的元素的统称 它们大多数是由人工方法制得的 放射性元素 22 超锕系元素 transactinide elements 指原子序数大于 103 的元素 即周期表中处于锕系元素之后的元素 它们的合成是 通过以重核粒子为入射粒子的人工核反应实现的 二 习题及答案 18 1 Distinguish clearly between a nucleons nuclides b radioactive isotopes radioactive elements c decay transmutation d fission fusion e nuclear weapon thermonuclear weapon f nuclear binding energy average nuclear binding energy g Bq Ci h activity half life 区别下列概念 a 核子 核素 b 放射性同位素 放射性元素 c 衰变 嬗变 d 裂变 聚变 e 核武器 热核武器 f 核结合能 核平均结合能 g Bq Ci h 活度 半衰期 解答解答 a 核子 核子是组成原子核的粒子 质子和中子都是核子 核素 指确定数目的质子和中子结合而成的原子核 b 放射性元素 亦称 放射元素 由放射性同位素所组成的元素 有天然放射性元 素 例如铀 钍等 和人工放射性元素 例如钷 锔等 之分 放射性同位素 原子核不稳定 能自发放出 射线 射线或通过 K 电子俘获等方 式而进行蜕变的同位素 在放出 射线 射线的同时 一般还有 射线 能量大的 光子 放出 c 衰变 原来的放射性核素 母体 或者变为另一种核素 子体 或者进入另一种能量状 态的过程 根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方式分为 衰变 衰变和 衰变三大类 嬗变 指原子核受中子 质子 粒子 重粒子 例如原子核C 12 6 等轰击而形成新 原子核的人工核反应 d 裂变 指核裂变 由大核分裂为小核的过程 核武器和核电站都依赖于裂变过程产 生的能量 聚变 由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程 e 核武器 亦称 原子武器 利用原子核反应所放出的能量起杀伤破坏作用的武器 如原子弹 氢弹 热核武器 聚变反应需要很高的反应温度 因而又叫热核反应 以聚变反应为基础 的核武器叫热核武器 f 核结合能 由核子结合成原子核时质量会减少 m 依爱因斯坦的质能关系式 E mc2 可知其能量也相应地减少 减少的能量即核的结合能 核平均结合能 指核子结合为原子核的过程中 每个核子平均释放的能量 即结合 能除以质量数所得的商值 g Bq 放射性活度的 SI 单位用贝可表示 1 Bq 相当于每秒发生 1 次衰变 Ci 放射性活度的旧时单位 1 Ci 相当于每秒发生 3 7 1010次衰变 与 Bq 之间的 换算关系是 1Ci 3 7 1010 Bq h 活度 指放射性活度 即通过实验观察得到的放射性物质的衰变速率 半衰期 任意量的放射性核素减少一半所经历的时间 是其衰变速率的表示 每种 核素都有其特征的半衰期 18 2 Write equations for the following nuclear reactions a bombardment of 63Li with neutrons to produce 31H b bombardment of 23992U with particles to produce 23994Pu c bombardment of 147N with neutrons to produce 146C d the reaction of two deuterium nuclei to produce a nucleus of 3 2He 写出下列核反应方程 a 中子轰击Li 6 3 产生H 3 1 b 粒子轰击U 239 92 产生Pu 239 94 c 中子轰击N 14 7 产生C 14 6 两个氘核反应生成He 3 2 解答 解答 a Li 6 3 n 1 0 H 3 1 He 4 2 b U 239 92 4 2 Pu 239 94 4n 1 0 c N 14 7 n 1 0 C 14 6 P 1 1 d H 2 1 H 2 1 He 3 2 n 1 0 18 3 a The half life of cobalt 60 is 5 3 a How much of a 1 000 mg sample of cobalt 60 is left after a 15 9 a period b It takes 165 min for a 1 000 mg sample of chlorine 39 to decay to 0 125 g What is the half life of 39Cl a Co 60 的半衰期是 5 3 a 经过 15 9a 后 1 000mg 的Co 60 样品剩余多少 b 1 000mg 的Cl 39 经过 165min 后剩余 0 125mg 问 39Cl 的半衰期是多少 解答解答 a 因为 15 9a 5 3a 3 所以 经过 3 个半衰期后 剩余质量为 m 1 000mg 1 2 3 0 125 mg b 因为 0 125 1 000 1 2 n 所以 n 3 可知 165 min t1 2 3 所以 t1 2 55 min 18 4 Which of the following nuclei is likely to have the largest mass defect per nucleon a 5927Co b 115B c 11850Sn d 24396Cm Explain your answer 下列核子那个可能有最大的质量亏损 并解释原因 a Co 59 27 b B 11 5 c Sn 118 50 d Cm 243 96 解答解答 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 一 个质子的质量为 1 007277u 一个中子的质量为 1 008665u 对 a 核素Co 59 27 的质量亏损为 27 1 007277u 32 1 008665u 58 933u 0 77641u b 核素B 11 5 的质量亏损为 5 1 007277u 6 1 008665u 10 811u 0 32102u c 核素Sn 118 50 的质量亏损为 50 1 007277u 68 1 008665u 118 71u 0 67947u d 核素Cm 243 96 的质量亏损为 96 1 007277u 147 1 008665u 247u 1 18976u 所以 Co 59 27 有最大的质量亏损 18 5 Explain the following terms that apply to fission reactions a chain reaction critical mass 解释聚变反应中的名词 a 链反应 b 临界质量 解答解答 a 链反应 亦称 连锁反应 或 链式反应 在本来反应进行极为缓慢的某些反应 物中 引入或设法使之产生少量活动中心 一般为游离基 如氢原子 氯原子等 依靠此种活动中心 使反应很快的连续进行 如此就构成了链反应 b 临界质量 为了使链反应能够发生 裂变材料的质量必需大于某一最小质量 否则 产生的中子在有机会轰击其他原子核之前 会从裂变材料样品中逸出 如果逃逸的 中子太多 链反应将终止 对给定的裂变材料而言 足以维持链反应正常进行的质 量叫临界质量 18 6 Explain the function of the following components of a nuclear reactor a fuel rods b control rods c circulating system of cooling fluid 解释核反应堆中各组分的功能 a 燃料棒 b 控制棒 c 循环冷却液体 解答解答 a 燃料棒 含有 3 U 235 的 UO2弹片填装在锆或不锈钢管中而成的装置称燃料棒 是 核反应堆中裂解产生中子的源地 b 控制棒 反应堆安全运行必需的元件 用以控制原子核反应堆的反应速率或输出功 率 用能够强烈吸收中子的材料 如镉 含硼物质 制成 一般呈棒状 故名 控制棒插 入堆内越深 就能吸收越多的中子 使反应速率减慢 以至停止 而把棒从堆内抽 出时 吸收的中子减少 可使反应堆起动或使反应加快 这种调节一般都通过自动 装置进行 c 循环冷却液体 依靠循环冷却液体将核反应堆中核反应产生的热带出堆心 并可对 裂解释放中子进行调节 以便U 235 捕获中子引发链式反应 18 7