第27章--核化学

1、第 27 章,核 化 学,本章主要内容,27.1 原子核的组成和基本粒子的概念 27.2 放射性衰变自发核反应 27.3 诱导核反应 27.4 质量亏损和核结合能 27.5 放射性核素的应用,本章重点, 原子核的组成和亚原子粒子的概念； 核能和核能利用的基本概念。,基本概念,核反应与化学反应的区别： 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；,核化学：是研究核反应及其在化学中的应用的科学 元素通过核外的电子而发生化学反应，在反应中，原子核本身不发生变化。,核反应与化学反应的区别： 第三，化学反应中

2、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10103 kJmol-1，而核反应的能量变化在108109 kJmol-1； 最后，化学反应中质量数相等；核反应中会发生质量亏损。,27.1 原子核的组成和基本粒子的概念,原子核是由质子和中子组成的，这两种粒子统称为核子(nucleons)。 每一种特定的原子核称作一种核素(nuclide)。 不同的核素具有不同数目的质子数（Z）和中子数（N）。 质量数A：A=Z+N。 核素符号： A ZX,27.1.1 原子核的组成,1. 亚原子粒子的概念 亚原子粒

3、子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试验中所发现的一些粒子。 2. 亚原子粒子的种类 根据作用力的不同，可以分为三大类: 强子、轻子和传播子,27.1.2 亚原子粒子,3. 亚原子粒子的特征量 粒子的质量。 粒子的寿命。 粒子具有对称性。 粒子有自旋。 自旋为半整数的粒子称为费米子; 为整数的称为玻色子。,核反应:是指入射粒子（或原子核）与原子核（称靶核）碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程。 核反应包括: 自发核反应（放射性衰变） 诱导核反应（核裂变与核聚变）,27.2 放射性衰变自发核反应,原子核不稳定，能自发放射质子和电磁辐射。这种性质，

4、称为放射性。过程称为放射性衰变 常见的衰变： 衰变，如 22688Ra 22286Rn + 42 (42He) 衰变，如 21083Bi 21084Po + 0-1e 。 衰变，如 6027Co* 6027Co + 射线由高能光子组成,1. 放射性衰变,重放射性核素的递次衰变系列包括： 三个天然放射系和一个人工放射系 钍系/4n系:从232Th经过10次衰变241Pb。 铀系/4n+2系:从238U经过14次衰变206Pb。 锕系/4n+3系:从235U经过11次衰变207Pb。 镎系:核反应方法合成的一个人工放射系,2. 放射系,半衰期:指放射性核素衰变掉一半所需要的时间。 =ln2 =0.

5、693/ 速度常数， 半衰期T1/2，一般用表示,3. 半衰期,核化学方程：用于表示各种核变化过程的方程式与化学反应方程不同。核素的符号之后不需表明状态。 书写时需要遵循两条规则： 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。,4. 核化学方程,例： 14456Ba钡+ 8956Kr氪 +3 10n 23592U + 10n 14054Xe氙 + 9438Sr锶 +2 10n 13351Sb锑 + 9941Nb铌 + 4 10n,核裂变：是用中子（10n）轰击较重原子核使 之分裂成较轻 原子核的反应。,核裂变的核燃料：U-235 U-233 Pu-239(钚),27.3

6、 诱导核反应,1. 核裂变,U-235裂变链式反应：,1gU-235可放出 8107kJ的能量 1g煤完全燃烧放出的热量为：30kJ 1gU-235产生的能量相当于2.7106g煤燃烧产生的能量,对于核弹，链式反应是失控的爆炸，因为每个核的裂变引起另外好几个核的裂变,核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者的差异主要在于链式反应速度是否受到控制,核电站的关键设备是核反应堆，受控的链式反应就在这里进行,例： 21H + 21H 42He 1g氘聚变时放出的能量为：5.810 8 kJ,核聚变：由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。,实现核聚变的两个关键问题： 反应温度足够高：

7、109 人为控制核聚变反应的速度受控核聚变,2. 核聚变,核引力原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力,原子核的结合能若干个核子结合成原子核时所释放的能量 质量亏损m：核素质量与其组成核子质量和之差 结合能的计算： 质量亏损 m=（中子质量+质子质量）-核的质量 E = mc2 c（光速）= 3108 ms-1 E = mc2,27.4 质量亏损和核结合能,各原子核的每克结合能是不同的,通常 核子数（质量数）小的原子核，每克结合能小 核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大 核子数（质量数）大于200的原子核，每克结合能变小,1. 医疗上的应用 治疗癌症和白血病，医学上称为化疗 2. 反应机理和化学结构研究 放射性同位素作为标记或示踪 3. 分析测试 活化分析；同位素稀释分析 4. 工业用途 控制或分析系统;食物灭菌和消毒,27.5 放射性核素的应用,5.放射性用于年代测定（放射性C-14纪年） 碳-14以5730 a的半衰期发生衰变。 大气中碳-14与碳-