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核化学概念、应用及安全Basicnuclearchemistry，applications&safety梁继东电话：82663933E-mail:jidongl@mail.xjtu.edu.cn1964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1核化学的基本概念•核化学（nuclearChemistry）：研究原子核（稳定性和放射性）反应、性质、结构、分离、鉴定及其应用的一门学科。•核子（nucleon）：指组成原子核的基本粒子，如质子和中子都是核子。•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，他们的Z都是92，而中子数N分别为234，235和238，他们互称同位素，化学性质相同而核性质不同。•放射性（radioactivity）：不稳定原子核自发放射出α、β和γ射线的现象。•放射性衰变（radioactivedecay）：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α衰变、β衰变、γ衰变，分别放射出α射线、β射线、γ射线。•放射系（radioactiveseries）：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。•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：①方程式两端的质量数之和相等；②方程式两端的原子序数之和相等；例如：•放射性活度（activity）通过实验观察得到的放射性物质的衰变速度。•核力（nuclearforce）：核子之间特有的相互作用力，强度大，力程短，作用范围在2fm。•质量亏损（massdefect）：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，这两者的差额称为质量亏损，用δm表示，说明当核子集合成原子核时要放射出结合能。它的数值越大原子核就越稳定。•核的结合能（nuclearbindingenergy）：由核子结合成原子核时质量减少了δm，根据爱因斯坦的质能关系式（δE=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）=δmc2=931.5MeV·u-1×0.0023893u≈2.2256MeV•核裂变(nuclearfission):指大核分裂成为小核的过程。普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。•核反应堆(nuclearreactor)：指通过受控核裂变反应获得核能的一种装置。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。•核聚变（nuclearfusion）:有两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。轻核聚变时释放的能量比重核裂变释放的能量大得多。•热核反应（thermonuclearreaction）：在极高的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。如氚和氘实现自持热核反应需要5千万度以上的高温，而氘和氘则需几亿度。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。2核化学反应及应用2.1核衰变及应用•（1）核衰变•a.α衰变、β衰变、γ衰变•放射性同位素（Radioisotopes）的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。放射性衰变(radioactivedecay)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。β衰变α衰变γ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α衰变的位移定则。β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+γ（高能电子波）*6027CoCo6027+Ra22688Rn22288He)α(4242+（电子）Bi21083e0-1Po21084表1三种射线基本特征成分速度贯穿本领电离能力α1/10光速很小很强β接近光速很大很小γ电磁波光速最强最小辐射会使细胞的生长-调节机制受到伤害，以白血细胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。辐射造成的生物效应辐射造成的生物效应•b.放射性同位素原子数目•放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随着时间的增加，放射性原子的数目按几何级数减少，用公式表示为：N＝N0e-λt——N为经过时间t衰变后，剩下的放射性原子数——Ｎ0为初始的放射性原子数——λ为衰变常数，是与该种放射性同位素性质有关的常数，λ=y(t)＝e-0.693t/τ，其中τ指半衰期。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(radioactiveseries)•c.半衰期(half-life)•放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。•所谓半衰期即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。•半衰期是放射性同位素的特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。表2常用放射性同位素基本特征参数同位素符号半衰期β射线能量（MeV）氢-33H12.3年0.018碳-1414C5720年0.156磷-3232P14.3天1.71硫-3535S87.1天0.167碘-131131I8.05天0.605放射性核素的半衰期短至10-6s,长至1015a。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!切尔诺贝利4号反应堆爆炸灾难后的几年内，乌克兰0～14岁儿童中甲状腺癌的发病人数。d.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)，1Bq相当于每秒发生1次衰变。旧单位：Ci(居里)，1Ci相当于每秒发生3.7×1010次衰变(1g镭-226的衰变速率)。1Ci=3.7×1010Bq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Bq·g-1或mCi·g-1等。（2）放射性同位素的应用——a.放射性碳-14纪年方法：放射性碳-14测定年代法(radiocarbon-14dating)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5730a的半衰期发生β衰变+C146N147e01-Question12005年，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432Bq·g-1[即s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织相应的比活度则为756Bq·g-1，试计算该古墓建造的年代。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=0.693/5730a=1.21×10-4a-1t=ln[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21×10-4a-1)=4630a即该古墓大约是公元前2625年建造的。C146N147e0-1C146C146Solution•b.作为示踪原子•一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”，用仪器可以探测出来，这种原子叫做示踪原子。•例如：棉花对磷肥有效利用的示踪。核素示踪技术植物生长最需要什么？植物怎样吸收养分？施肥施在什么部位？肥料被吸收了多少？放射性元素标记研究过程增加产量改进技术•c.辐射加工•射线束作为一种高能的微观粒子流，既是能量的载体，又是物质的载体。当它们与材料相互作用时，会产生各种物理学上的和化学上的效应，从而引起材料在成分、结构和性能上的一系列变化，在原来的材料的基础上制备出成分、结构和性能上不同于原来材料的新型材料。辐射加工举例辐射交联、固化、接枝、裂解高分子量100000橡胶硫化木材纸浆生产粘胶丝海洋产多糖类茶花卉水稻胡萝卜辐射分解肥料D辐射育种“原丰早”水稻全世界20世纪50年代辐射育种占新品种9％现在50％“鲁棉一号”棉花“太幅一号”小麦我国已培育513个新品种，占世界1/4每年增产粮、棉、油30－40亿公斤，社会经济效益60亿元棉花育种e.昆虫辐射不育病虫害令全世界粮食每年减产35％－40％1992年，我国棉铃虫灾害严重，5000万亩棉田受灾，减产40％，损失1000亿元耗费250亿美元农药环境污染•昆虫受到电离辐射照射可使昆虫丧失生殖能力，从而降低害虫的数量，进一步达到防治甚至根除害虫的目的。•国外使用该技术在大面积根除地中海果蝇以及抑制非洲彩蝇方面取得了重大成果。我国用此法对玉米螟、小菜蛾、柑桔大实蝇等害虫的辐射不育研究，也取得了较好的防治效果。f.食品辐照保鲜42个国家批准200多种，30万吨/年核桃消毒灭菌常温保鲜功耗低无污染板栗大蒜红枣辐照•g.同位素电池•放射性同位素在进行核衰变时释放的能量，可以用作制造特种电源——同位素电池。•这种电池是目前人类进行深空探索唯一可用的能源。•空间同位素电池（如钚-238电池）的特点是：不需对太阳定向，小巧紧凑，使用寿命长。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。131I59Fe32P99Tc23Na8.1d45.1d14.3d6.0h14.8h甲状腺红血细胞眼,肝,瘤心脏,骨,肝,肺循环系统辐射源半衰期检查部位放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用h.核医学诊断与癌症放射性治疗放射性药物99Mo99mTc131I125I192Ir153Sm美国99mTc销售1996年5.31亿美元2000年7亿美元2020年60亿美元其他美国1/3日本1/25中国1/200全世界每年耗用放射性药物131I甲状腺BNCT治疗肿瘤放射性的应用射线疗法射线疗法(radiationtherapy)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。32P60Co90Sr125I131I14.3d5.26a28.8a60.25d8.06d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30a74.2d2.7d3.82d1622a辐射源半衰期辐射源半衰期医疗设备加速器、钴源、PET、CT、NMR发达国家每100万人拥有1－2台医用电子直线加速器全世界1万台，美国900台，年产值180亿美元我国400万癌症患者，不到100台“γ刀”精度0.1mm•2.2核裂变与核聚变(1)原子核的结合能Averagebindingenergyofnuclide(2)核裂变Nuclearfission(3)核聚变Nuclearfusion在原子核中，中子不带电，质子带正电，同性要相斥，把中子和质子紧箍在一个非常小的空间存在着一股巨大的力，科学家称为核力（比电磁力大130倍）。它只在原子核直径（10-13cm）的很小范围内起作用。当质子和中子重新组成新原子核时，核力的强大作用使核子间排列的更加紧密，会出现质量减少和放出能量的情况，这种放出的能量被称为原子核结合能。（1）原子核结合能核素的平均结合能核子之间靠核力(nuclearforce)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2fm(10-15m)。质量亏损(massdefect)用△m表示△E=mc2减少的能量即核的结合能(nuclearbindingenergy),符号用EB例如,2H核的结合能为:EB(2H)=△mc2=931.5MeV·u-1×0.0023893u≈2.22