第30章核化学

1第30章核化学涉及核化学反应的类型和规律。核化学是研究原子核的反应情况的一门化学的分支科学。定义为：核化学是研究涉及原子核的反应、性质、核反应产物的鉴定和合成制备的一门化学。核反应与化学反应不同。化学反应涉及到核外价电子的得失或转移，变化是在核外。而核反应涉及的是核内质子、中子的数目的变化，核反应之后，元素的种类发生了变化。具体而言，核反应的主要特点有：1、核反应常导致由一种元素变为另一种元素；2、核反应时伴随的能量效应比化学反应大得多；3、元素的核性质不受存在状态的限制。核反应的类型：放射性衰变；粒子或简单原子核轰击原子核；核裂变；核聚变。前一种是自发进行的，后三种是受外因而引起的，也称诱导核反应。30-1放射性和元素衰变及天然衰变系30-1-1放射性原子核由质子和中子组成。同一元素的原子核里，质子数相同而中子数可以不同。这种质子数相同而中子数不同的各原子互称同位素。同位素质子数和中子数之和叫质量数。同位素可用符号：质量数质子数M。如：42He。同一元素可以有许多种同位素，它们的化学性质基本相同，但核性质却差异较大。如氢的三种同位素：11H(P)、21H(D)、31H(T)。前两种同位素是稳定的，称为稳定同位素；后者不稳定，它可以自发的从原子核放出β射线，变成氦的同位素：31H→32He+01e(电子流，称为β射线)这种自发地放射出射线的性质，称为放射性。具有放射性的同位素称为放射性同位素。放射性同位素的这种自发地发生核结构的改变的过程称为核衰变或放射性衰变。上式即为核反应方程式，书写核反应方程式需要配平的是两边的质量数和质子数。230-1-2、元素衰变1、α衰变：释放出α射线。α射线实际上是α粒子流，α粒子含两个质子和两个中子，表示成：42α。实际上就是氦核：42He。如：23892U→23490Th+42Heα衰变将导致质子数减小2单位，中子数减小2单位。2、β衰变：释放出β射线。β射线实际上是β粒子流，β粒子含一个单位负电荷，质量接近为0，表示成：01β。实际上就是电子：01e。由于核内并无电子，因此认为是中子转变成质子时产生β粒子，即：10n→11H+01e如：23490Th→23491Pa+01eβ衰变将导致质子数增加1个单位，中子数减小1个单位（质量数不变）。显然，位于稳定带上方的不稳定同位素将可能产生β衰变。3、γ衰变：释放出γ射线。γ射线实际上是波长很短的电磁波，即高能光子。高能光子本身不带电，没有静止质量，表示成：00γ。γ射线常伴随着α射线或β射线一起射出。γ射线的释放，将导致核的能量降低，使得核更稳定，但因不改变质子数和中子数，故核反应方程式中一般不写出。4、正电子衰变正电子与电子仅电荷相反，表示成：01e，可认为是随着核中质子转变成中子时射出的：11H→10n+01e如：3015P→3014Si+01e释放正电子，导致质子数减小1个单位，中子数增加1个单位。显然，位于稳定带下方的不稳定同位素将可能产生正电子衰变。5、电子俘获电子俘获是原子核从核外电子层俘获一个电子使质子转变成中子：11H+01e→10n显然这是β衰变的逆过程。如：74Be+01e→73Li3电子俘获导致质子数减小1个单位，中子数增加1个单位。显然，位于稳定带下方的不稳定同位素将可能产生正电子衰变。2-3、半衰期原子核的衰变有其规律性，这种规律性可通过半衰期的概念来加以描述。任何一个放射性的原子不会一下子就全部衰变掉，它有一定的衰变速度。衰变速度用单位时间衰变的原子核的数目来表示：-(dN)/dt=λN式中N表示放射性原子的数目，λ是速度常数，也称衰变常数。元素的放射性越强，衰变常数λ越大。假定现有N0个放射性原子，t时间之后，由于衰变的结果，还剩下N个，则利用上式进行一些简单的数学推倒可得到t、N和N0之间的下列关系式：t=3.32T1/2lg(N0/N)T1/2称为半衰期：一种元素衰变到原来一半数量所需的时间。对一个特定的放射性元素而言，T1/2是一个常数。常见放射性元素的半衰期见书929页表24-2。显然，元素的放射性越强，T1/2越短。利用半衰期的公式，可以进行考古年代方面的计算。30-1-4、天然放射系（自学）这里涉及的是放射性同位素经过各种衰变方式最终变成稳定同位素所经历的过程。这样的过程目前发现有四种，分别称为钍放射系、镎放射系、铀放射系和锕放射系。分见书952-953页。30-2人工核反应和人造放射性同位素的应用30-2-1人工核反应所谓人工核反应是人为实现的核反应。包括粒子或简单原子核轰击原子核；核裂变；核聚变。历史上第一个人工核反应是由卢瑟福(Rutherford,E.1871-1937)于1919年实现的，他用α粒子轰击氮导致下列核反应：147N+42He→178O+11H进行核反应的高速离子一般可由加速器或反应堆来得到。所用到的高速粒子有：质子11H(P)、中子10n；简单原子核有：氘21H(D)、氦(α粒子)42He等。4如：3517Cl+10n→3516S+11H简化：3517Cl(n，P)3516S2412Mg+11H→2111Na+42He简化：2412Mg(P，α)2111Na63Li+21H→74Be+10n简化：63Li(D，n)74Be这类核反应方程式可简化成：被轰击原子核（轰击粒子，产生的粒子）产生的原子核若产生的原子核是自然界没有的，则该原子核也被称为人造同位素，若该同位素具有放射性则称为人工放射性。30-2-2人造放射性同位素的应用（自学）30-3裂变和聚变30-3-1核裂变核裂变是原子核分裂为两个质量相近的核的过程（分裂成更多的核的几率太小），同时释放出2-4个中子。如23592U受慢中子的轰击：23592U+10n→13553I+9739Y+410n→13752Te+9740Zr+210n→14056Ba+9336Kr+310n23592U的裂变反应有约35种，上述只是其中的两种。上述反应放出的能量很大。由裂变产生的2-4个中子经过减速成慢中子，则这些慢中子又能引起另外的23592U裂变，依此类推。该过程称为链式裂变反应。见书彩图8。链式裂变反应的条件：必须保证由原子核裂变所产生的中子有一定的数量。中子有三方面的消耗：被其它核俘获（不产生裂变）、逸出而损耗、进行裂变。因此只有在铀的质量或体积大于一定限度时才可能保证有足够的中子以进行链式核反应。这种保持链式反应必须的裂变物质的量称为临界质量。裂变物质的量大于临界质量时发生链式裂变反应；裂变物质的量小于临界质量时不发生链式裂变反应。原子弹就是依据这一原理制造出来的。530-3-2、核聚变轻原子核相遇时聚合为较重的原子核并放出巨大能量的过程称为核聚变。由于核之间的聚合要克服核间巨大的排斥力，因此，核聚变只能在高温下进行，故也称为热核反应。如：11H+11H→21D+01e相对而言，核聚变所放出的能量远大于核裂变。太阳上每时每刻进行着大量这样的核聚变反应，为地球提供能源。氢弹就是依据核聚变反应制造出来的。30-4核稳定理论30-4-1幻数和稳定核的质子中子比以及衰变一般规律判断同位素是否具有放射性，是否稳定，目前有一些经验规律。见书957-958页。因为核内质子带正电，相互间存在斥力，中子的存在增大了吸引力却不增加斥力。因此，人们认为原子核的稳定性与核内中子数和质子数的比值（n∶P）有关。为了寻找n∶P值的大小与核稳定性的关系，对所有的稳定同位素以质子数为横坐标，中子数为纵坐标作图，得到稳定核中质子数对中子数的比值图。见书959页图30-4。可以看出：随着核内质子数的增加，需要更多的中子才能使核稳定。即：随着核内质子数的增加，稳定核的n∶P值增大。图中稳定核所在的区域称为稳定带。一个同位素若在稳定带内，则是稳定的；若在稳定带外，则是不稳定的，具有放射性，将自发进行核衰变，直到成为稳定核。30-4-2结合能一个物质的能量与质量关系：E=mc2式中c为光速：2.998×108m/s。一个反应涉及的能量变化由下式决定：△E=△mc2即反应前后的反应物和生成物的质量变化将是导致反应放出或吸收能量的原因。由于光速非常大，所以反应物和生成物的质量的微小变化都将会导致能量的很大变化。前面介绍到核反应涉及的能量效应远远大于化学反应，原因就在于核反应涉及的质量变化远远大于化学反应。如书959-960页的例子：CH4+2O2=CO2+2H2O△m=-9.89×10-12kg6质量的减少，导致体系能量的放出：△E=△mc2=-890kJ.mol-1。21D→10n+11H△m=2.40×10-6kg质量的增加，导致体系吸收能量：△E=△mc2=216×109J.mol-1=216GJ.mol-1若不考虑膨胀功，则为其内能变化及热焓变化：△E=△U=△H。相应可计算其它核反应的能量效应。如：5626Fe→3010n+2611H△E=4750GJ.mol-1定义：原子核分解为其组成的质子和中子所需要的能量称为核的结合能。如21D的核的结合能为△E=216GJ.mol-1，5626Fe的核的结合能为△E=4750GJ.mol-1。由于不同的核中核子数（质量数）不同，为便于比较，提出核子平均结合能的概念：核子平均结合能=一个核的结合能÷核子数如21D的核子平均结合能为：△E=216×109/(6.02×1023×2)=0.179×10-12J5626Fe的核子平均结合能为：△E=4750×109/(6.02×1023×56)=1.41×10-12J与核结合能的概念相反：一定数目的质子和中子形成核释放出的能量称为核生成能。如：3010n+2611H→5626Fe△E=-4750GJ.mol-1即对于同一原子核而言，核结合能等于核生成能。显然，核子平均结合能等于核子平均生成能。以核的平均生成能对每一种元素最稳定同位素的质量数作图，可得一曲线。见书962页图30-5。可以看出：1、核的能量越低则核越稳定，即质量数约在60左右的核相对最稳定。2、从高能量的核变化到低能量的核会释放出能量。3、从高能量的核变化到低能量的核有两种方式：轻核通过聚合变为重核；重核分裂为轻核。前者涉及的核反应称为核聚变；后者涉及的核反应称为核裂变。30-5超铀元素锕系元素超铹元素简介（自学）