核化學簡介第18章核化學簡介第18章

1964年10月16日15時,中國在本國西部地區(qū)爆炸了一顆原子彈.....蘑菇云1964年10月16日15時,中國在本國西部地區(qū)爆炸本章教學要求3．了解放射性碳-14測定年代法；2．會正確書寫核化學方程式；1．了解有關放射性核素和放射性衰變的概念；5．簡單了解人工核反應和超鈾元素合成的基本內容。4．了解核能和核能利用的基本概念；本章教學要求3．了解放射性碳-14測定年代法；2．會正確書寫18.1放射性核素和放射性衰變

Radioactivenuclideandradioactivedecay18.2核能和核能利用Nuclearenergyanduseofnuclearenergy18.3人工核反應和超鈾元素的合成Artificialnuclearreactionandsynthesesoftransuraniumelements18.1放射性核素和放射性衰變18.2核能和核能利用18.1.1放射性衰變和放射系RadioactivedecayandradioactivitySeries

18.1.2核化學方程、半衰期和放射性活度Nuclearchemicalequationhalf-timeandradioactivity18.1.3放射性碳-14紀年Radiocarbon-

14dating

18.1放射性核素和放射性衰變

Radioactivenuclideandradioactivedecay18.1.1放射性衰變和放射系Radioactive118.1.1放射性衰變和放射系放射性衰變(radioactivedecay)是一種過程,在這種過程中,原來的核素(母體)或者變?yōu)榱硪环N核素(子體),或者進入另一種能量狀態(tài)。18.1.1放射性衰變和放射系放射性衰變(r輻射會使細胞的生長-調節(jié)機制受到傷害，以白血細胞過度生長為特征的白血病可能是由輻射造成的。輻射會使細胞的生長-調節(jié)機制受到傷害，以白血β衰變α衰變γ衰變核電荷數減少2意味著子核在元素周期表中的位置左移2格,叫作α衰變的位移定則。β衰變的位移定則是，子核在元素周期表中的位置右移1格。放射性衰變+γ

（高能電子波）++（電子）β衰變α衰變γ衰變核電荷數減少2意味著子核在元素在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變關系。母體放射性核素經多代子體放射性核素最后衰變生成穩(wěn)定核素。

放射系(radioactiveseries)鈾系釷系錒系在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變關系。18.1.2核化學方程、半衰期和放射性活度1.核化學方程式書寫核化學方程式的規(guī)則：(a)方程式兩端的質量數之和相等；(b)方程式兩端的原子序數之和相等。

2.半衰期1個半衰期2個半衰期3個半衰期4個半衰期放射性核素的衰變速率用半衰期(half-life)表示,符號為t1／2。例如,鍶-90的衰變反應

的半衰期為29a。18.1.2核化學方程、半衰期和放射性1.核化學方Question1Solution配平下列方程式:(a)++?(b)

+?(c)

+?依據配平規(guī)則可知：(a)++(b)

+(c)

+Question1Solution配平下列方程式:依據配平放射性核素的半衰期短至10-6

s,長至1015

a。衰變反應半衰期的一個重要特征是,它不受外界條件(溫度、壓力等)的影響，也不受化合狀態(tài)的影響?；瘜W方法可以使有毒化學制劑分解為無毒物種，但對放射性造成的毒性卻無可奈何!

切爾諾貝利4號反應堆爆炸災難后的幾年內，烏克蘭0～14歲兒童中甲狀腺癌的發(fā)病人數。放射性核素的半衰期短至10-6s,長至13.放射性活度及其單位放射性活度(activity)是通過實驗觀察得到的放射性物質的衰變速率。SI單位:為Bq(貝可)，1Bq相當于每秒發(fā)生1次衰變。舊單位：Ci(居里)，1Ci相當于每秒發(fā)生3.7×1010次衰變(1g鐳-226的衰變速率)。

1Ci=3.7×1010Bq

比活度：指樣品中某核素的放射性活度與樣品總質量之比，單位為Bq·g-1或mCi·g-1等。3.放射性活度及其單位放射性活度(檢測放射性的方法蓋革計數器(Geigercounter)是根據受輻射氣體發(fā)生電離而產生的離子和電子能傳導電流的原理設計的。每個被放大了的電脈沖即代表一次放射性記數

檢測放射性的方法蓋革計數器(Geigercounter)是18.1.3放射性碳-14紀年方法：放射性碳-14測定年代法(radiocarbon-14dating)依據：衰變反應半衰期與反應物的起始濃度無關

利比：獲得1960年諾貝爾化學獎假定：大氣中碳-14與碳-12的比值是恒定的

碳-14以5730a的半衰期發(fā)生β衰變+18.1.3放射性碳-14紀年方法：放射性碳Question2埃及一法老古墓發(fā)掘出來的木質遺物樣品中,放射性碳-14的比活度為432Bq·g-1[即s-1·(gC)-1],而地球上活體植物組織相應的比活度則為756Bq·g-1，試計算該古墓建造的年代。Solution

衰變反應是:

根據一級反應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-1

t=ln[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21×10-4a-1)=4630a

即該古墓大約是公元前2625年建造的。

Question2埃及一法老古墓發(fā)掘出來的18.2核能和核能利用

Nuclearenergyanduseofnuclearenergy18.2.1核素的平均結合能Averagebindingenergyof

nuclide18.2.2核裂變Nuclearfission18.2.3核聚變Nuclearfusion18.2核能和核能利用18.2.1核素的平18.2.1核素的平均結合能核子之間靠核力(nuclearforce)結合成原子核，核力是核子之間的短程強吸引力，作用范圍為2

fm(10-15m)。=0.0023893u減少的質量質量虧損(massdefect)

用△m表示△E=mc2

減少的能量即核的結合能(nuclearbindingenergy),符號用EB

例如,2H核的結合能為:EB(2H)=△mc2=931.5MeV·u-1×0.0023893u≈2.2256MeV18.2.1核素的平均結合能核子平均結合能(averagebindingenergy)指核子結合為原子核時每個核子平均釋放的能量(結合能除以質量數）。例如2H核的值為1.1128MeV。由于重核裂變?yōu)檩^輕核和輕核聚變?yōu)檩^重核的過程都是放能反應,這種趨勢就奠定了核能利用的基礎。平均結合能(averagebindingQuestion3SolutionΔm=59.9529+1.00783―58.9332―2.01410=0.01343(g·mol-1)ΔE=Δmc2=1.343×10-5kg·mol-1×(3.00×108

m·s-1)2

=1.21×109

kJ·mol-1

計算反應++的吸收發(fā)射能。原子量：=58.9332，=2.01410，=59.9529，=1.00783。Question3SolutionΔm=59.952918.2.2核裂變核裂變(nuclearfission)是大核分裂為小核的過程.普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產生的能量。1.鈾-235的裂變與核武器發(fā)生鏈反應爆炸35種元素的200多種位素同＋＋＋2＋＋＋318.2.2核裂變核裂變(nuc足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量(criticalmass)。鈾-235的臨界質量約為1kg，質量超過1kg則發(fā)生爆炸。

任何有核反應堆的國家都不難得到爆炸級的裂變材料，原子彈的基本設計又如此簡單，從而為防止核武器擴散帶來了困難。足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量(cri這是美國對日本投擲的兩顆原子彈瘡滿目痍全世界第一次知道了什么是原子彈！這是美國對日本投擲的兩顆原子彈瘡滿目痍全世界第一次知道了什么2.核反應堆通過受控核裂變反應獲得核能的裝置，可使裂變產生的中子數等于各種過程消耗的中子數,以形成所謂的自持鏈反應(self-sustainingchainreaction)。2.核反應堆通過受控核裂變反應獲前蘇聯(lián)于1954建成世界上第一座核電站；至今已有30多個國家和地區(qū)的400多座核電站處在運行之中。右圖列出1995年一些國家核電占各自總電力的百分率。第二次世界大戰(zhàn)結束后，科學家迅速將原子能的利用轉向和平用途。前蘇聯(lián)于1954建成世界上第一座核電站；至今已有30多個國安全方面的擔心

核廢料處理

核動力發(fā)電算得上一種清潔能源

安全方面的擔心核廢料處理核動力發(fā)電算得上一種清潔能源18.2.3核聚變核聚變(nuclearfusion)

由兩個或多個輕核聚合形成較重核的過程。熱核武器

以聚變反應為基礎的核武器氫彈就是利用裝在其內部的一個小型鈾原子彈爆炸產生的高溫引爆的。＋

＋40000000℃

18.2.3核聚變核聚變(nuclearfus18.3.1人工核反應

Artificialnuclearreaction18.3.2超鈾元素的合成

Synthesesoftransuraniumelements18.3人工核反應和超鈾元素的合成

Artificialnuclearreactionandsynthesesoftransuraniumelements18.3.1人工核反應18.3.2超鈾18.3.1人工核反應

人工核反應是指原子核受中子、質子、α粒子、重粒子(例如原子核)等轟擊而形成新核的核嬗變過程(nucleartransmutation)。通式為:式中X為靶核，a為入射粒子，Y為產物核，b為出射粒子，通常簡寫為A1X(a,b)A3Y。1919年盧瑟夫實現了第一個核嬗變反應:

18.3.1人工核反應人工核反應是

人工核反應的實現,使科學家在實驗室合成已知元素的新核素和新的化學元素成為可能。185Hf(1992)、208Hg(1992)、237Th(1993)、239Pa(1995)、175Er(1996)、235Am(1996)、135Gd(1996)、121Ce(1997)、186Hf(1998)、209Hg(1998)、238Th(1999)、125Nd(1999)、128Pm(1999)、129Sm(1999)、139Dy(1999)、139Tb(1999)和137Gd(1999)。我國科學家合成的19種新核素：

90Ru(1991)和202Pt(1992)

分別由中國原子能科學研究院（北京）和上海原子核研究所合成。人工核反應的實現,使科學家在實驗室合成已知18.3.2超鈾元素的合成18.3.2超鈾元素的合成第一個“超鈾元素”（transuraniumelements)的合成1940年1970年2.第一個“超錒系元素”（transactinideelements)的合成合成的困難：隨著質子數越來越多，質子間的庫侖引力越來越大，原子核也越來越不穩(wěn)定。++γ+++4第一個“超鈾元素”（transuraniumelement放射性的應用射線療法

射線療法(radiationtherapy)是指用高能射線治療疾病的方法，它是人類戰(zhàn)勝癌癥的一種重要武器。32P60Co90Sr125I131I14.3d5.26a28.8a60.25d8.06d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30a74.2d2.7d3.82d1622a輻射源半衰期

輻射源半衰期放射性的應用射線療法射線療法(radiationther放射性示蹤劑以某種化合物的形式給藥.診斷是根據這些放射性化合物進入人體特定部位并在那些部位濃集的能力。131I59Fe32P99Tc23Na

8.1d45.1d14.3d6.0h14.8h

甲狀腺紅血細胞眼,肝,瘤心臟,骨,肝,肺循環(huán)系統(tǒng)輻射源半衰期檢查部位放射性示蹤劑以某種化合物的形式給藥.診斷是根據這些放射性放射性示蹤劑用于研究化學反應機理和化合物的結構匈牙利化學家海維西（GHevesy）首次將放射性示蹤劑用于化學研究，獲得了1943年諾貝爾化學獎。

亞硫酸鹽與硫磺生成硫代硫酸鹽.產物S2O32-離子中的兩個S原子是否處于同樣的化學環(huán)境？3H2O(l)+32SO2(g)+35S(s)結果:摻入的那個S原子(35S)與離子中的那個S原子(32S)處于不同的化學環(huán)境。

35S(s)+32(aq)

35S32(aq)+2H3O+(aq)放射性示蹤劑用于研究化學匈牙利化學家海維西（核化學簡介第18章核化學簡介第18章

1964年10月16日15時,中國在本國西部地區(qū)爆炸了一顆原子彈.....蘑菇云1964年10月16日15時,中國在本國西部地區(qū)爆炸本章教學要求3．了解放射性碳-14測定年代法；2．會正確書寫核化學方程式；1．了解有關放射性核素和放射性衰變的概念；5．簡單了解人工核反應和超鈾元素合成的基本內容。4．了解核能和核能利用的基本概念；本章教學要求3．了解放射性碳-14測定年代法；2．會正確書寫18.1放射性核素和放射性衰變

Radioactivenuclideandradioactivedecay18.2核能和核能利用Nuclearenergyanduseofnuclearenergy18.3人工核反應和超鈾元素的合成Artificialnuclearreactionandsynthesesoftransuraniumelements18.1放射性核素和放射性衰變18.2核能和核能利用18.1.1放射性衰變和放射系RadioactivedecayandradioactivitySeries

18.1.2核化學方程、半衰期和放射性活度Nuclearchemicalequationhalf-timeandradioactivity18.1.3放射性碳-14紀年Radiocarbon-

14dating

18.1放射性核素和放射性衰變

Radioactivenuclideandradioactivedecay18.1.1放射性衰變和放射系Radioactive118.1.1放射性衰變和放射系放射性衰變(radioactivedecay)是一種過程,在這種過程中,原來的核素(母體)或者變?yōu)榱硪环N核素(子體),或者進入另一種能量狀態(tài)。18.1.1放射性衰變和放射系放射性衰變(r輻射會使細胞的生長-調節(jié)機制受到傷害，以白血細胞過度生長為特征的白血病可能是由輻射造成的。輻射會使細胞的生長-調節(jié)機制受到傷害，以白血β衰變α衰變γ衰變核電荷數減少2意味著子核在元素周期表中的位置左移2格,叫作α衰變的位移定則。β衰變的位移定則是，子核在元素周期表中的位置右移1格。放射性衰變+γ

（高能電子波）++（電子）β衰變α衰變γ衰變核電荷數減少2意味著子核在元素在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變關系。母體放射性核素經多代子體放射性核素最后衰變生成穩(wěn)定核素。

放射系(radioactiveseries)鈾系釷系錒系在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變關系。18.1.2核化學方程、半衰期和放射性活度1.核化學方程式書寫核化學方程式的規(guī)則：(a)方程式兩端的質量數之和相等；(b)方程式兩端的原子序數之和相等。

2.半衰期1個半衰期2個半衰期3個半衰期4個半衰期放射性核素的衰變速率用半衰期(half-life)表示,符號為t1／2。例如,鍶-90的衰變反應

的半衰期為29a。18.1.2核化學方程、半衰期和放射性1.核化學方Question1Solution配平下列方程式:(a)++?(b)

+?(c)

+?依據配平規(guī)則可知：(a)++(b)

+(c)

+Question1Solution配平下列方程式:依據配平放射性核素的半衰期短至10-6

s,長至1015

a。衰變反應半衰期的一個重要特征是,它不受外界條件(溫度、壓力等)的影響，也不受化合狀態(tài)的影響。化學方法可以使有毒化學制劑分解為無毒物種，但對放射性造成的毒性卻無可奈何!

切爾諾貝利4號反應堆爆炸災難后的幾年內，烏克蘭0～14歲兒童中甲狀腺癌的發(fā)病人數。放射性核素的半衰期短至10-6s,長至13.放射性活度及其單位放射性活度(activity)是通過實驗觀察得到的放射性物質的衰變速率。SI單位:為Bq(貝可)，1Bq相當于每秒發(fā)生1次衰變。舊單位：Ci(居里)，1Ci相當于每秒發(fā)生3.7×1010次衰變(1g鐳-226的衰變速率)。

1Ci=3.7×1010Bq

比活度：指樣品中某核素的放射性活度與樣品總質量之比，單位為Bq·g-1或mCi·g-1等。3.放射性活度及其單位放射性活度(檢測放射性的方法蓋革計數器(Geigercounter)是根據受輻射氣體發(fā)生電離而產生的離子和電子能傳導電流的原理設計的。每個被放大了的電脈沖即代表一次放射性記數

檢測放射性的方法蓋革計數器(Geigercounter)是18.1.3放射性碳-14紀年方法：放射性碳-14測定年代法(radiocarbon-14dating)依據：衰變反應半衰期與反應物的起始濃度無關

利比：獲得1960年諾貝爾化學獎假定：大氣中碳-14與碳-12的比值是恒定的

碳-14以5730a的半衰期發(fā)生β衰變+18.1.3放射性碳-14紀年方法：放射性碳Question2埃及一法老古墓發(fā)掘出來的木質遺物樣品中,放射性碳-14的比活度為432Bq·g-1[即s-1·(gC)-1],而地球上活體植物組織相應的比活度則為756Bq·g-1，試計算該古墓建造的年代。Solution

衰變反應是:

根據一級反應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-1

t=ln[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21×10-4a-1)=4630a

即該古墓大約是公元前2625年建造的。

Question2埃及一法老古墓發(fā)掘出來的18.2核能和核能利用

Nuclearenergyanduseofnuclearenergy18.2.1核素的平均結合能Averagebindingenergyof

nuclide18.2.2核裂變Nuclearfission18.2.3核聚變Nuclearfusion18.2核能和核能利用18.2.1核素的平18.2.1核素的平均結合能核子之間靠核力(nuclearforce)結合成原子核，核力是核子之間的短程強吸引力，作用范圍為2

fm(10-15m)。=0.0023893u減少的質量質量虧損(massdefect)

用△m表示△E=mc2

減少的能量即核的結合能(nuclearbindingenergy),符號用EB

例如,2H核的結合能為:EB(2H)=△mc2=931.5MeV·u-1×0.0023893u≈2.2256MeV18.2.1核素的平均結合能核子平均結合能(averagebindingenergy)指核子結合為原子核時每個核子平均釋放的能量(結合能除以質量數）。例如2H核的值為1.1128MeV。由于重核裂變?yōu)檩^輕核和輕核聚變?yōu)檩^重核的過程都是放能反應,這種趨勢就奠定了核能利用的基礎。平均結合能(averagebindingQuestion3SolutionΔm=59.9529+1.00783―58.9332―2.01410=0.01343(g·mol-1)ΔE=Δmc2=1.343×10-5kg·mol-1×(3.00×108

m·s-1)2

=1.21×109

kJ·mol-1

計算反應++的吸收發(fā)射能。原子量：=58.9332，=2.01410，=59.9529，=1.00783。Question3SolutionΔm=59.952918.2.2核裂變核裂變(nuclearfission)是大核分裂為小核的過程.普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產生的能量。1.鈾-235的裂變與核武器發(fā)生鏈反應爆炸35種元素的200多種位素同＋＋＋2＋＋＋318.2.2核裂變核裂變(nuc足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量(criticalmass)。鈾-235的臨界質量約為1kg，質量超過1kg則發(fā)生爆炸。

任何有核反應堆的國家都不難得到爆炸級的裂變材料，原子彈的基本設計又如此簡單，從而為防止核武器擴散帶來了困難。足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量(cri這是美國對日本投擲的兩顆原子彈瘡滿目痍全世界第一次知道了什么是原子彈！這是美國對日本投擲的兩顆原子彈瘡滿目痍全世界第一次知道了什么2.核反應堆通過受控核裂變反應獲得核能的裝置，可使裂變產生的中子數等于各種過程消耗的中子數,以形成所謂的自持鏈反應(self-sustainingchainreaction)。2.核反應堆通過受控核裂變反應獲前蘇聯(lián)于1954建成世界上第一座核電站；至今已有30多個國家和地區(qū)的400多座核電站處在運行之中。右圖列出1995年一些國家核電占各自總電力的百分率。第二次世界大戰(zhàn)結束后，科學家迅速將原子能的利用轉向和平用途。前蘇聯(lián)于1954建成世界上第一座核電站；至今已有30多個國安全方面的擔心

核廢料處理

核動力發(fā)電算得上一種清潔能源

安全方面的擔心核廢料處理核動力發(fā)電算得上一種清潔能源18.2.3核聚變核聚變(nuclearfusion)

由兩個或多個輕核聚合形成較重核的過程。熱核武器

以聚變反應為基礎的核武器氫彈就是利用裝在其內部的一個小型鈾原子彈爆炸產生的高溫引爆的。＋

＋40000000℃

18.2.3核聚變核聚變(nuclearfus18.3.1人工核反應

Artificialnuclearreaction18.3.2超鈾元素的合成

Synthesesoftransuraniumelements18.3人工核反應和超鈾元素的合成

Artificialnuclearreactionandsynthesesoftransuraniumelements18.3.1人工核反應18.3.2超鈾18.3.1人工核反應

人工核反應是指原子核受中子、質子、α粒子、重粒子(例如原子核)等轟擊而形成新核的核嬗變過程(nucleartransmutation)。通式為:式中X為靶核，a為入射粒子，Y為產物核，b為出射粒子，通常簡寫為A1X(a,b)A3Y。1919年盧瑟夫實現了第一個核嬗變反應:

18.3.1人工核反應人工核反應是

人工核反應的實現,使科學家在實驗室合