2025年高中化學競賽專題訓練二十二：核化學與放射化學一、核心概念與基本原理（一）核素與同位素核素是具有特定質子數(shù)（Z）、中子數(shù)（N）和核能態(tài)的原子，其表示方法為(^A_ZX)（A為質量數(shù)，X為元素符號）。質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素互稱為同位素，如氫的三種同位素(^1_1H)（氕）、(^2_1H)（氘）、(^3_1H)（氚）。同位素化學性質相似，但核性質差異顯著，例如(^{235}U)可發(fā)生裂變而(^{238}U)不能。同質異能素是處于不同激發(fā)態(tài)的同一種原子核，如(^{99m}Tc)（亞穩(wěn)態(tài)锝）與(^{99}Tc)，兩者質子數(shù)和中子數(shù)相同，但核能態(tài)不同，前者會通過γ衰變轉化為后者。（二）放射性衰變類型及規(guī)律衰變類型α衰變：重核釋放(^4_2He)核（α粒子），原子序數(shù)減少2，質量數(shù)減少4，如(^{238}U→^{234}Th+^4_2He)。β衰變：包括β?（釋放電子）、β?（釋放正電子）和電子俘獲（EC）。β?衰變使中子轉化為質子（(n→p+e^-+\bar{\nu})），原子序數(shù)增加1，如(^{14}C→^{14}N+e^-+\bar{\nu})；β?衰變則相反（(p→n+e^++\nu)），如(^{11}C→^{11}B+e^++\nu)。γ衰變：原子核從高能級躍遷到低能級時釋放γ光子，常伴隨α或β衰變發(fā)生，如(^{60}Co)衰變后釋放1.17MeV和1.33MeV的γ射線。衰變規(guī)律放射性衰變服從一級動力學方程：(N=N_0e^{-\lambdat})，其中(N_0)為初始原子數(shù)，(N)為t時刻原子數(shù)，λ為衰變常數(shù)（單位時間內衰變概率）。半衰期(t_{1/2}=\ln2/\lambda)，表示核素衰變一半所需時間，是核素的特征常數(shù)（如(^{14}C)的(t_{1/2}=5730)年，(^{90}Sr)為29年）。放射性活度(A=\lambdaN)，單位為貝可勒爾（Bq，1Bq=1次衰變/秒）或居里（Ci，1Ci=3.7×101?Bq）。（三）核反應與結合能核反應是原子核與粒子（如中子、質子）碰撞導致核組成或能量狀態(tài)改變的過程，表示為(A(a,b)B)，其中A為靶核，a為入射粒子，b為出射粒子，B為產物核。例如盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子的反應：(^{14}N(\alpha,p)^{17}O)。核結合能（B）是自由核子結合成原子核時釋放的能量，由質量虧損（Δm）計算：(B=\Deltamc^2)。比結合能（B/A）反映核穩(wěn)定性，中等質量核（如Fe）比結合能最大（約8.8MeV/核子），重核裂變或輕核聚變均可釋放能量。例如(^2H+^3H→^4He+n)的聚變反應，質量虧損Δm=0.01888u，釋放能量約17.6MeV。二、重要計算與應用實例（一）半衰期與放射性定年碳-14定年法：活體生物持續(xù)交換(^{14}C)，死亡后交換停止，(^{14}C)按半衰期衰變。若測得古生物殘骸的(^{14}C)活度為現(xiàn)代生物的1/8，則經歷了3個半衰期（(5730×3=17190)年）。計算示例：某考古樣品(^{14}C)活度為7.5Bq/g，現(xiàn)代碳活度為15Bq/g，求樣品年代。解：(N/N_0=A/A_0=7.5/15=0.5)，即經過1個半衰期，(t=5730)年。（二）放射性平衡與核素分離放射性平衡久期平衡：母體半衰期遠大于子體（如(^{238}U)→(^{226}Ra)，(t_{1/2,U}=4.47×10^9)年，(t_{1/2,Ra}=1600)年），平衡時母子體活度相等（(A_{母}=A_{子})）。暫時平衡：母體半衰期略大于子體（如(^{132}Te)→(^{132}I)），子體活度先增后減，最終與母體達到固定比例。載體與反載體技術放射化學分離中，利用“載體”（與放射性核素化學性質相似的穩(wěn)定同位素）提高回收率。例如用(Ba^{2+})作載體沉淀(Ra^{2+})（共沉淀法）；加入“反載體”（如(Ce^{3+})）可抑制雜質核素（如(^{144}Ce)）的共沉淀，提高分離純度。（三）核能與放射性應用核裂變與反應堆(^{235}U+n→^{92}Kr+^{141}Ba+3n)的裂變反應釋放約200MeV/核，鏈式反應需維持中子增殖系數(shù)k=1。壓水堆中，鈾燃料棒（富集度3%-5%）通過鎘控制棒調節(jié)中子通量，水作為慢化劑和冷卻劑。放射性同位素應用醫(yī)學：(^{131}I)治療甲狀腺癌（β?射線破壞癌細胞），(^{99m}Tc)用于腦血流顯像（γ射線穿透力強，半衰期6.02小時）。工業(yè)：(^{60}Co)γ射線探傷，(^{241}Am)煙霧探測器（α射線使空氣電離，煙霧干擾電離電流觸發(fā)報警）。農業(yè)：(^{32}P)示蹤研究植物磷肥吸收，γ射線誘變育種（如培育高產水稻）。三、競賽考點與易錯辨析（一）核化學方程式配平需滿足質量數(shù)和電荷數(shù)守恒。例如：(^{239}Pu→^{235}U+?)：質量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，產物為α粒子（(^4_2He)）。(^{27}Al(n,\alpha)?)：靶核(^{27}Al)俘獲中子，釋放α粒子，產物核質量數(shù)=27+1-4=24，電荷數(shù)=13+0-2=11，即(^{24}Na)。（二）衰變系列與天然放射系自然界存在三個天然衰變系列：鈾系（4n+2）：(^{238}U→...→^{206}Pb)（穩(wěn)定），共14步衰變。釷系（4n）：(^{232}Th→...→^{208}Pb)。錒系（4n+3）：(^{235}U→...→^{207}Pb)。人工合成的镎系（4n+1）以(^{237}Np)為母體，最終衰變至(^{209}Bi)。（三）常見誤區(qū)糾正混淆半衰期與活度：半衰期僅由核素本身性質決定，與溫度、壓力、化學狀態(tài)無關（如(^{238}U)在UO?和UF?中半衰期相同）。γ射線與X射線：γ射線來自核能級躍遷，X射線來自核外電子躍遷，能量通常γ射線更高（如(^{60}Co)γ射線能量>1MeV，醫(yī)用X射線約50-150keV）。核反應與化學反應：核反應涉及原子核變化，質量數(shù)可能改變；化學反應僅涉及核外電子重排，原子種類不變。四、拓展與前沿（一）超重元素合成通過重離子轟擊合成Z>100的元素，如(^{208}Pb(^{58}Fe,n)^{265}Hs)（?，Z=108）。穩(wěn)定島假說預測N=184、Z=114附近存在長壽命核素，目前(^{289}Fl)（Z=114）半衰期約2.6秒，支持該假說。（二）放射性廢物處理高放廢液（如乏燃料后處理產生）需經玻璃固化（硼硅酸鹽玻璃包容）或陶瓷固化（人造巖石基質），再地質處置（如瑞典KBS-3法，深埋500米花崗巖中）。分離-嬗變技術（如