放射性与核化学.docx

1、放射性与核化学放射性与核化学王振山 核反应有些是天然发生的，有些是人工诱发的。原子核反应通常分为四类：即核衰变、粒子轰击、裂变和聚变。一、核衰变及其基本规律、核衰变： 、放射性、放射性衰变、放射性同位素1 核衰变：不稳定的原子核自发地放射出某种粒子后变成另一种原子核或能量较低的核，这种过程（现象）称为核衰变，或称为放射性衰变。要点：、核衰变是非经外因而自发发生的核转变。、放射性衰变是一种过程, 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。、放射性衰变要遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒。、这种不稳定的原子核能自发地放射出射线的性质，

2、称为放射性。、具有放射性的同位素叫做放射性同位素。迄今为止发现的2000多种核素中，绝大多数都不稳定，会自发地蜕变为另一种核素，同时放出各种射线。天然放射性同位素共有64种。原子序数83的元素，有的具有放射性；原子序数83(铋Bi)的所有天然存在的元素，它们的原子核都是不稳定的，会自发的从原子核中放射出、和射线，进行原子核的衰变。 、核衰变的类型1、 衰变：指放射性核发射射线变成另一种核的过程。射线就是带2个正电荷的氦核(He2+)粒子流，记作4 2He或4 2。例如：226 88Ra 222 86Rn + 4 2He，222 86Rn 218 84Po + 4 2He，238 92U 234

3、 90Th + 4 2He。衰变是不稳定重核，自发放出4He核（粒子）的过程。一般认为，只有质量数大于209的核素才能发生衰变，因此，209是构成一个稳定核的最大核子数。 2、 衰变：指放射性核发射射线变成另一种核的过程。射线就是高速的电子流，记作0 -1e或-。“0”意味着电子的质量与核相比是很小的，可以忽略不计，“-1”表示粒子带负电荷与质子相反。例如：14 6C 14 7N + 0 -1e+ 0 0v；210 83Bi 210 84Po + 0 -1e + 0 0v；放射-粒子，可以认为是原子核内中子转变为质子所放射出的，-衰变基本上是中子过多的核所特有的。中子衰变产生-：1 0n 1

4、1P + 0 -1e + 0 0v；（中微子0 0v，质量比电子还小的中性粒子）3、 衰变：由激发态原子核发射射线跃迁到低能态（或基态）的过程称为衰变。射线就是波长极短的电磁波（10-12m，高能光子，也称为电子波）。例如：60 27Co 60 27Co+。需要指出，无论发生哪种类型的衰变，几乎都释放射线；衰变在核反应中通常都不写出。以上是最常见的核衰变类型，此外还有正电子衰变、电子俘获等。（ 衰变的三种类型：-、+和K俘获。）、+射线0 +1或0 +1e正电子作为电子的反物质+，它的质量和电子相同，电荷也相同，只是符号相反，用符号+或0 +1或0 +1e表示。v 正电子+放射性核素通常为富质

5、子的核素（质子过多、中子不足的核）所特有的，一般是元素最轻的同位素。通常正电子（+）衰变都发生于人工放射性核素。它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子：例如，11 6C 11 5B + 0 +1e+ 0 0v；10 10Ne 10 9F + 0 +1e+ 0 0v；+衰变可看成是核内的质子转化为中子的过程： 1 1P 1 0n + 0 +1e + 0 0vv 式中0 0v是中微子。当+粒子中和一个电子时，放出两个能量为0.51 MeV的光子(这种现象叫“湮没”)。+ + - 2、K电子俘获：K电子俘获是中子不足的同位素所特有的。人工富质子核可以从核外K层俘获一个轨

6、道电子，将核中的一个质子转化为一个中子和一个中微子：1 1P +0 -1e1 0n+0 0v；例如7 4Be + 0 -1e(K) 7 3Li + 0 0v；在K电子俘获的同时还会伴随有特征的X-射线的放出，这是由于处于较高能级的电子跳回K层，补充空缺所造成的。、中子辐射1 0n具有高中子数的核都可能发生中子衰变，然而，由于核内中子的结合能较高，所以中子衰变较为稀少。 87 36Kr 86 36Kr + 1 0n + 0 0v 、放射性射线：天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线。、射线：氦核（4 2He2+）粒子流，其速度约为光速的1/151/10，具有很强的电离作用，而穿透本领很小，0.1

7、 mm厚的铝箔即可阻止或吸收-射线。例如，在室温下、在空气中，行程不超过10cm，一张纸便能挡住；只要戴上橡皮手套就可以防护。然而在射程内有极强的电离作用。、射线：电子流，其速度是光速的3090%，电离作用较弱，而穿透本领较强。例如，在空气中能飞行上百米，用几毫米厚的铝片能挡住，特别是高能量的射线需要用有机玻璃屏蔽，其贯穿本领大约是 射线的100倍。电离作用比射线弱。、射线：是波长约10-1410-11m的电磁波，电离作用最弱，而穿透能力最强，其波长越短、穿透能力越强。其速度等于光速，可透过200 mm厚的铁或88 mm厚的铅板，需要几厘米厚的铅板或1m厚的混凝土屏蔽，射线要求铅（铅玻璃）屏蔽

8、。辐射造成的生物效应：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。放射性现象的研究是获悉原子核内部状况的重要途径之一。、核衰变的特征、核反应与化学反应不同，往往导致一种元素变成另一种元素，而且伴随的能量效应比化学反应大得多。一切放射性元素都能自发地放热。、同种元素的同位素化学性质相同，但不同质量数的同位素的核反应可以不同。、核衰变属于放射性核(不稳定的核)的特征性质，与其化学状态(天然矿物、提取出来的单质或化合物)无关，在一般情况下，也与外界条件(温度、压力、电磁场等)和化学作用无关。、同一种放射性核素发生的衰变形式可能不止一种。例如40 19K（

9、占天然钾的0.012%），既可能发生正电子衰变，也可能发生衰变和电子俘获。、原子核衰变的基本规律、位移定则衰变类型核电荷数变化质量数变化位移规律举例-2-4左移2格238 92U234 90Th+4 2He+1不变右移1格234 90Th234 91Pa+0 -1e不变不变不移动60 27Co 60 27Co+-1不变左移1格11 6C11 5B+0 1e电子俘获-1不变左移1格7 4Be+0 -1e7 3Li衰变的通式为：，例如；衰变的通式为：，例如、半衰期放射性核素的半衰期短至10-6 s, 长至1015 a。 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

10、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! 、放射性衰变定律：原子核是一个量子体系，核衰变是原子核自发产生的变化，是一个量子跃迁的过程。核衰变服从量子力学的统计规律。单一的一个放射性核素的衰变的精确时刻是不可预知的，但足够多的同种放射性核素的集合体的衰变是有规律的。所有的衰变反应都是一级反应，因为衰变不依赖核外的任何因素。，放射性衰变速率方程：v=N，意即衰变速率与样品中放射性原子核的数目N成正比。式中的称为衰变常数（即衰变速率常数），代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，其值的大小表示放射性核素衰变的快慢程度。整理方程有， 通过数学运算得出

11、衰变速率方程的数学表达式： 其指数形式为N=N0e-t(此式是一统计规律)或，这就是放射性衰变定律。式中e代表一个无理数2.7182818，N表示t时刻尚未衰变的（即剩余的）放射性原子核的数目，N0表示t=0时放射性原子核的数目。使用两套单位来计量衰变的速率：居(里)(Ci)，定义为一个放射源每秒发生3.7001010次衰变；卢(瑟福)(rd)，定义为每秒衰变1106次，显然，1 Ci=3.70104 rd、半衰期：指某一衰变过程中，放射性核的数目减少到原来数目的一半所需的时间。，值越大，即放射性越强，则t1/2越短。可以得到一个很有用的计算式：。放射性核素的特征量：衰变常数、半衰期和平均寿命

12、。、平均寿命：，知道了t1/2即不难计算出t平均。 、放射性活度：A：放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数。(A也称“放射性强度”，或“放射率”、“衰变率”)注意：只描述放射源每秒发生核衰变的次数，并不表示放射出的粒子数。单位：国际单位制中，放射性活度的单位为“贝克勒尔”，记作“Bq”，1Bq=1次衰变/秒居里(旧单位；早期定义：1g 226 88Ra在1s内的放射性衰变数)，1居里(Ci)=3.71010次衰变/秒=3.71010Bq。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Bqg-1或mCig-1等。 检测放射性的方法：盖革计数器是根据受辐射气体发生电离而产生的离子和

13、电子能传导电流的原理设计的。二、放射系（放射性衰变系列）1、四个放射系：、四个放射系：重放射性系元素都是由某种最原始的原子经衰变而形成的。这样，每个最原始的原子和它所产生的各代子体直到最后稳定的一代为止，组成一个放射系（放射性衰变系列）。重放射性元素可以分为四个放射系。1、 天然放射系：放射性元素钍、铀和錒存在于自然界并分别属于三个不同的放射系。它们是相应放射系的主要成员并具有最长的半衰期。它们经过一系列的放射和放射进行衰变，所产生的放射性元素逐渐趋于稳定，最后得到稳定同位素。三个系的最后一种元素都是原子序数为82的铅。2、 人工放射系：人工放射性的合成发展以后，随着超铀元素的发现，又增加了一

14、个镎系，此系的最后一种元素是原子序数为83的铋。、三个天然放射系的共同特点、其中Th、U和Ac是三个系列中半衰期最长的成员。它们都经过多次衰变和衰变，最后生成原子序数为82的铅的稳定的同位素。、系与系间没有交错，即一个序列的核不能衰变为另一序列的核。、在衰变链（系列）中，都有气体氡的放射性同位素。、三个天然放射系列、钍系放射性核素半衰期母体232 90Th1.41010a228 88Ra6.7a228 89Ac6.13h228 90Th1.9a224 88Ra3.66d钍 系208 82Pb稳定铅212 84Po 310-7s66.3%212 83Bi60.5min216 85At0.310-

15、3s0.014%216 84Po0.16s220 86Rn55.6s208 81Tl3.1min33.7%212 82Pb10.6h100%、铀系母体238 92U4.5109a234 90Th24.1d234 91Pa6.75h铀 系238 93Np238 94Pu234 92U2.67105a230 90Th8104a214 83Bi19.7min218 85At2s0.04%218 84Po 3.05min222 86Rn3.825d226 88Ra1602a214 82Pb26.8min99.6%99.96%214 84Po1.610-4s210 82Pb22.3a210 83Bi5d

16、210 84Po138d206 82Pb稳定铅0.04%210 81Tl1.32min、锕系238 92U+1 0n(慢)239 92U+ ，239 92U 239 93Np +0 -1e，239 93Np 239 94Pu +0 -1e， 239 94Pu的半衰期2.44104a；239 92U23.5min239 93Np2.35d人工239 94Pu2.44104a 母体235 92U8108a231 90Th25.5a 錒 系219 86Rn3.92s223 88Ra11.435d227 90Th18.6d98.8%227 89Ac21.7a231 91Pa3.4104a223 87F

17、r21.8min1.2%215 84Po1.810-3s211 82Pb36.1min211 83Bi2.16min99.68%211 84Po510-3s207 82Pb稳定铅0.32%207 81Tl4.67min、镎系 241 94Pu 经过2次衰变 237 93Np237 93Np74 2He+40 -1e+209 83Bi，在衰变链中没有氡，镎系起始核，经过7次衰变和4次衰变，最终稳定核是209 83Bi。Np系与Th、U、Ac三系有明显的差别，它的最终产物为209 83Bi而不是82Pb。钍系母体232 90Th的半衰期1.41010a；铀系母体238 92U的半衰期4.5109a

18、；锕系母体235 92U的半衰期8108a，1935年才知道235 92U是锕系开端的天然放射性核素；镎系母体237 93Np的半衰期2.2106a，比地球的年龄小三个数量级，所以地壳中只有极微量的镎存在。238 92U + 1 0n 237 92U + 21 0n，237 92U 237 93Np +0 -1e，237 93Np的半衰期2.2106a；241 94Pu14.4a241 95Am433a237 92U母体237 93Np2.2106a233 91Pa27.4d233 92U1.62105a 镎 系217 85At32.310-3s221 87Fr4.8min225 89Ac10

19、.0d225 88Ra14.8d229 90Th7340a213 83Bi47min98%213 84Po 4.210-6s209 82Pb3.2h209 83Bi2.71017a稳定2%209 81Tl2.2min2、其他天然放射性核素：在自然界中还存在一些不属于天然放射性而半衰期很长的放射性元素（如40 19K和87 37Rb等）以及不断由天然核反应生成的放射性元素（如3 1H和14 6C等）。举例如下核素40 19K87 37Rb137 55Cs90 38Sr60 27Co3 1H14 6C36 17Cl丰度/%0.011727.8710-18衰变类型,K电子俘获, +, 宇宙射线引起半

20、衰期1.28109a4.81010a30.230.16a28.8a5.271a12.33a5730a3.0105a三、核反应1、什么是核反应：就是由具有一定能量的粒子轰击靶原子核，形成另一种核或不同能量状态的过程。这种过程是非自发的，核转变是受外因诱发而引起的。原子核反应：用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。、核反应中的守恒定律电荷数守恒：反应前后总电荷数不变，例如14 7N + 4 2He17 8O + 1 1H质量数守恒：反应前后总质量数不变质量守恒：反应前后粒子的运动质量的总和不变（指相对论性的质量保持不变）。当然，一般地说它们的静止质量不守恒，核

21、反应前后静止质量的差别正反映着核结合能的变化。能量守恒：反应前后粒子的总能量E=mc2=Ek+m0c2是守恒的动量守恒：即反应前后体系的总动量守恒、核反应与化学反应的区别：原子核通过自发衰变或人工轰击而进行的核反应与化学反应有根本的不同。、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。、化学反应不产生新的元素，但在核反应中，一种元素变为另一种元素。、化学反应中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。、化学反应与化学键有关，核反应与化学键无关。、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。、在化学反应中

22、，反应前后物质的总质量不变，但在核反应中会发生质量亏损。 、核反应的类型、按入射粒子的类型分：( 粒子、质子、中子、氘核、光子)引起的核反应。 、按入射粒子的能量分：低能(E100MeV)、中能(E100MeV1GeV)、高能(E1GeV)核反应。、按靶核质量分：轻核(A25)、中等核(25A80)核反应。、核化学方程式：书写核化学方程式的规则：(a) 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。 核反应的一般表示或A(a,b)B，式中a为入射粒子、A为靶核、b为出射粒子、B为剩余核。2、人工核反应：用人工方法进行的非自发的核反应。、用于轰击的粒子：粒子、电子、质子、中子

23、、光子、氘核或重粒子（质量粒子）。轰击粒子的能量：低能核反应（E100MeV）、中能核反应（E=1001000MeV）、高能核反应（E1000MeV）。2、 举例1、 经带电粒子轰击而引起的核反应、用加速器加速的氦核作轰击粒子天然放射性物质的 射线的能量不高，一般只有48MeV，用它来轰击原子序数较大的核，并不能产生核反应，因为核带正电荷， 粒子也带正电荷。 -n反应：239 94Pu+4 2He242 96Cm(锔j)+ 1 0n + Q（合成锔） -P反应：106 46Pd+4 2He109 47Ag + 1 1H + Q -D反应：32 16S+4 2He34 17Cl + 2 1H +

24、 Q、用加速器加速的质子作轰击粒子P- 反应：10 5B+ 1 1H7 4Be + 4 2He + QP-反应：12 6C+ 1 1H13 7N + + QP-D反应：9 4Be+ 1 1H8 4Be + 2 1H + QP-n反应：13 6C+ 1 1H13 7N + 1 0n + Q、用加速器加速的氘核作轰击粒子 D-P反应：63 29Cu+ 2 1H64 29Cu +1 1H + Q D- 反应：7 3Li+ 2 1H5 2He +4 2He + Q D-n反应：9 4Be+ 2 1H10 5B + 1 0n + Q；合成钚：238 92U+ 2 1H238 93Np + 21 0n +

25、 Q，238 93Np 238 94Pu + 0 -1e + Q；、用加速器加速的“重”离子（如硼到氖的重离子）作轰击粒子的核反应，可以合成原子序数比起始元素高510的超铀元素。、经俘获中子而引起的核反应n-反应：1 1H + 1 0n 2 1H + ；23 11Na + 1 0n 24 11Na + ；（中子单独存在时不稳定，经过平均寿命约702s后，就衰变为质子和电子，同时放出一个中微子，1 0n 1 1H + 0 -1e + 0 0v）合成镅：239 94Pu+21 0n241 94Pu + ，241 94Pu 241 95Pu + 0 -1e + ； n-P反应：35 17Cl + 1

26、 0n 35 16S + 1 1H + ；14 7N + 1 0n 14 6C + 1 1H + Q；n- 反应：10 5B+ 1 0n 7 3Li + 4 2He + Q；6 3Li+ 1 0n 3 1H+ 4 2He + Q；、经快中子轰击引起的核反应 n-2n反应：12 6C + 1 0n 11 6C + 21 0n + Q； n-P反应：27 13Al + 1 0n 27 12Mg + 1 1H + Q； n- 反应：34 16S + 1 0n 31 14Si + 4 2He + Q； n-3n反应：4、 经高能光子（射线或X射线）照射而引起的核反应：例如 -n反应：9 4Be + 8

27、 4Be + 1 0n；其他-P反应，- 反应，-n，P反应；-2n反应，- ，n反应、人工核反应的意义、获得众多人造同位素人造同位素就是自然界没有的放射性核素。例如，27 13Al（靶核）+4 2He（轰击粒子）30 15P（产物）+1 0n（射出粒子）；、获得许多人工放射性元素 放射性元素是指那些没有稳定同位素存在的元素。 天然放射性元素，指在自然界中存在且它们的同位素都是放射性核素的元素。目前已知的共有13种，即锝d（43Tc）、钷p(61Pm)、钋p（84Po）、砹i（85At）、氡dng（86Rn）、钫fng（87Fr）、镭li（88Ra）、锕（89Ac）、钍t（90Th）、镤p（91Pa）、铀yu（92U）、镎n（93Np）、钚b（94Pu）。 人工放射性元素，指在自然界不存在，只能用人工方法获得的放射性元素。95号镅mi（Am）及其以后的元素（包括超铀元素和锕系后元素）。例如：239 94Pu+4 2He242 96Cm（锔j）+1 0n （1944年）241 94Pu+16 8O252 108No（锘nu）+51 0n （1958年）209 83Bi+58 26Fe266 109Mt（钅麦）+1 0n （1982年）四、核能的释放一般排在周期表最前面的轻核，质子和中子数相