放射性与核化学.docx
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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
１、核衰变：
⑴、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：
Ⅰ、核衰变是非经外因而自发发生的核转变。
Ⅱ、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。
Ⅲ、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。
②、这种不稳定的原子核能自发地放射出射线的性质，称为放射性。
③、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α、β和γ射线，进行原子核的衰变。
⑵、核衰变的类型
1、α衰变：
指放射性核发射α射线变成另一种核的过程。
α射线就是带2个正电荷的氦核
（He2+）粒子流，记作42He或42α。
例如：
22688Ra→22286Rn+42He，22286Rn→21884Po+42He，
23892U→23490Th+42He。
α衰变是不稳定重核，自发放出4He核（α粒子）的过程。
一般认为，只有质量数大于209的核素才能发生α衰变，因此，209是构成一个稳定核的最大核子数。
2、β衰变：
指放射性核发射β射线变成另一种核的过程。
β射线就是高速的电子流，记作
0-1e或β-。
“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：
146C→147N+0-1e+00v；21083Bi→21084Po+0-1e+00v；※放射β-粒子，可以认为是原子核内中子转变为质子所放射出的，β-衰变基本上是中子过多的核所特有的。
中子衰变产生β-：
10n→11P+0-1e+00v；（中微子00v，质量比电子还小的中性粒子）
3、γ衰变：
由激发态原子核发射γ射线跃迁到低能态（或基态）的过程称为γ衰变。
γ射
线就是波长极短的电磁波（λ≈10-12m，高能光子，也称为电子波）。
例如：
6027Co→6027Co+γ。
需要指出，无论发生哪种类型的衰变，几乎都释放γ射线；γ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：
β-、β+和K俘获。
）
④、β+射线0+1β或0+1e
正电子作为电子的反物质β+，它的质量和电子相同，电荷也相同，只是符号相反，用符号β+或0+1β或0+1e表示。
v正电子β+放射性核素通常为富质子的核素（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（β+）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，116C→115B+0+1e+00v；1010Ne→109F+0+1e+00v；
β+衰变可看成是核内的质子转化为中子的过程：
11P→10n+0+1e+00v
v式中00v是中微子。
当β+粒子中和一个电子时，放出两个能量为0.51MeV的γ光子（这
种现象叫“湮没”）。
β++β-→2γ
⑤、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层俘获一个轨道电子，将核中的一个质子转化为一个中子和一个中微子：
11P+0-1e→10n+00v；
例如74Be+0-1e（K）→73Li+00v；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。
⑥、中子辐射10n
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。
8736Kr→8636Kr+10n+00v
⑶、放射性射线：
天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线。
①、α射线：
氦核（42He2+）粒子流，其速度约为光速的1/15～1/10，具有很强的电离作用，而穿透本领很小，0.1mm厚的铝箔即可阻止或吸收α-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。
②、β射线：
电子流，其速度是光速的30～90%，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β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α射线弱。
③、γ射线：
是波长约10-14～10-11m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200mm厚的铁或88mm厚的铅板，需要几厘米厚的铅板或1m厚的混凝土屏蔽，γ射线要求铅（铅玻璃）屏蔽。
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。
⑷、核衰变的特征
①、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。
②、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。
③、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。
④、同一种放射性核素发生的衰变形式可能不止一种。
例如4019K（占天然钾的0.012%），既可能发生正电子衰变，也可能发生β衰变和电子俘获。
２、原子核衰变的基本规律
⑴、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
α
-2
-4
左移2格
23892U→23490Th+42He
β
+1
不变
右移1格
23490Th→23491Pa+0-1e
γ
不变
不变
不移动
6027Co→6027Co+γ
β+
-1
不变
左移1格
116C→115B+01e
电子俘获
-1
不变
左移1格
74Be+0-1e→73Li
α衰变的通式为：
，例如
；
β衰变的通式为：
，例如
⑵、半衰期
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!
①、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=λN，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λ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，
，
，
，
通过数学运算得出衰变速率方程的数学表达式：
其指数形式为N=N0e-λt（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3.700×1010次衰变；
卢（瑟福）（rd），定义为每秒衰变1×106次，显然，1Ci=3.70×104rd
②、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。
，λ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。
③、平均寿命：
，知道了t1/2即不难计算出t平均。
⑶、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：
1g22688Ra在1s内的放射性衰变数），1居里（Ci）=3.7×1010次衰变/秒=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。
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：
⑴、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α放射和β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，又增加了一个镎系，此系的最后一种元素是原子序数为83的铋。
⑵、三个天然放射系的共同特点
①、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α衰变和β衰变，最后生成原子序数为82的铅的稳定的同位素。
②、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。
③、在衰变链（系列）中，都有气体氡的放射性同位素。
④、三个天然放射系列
Ⅰ、钍系
放射性核素
半衰期
母体23290Th
1.4×1010a
α
→
22888Ra
6.7a
β
→
22889Ac
6.13h
β
→
22890Th
1.9a
α
→
22488Ra
3.66d
钍系
↓α
20882Pb
稳定铅
↙α
21284Po
3×10-7s
↖β
66.3%
21283Bi
60.5min
↙α
21685At
0.3×10-3s
↖β
0.014%
21684Po
0.16s
α
←
22086Rn
55.6s
↖β
20881Tl
3.1min
↙α
33.7%
↖β
21282Pb
10.6h
↙α
～100%
Ⅱ、铀系
母体23892U
4.5×109a
α
→
23490Th
24.1d
β
→
23491Pa
6.75h
β
↘
铀系
23893Np
β
→
23894Pu
α
→
23492U
2.67×105a
α
→
23090Th
8×104a
↓α
21483Bi
19.7min
↓
↙α
21885At
2s
↖β
0.04%
21884Po3.05min
α
←
22286Rn
3.825d
α
←
22688Ra
1602a
↖β
21482Pb
26.8min
↙α
99.6%
↗β
99.96%
21484Po
1.6×10-4s
↘α
21082Pb
22.3a
β
→
21083Bi
5d
β
→
21084Po
138d
α
→
20682Pb稳定铅
↘α
0.04%
21081Tl
1.32min
↗β
Ⅲ、锕系
23892U+10n（慢）→23992U+γ，23992U→23993Np+0-1e，23993Np→23994Pu+0-1e，
23994Pu的半衰期2.44×104a；
23992U
23.5min
β
→
23993Np
2.35d
β
→
人工23994Pu
2.44×104a
α
→
母体23592U
8×108a
α
→
23190Th
25.5a
錒系
↓β
21986Rn
3.92s
α
←
22388Ra
11.435d
↙α
22790Th
18.6d
↖β
98.8%
22789Ac
21.7a
α
←
23191Pa
3.4×104a
↖β
22387Fr
21.8min
↙α
1.2%
↓α
21584Po
1.8×10-3s
α
→
21182Pb
36.1min
β
→
21183Bi
2.16min
↗β
99.68%
21184Po
5×10-3s
↘α
20782Pb
稳定铅
↘α
0.32%
20781Tl
4.67min
↗β
⑶、镎系24194Pu经过2次衰变→23793Np
23793Np→742He+40-1e+20983Bi，在衰变链中没有氡，镎系起始核，经过7次α衰变和4次β衰变，最终稳定核是20983Bi。
Np系与Th、U、Ac三系有明显的差别，它的最终产物为20983Bi而不是82Pb。
﹡钍系母体23290Th的半衰期1.4×1010a；铀系母体23892U的半衰期4.5×109a；锕系母体23592U的半衰期8×108a，1935年才知道23592U是锕系开端的天然放射性核素；镎系母体23793Np的半衰期2.2×106a，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。
23892U+10n→23792U+210n，23792U→23793Np+0-1e，23793Np的半衰期2.2×106a；
24194Pu
14.4a
β
→
24195Am
433a
α
↘
23792U
β
→
母体23793Np
2.2×106a
α
→
23391Pa
27.4d
β
→
23392U
1.62×105a
镎系
↓α
21785At
32.3×10-3s
α
←
22187Fr
4.8min
α
←
22589Ac
10.0d
β
←
22588Ra
14.8d
α
←
22990Th
7340a
↓α
21383Bi
47min
↗β
98%
21384Po4.2×10-6s
↘α
20982Pb
3.2h
β
→
20983Bi
2.7×1017a
稳定
↘α
2%
20981Tl
2.2min
↗β
2、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4019K和8737Rb等）以及不断由天然核反应生成的放射性元素（如31H和146C等）。
举例如下
核素
4019K
8737Rb
13755Cs
9038Sr
6027Co
31H
146C
3617Cl
…
丰度/%
0.0117
27.87
~10-18
…
衰变类型
β,K电子俘获,β+
β
β
β
β,γ
宇宙射线引起
…
半衰期
1.28×109a
4.8×1010a
30.23±0.16a
28.8a
5.271a
12.33a
5730a
3.0×105a
…
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。
⑴、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147N+42He→178O+11H
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
⑵、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。
①、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。
②、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。
③、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。
④、化学反应与化学键有关，核反应与化学键无关。
⑤、化学反应吸收和放出的能量大约为10～103kJ·mol-1，而核反应的能量变化在108～109kJ·mol-1。
⑥、在化学反应中，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。
⑶、核反应的类型
①、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。
②、按入射粒子的能量分：
低能（E＜100MeV）、中能（E→100MeV～1GeV）、高能（E＞1GeV）核反应。
③、按靶核质量分：
轻核（A<25）、中等核（2580）核反应。
⑷、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。
⑴、用于轰击的粒子：
α粒子、电子、质子、中子、光子、氘核或重粒子（质量＞α粒子）。
轰击粒子的能量：
低能核反应（E＜100MeV）、中能核反应（E=100～1000MeV）、高能
核反应（E＞1000MeV）。
2、举例
1、经带电粒子轰击而引起的核反应
Ⅰ、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4～8MeV，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：
23994Pu+42He→24296Cm（锔jú）+10n+Q（合成锔）
※-P反应：
10646Pd+42He→10947Ag+11H+Q
※-D反应：
3216S+42He→3417Cl+21H+Q
Ⅱ、用加速器加速的质子作轰击粒子
※P-反应：
105B+11H→74Be+42He+Q
※P-γ反应：
126C+11H→137N+γ+Q
※P-D反应：
94Be+11H→84Be+21H+Q
※P-n反应：
136C+11H→137N+10n+Q
Ⅲ、用加速器加速的氘核作轰击粒子
※D-P反应：
6329Cu+21H→6429Cu+11H+Q
※D-反应：
73Li+21H→52He+42He+Q
※D-n反应：
94Be+21H→105B+10n+Q；
合成钚：
23892U+21H→23893Np+210n+Q，23893Np→23894Pu+0-1e+Q；
Ⅳ、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5~10的超铀元素。
②、经俘获中子而引起的核反应
※n-γ反应：
11H+10n→21H+γ；2311Na+10n→2411Na+γ；（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，10n→11H+0-1e+00v）
合成镅：
23994Pu+210n→24194Pu+γ，24194Pu→24195Pu+0-1e+γ；
※n-P反应：
3517Cl+10n→3516S+11H+γ；147N+10n→146C+11H+Q；
※n-反应：
105B+10n→73Li+42He+Q；63Li+10n→31H+42He+Q；
③、经快中子轰击引起的核反应
※n-2n反应：
126C+10n→116C+210n+Q；
※n-P反应：
2713Al+10n→2712Mg+11H+Q；
※n-反应：
3416S+10n→3114Si+42He+Q；
※n-3n反应：
……
4、经高能光子（γ射线或X射线）照射而引起的核反应：
例如γ-n反应：
94Be+γ→84Be+10n；其他γ-P反应，γ-反应，γ-n，P反应；γ-2n反应，γ-，n反应……
⑶、人工核反应的意义
①、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，2713Al（靶核）+42He（轰击粒子）→3015P（产物）+10n（射出粒子）；
②、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dé（43Tc）、钷pǒ（61Pm）、钋pō（84Po）、砹ài（85At）、氡dōng（86Rn）、钫fāng（87Fr）、镭léi（88Ra）、锕ā（89Ac）、钍tǔ（90Th）、镤pú（91Pa）、铀yóu（92U）、镎ná（93Np）、钚bù（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méi（Am）及其以后的元素（包括超铀元素和锕系后元素）。
例如：
23994Pu+42He→24296Cm（锔jú）+10n（1944年）
24194Pu+168O→252108No（锘nuò）+510n（1958年）
20983Bi+5826Fe→266109Mt（钅麦）+10n（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
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