Chapter 26 nuclear chemistry

Chapter 26 nuclear chemistry preface 元素及化合物化学chemistry of elements and compounds——由于核外电子状态的改变而引起的物质化学性质及物理性质的改变(与原子核atomic nucleus无关)。核化学nuclear chemistry——研究原子核的组成、性质、反应、分离以及产物鉴定和合成制备的一门化学chemistry of research composition, property，reaction, separation of atomic nucleus and appraisal and synthesize of the products. 回首页上一页下一页

Character ①元素质的变化； ②反应的能量大： 1克235U=2.4吨煤 1克Ra = 50万倍RaCl2的△H。 ③性质与状态无关 ④同位素性质差异大 H和T Section 1 nuclear reaction basic concept —、放射性和放射性同位素radioactivity and radioisotope 回首页上一页下一页

radioactivity——从原子核内部自发地放射出射线的性质。radioactivity——从原子核内部自发地放射出射线的性质。如 23892U 23490Th + 42He (α粒子)1986年贝克勒尔发现该反应。这个过程(自发地发生核结构的改变)称为核衰变or放射性衰变。 radioisotope——具有放射性的同位素。二、核反应的书写——注意两边质量数和原子序数的配平。三、artificial radioactivity and artificial isotope 1919年，卢瑟福进行的第一个核反应（人工核反应） 147N (靶核)+ 42He(炮弹) 178O + 11H (11P质子) 简写形式 147N (a,p) 178O 94Be(a，n) 126C 回首页上一页下一页

1932年查德威克 94Be + 42He 126C + 10n中子 (发现中子) 质子、中子核子，共同组成了原子核 1934年居里夫妇发现了一个意义非常重大的反应 2713Al + 42He 3015P + 10n 2713Al(a，n) 3015P 3015P 3014Si + 0+1e (正电子) 3015P称为人造同位素artificial isotope，它所具有的放射性则称为人工放射性artificial radioactivity。上述反应使现代核化学获得迅速发展，新的核反应和放射性同位素不断发现，现已知的1000多种放射性同位素中绝大多数是人工产生的。回首页上一页下一页

Section 2 natural radioactivity 2-1 nuclear stability proton, neutron核力atomic nucleus 那么原子核中的中子数和质子数是否可以任意比例呢？研究表明稳定的核内中子数和质子数之间有一定的比例。 N/P比例不当→不稳定的核→ 放射性 1、开始N/P =1时，核最稳定，当原子序数增大，质子间的吃斥力增大，必须引入较多的中子，故N/P↑(稳定带)。 2、最重的稳定核内N/P值约等于1.6，大于1.6时原子核就要发生自发裂变→放射性。回首页上一页下一页

3、Z≥84，原子核是不稳定的，有放射性(见周期表)，84Po、85At、86Rn、87Fr、88Ra、89~103锕系。3、Z≥84，原子核是不稳定的，有放射性(见周期表)，84Po、85At、86Rn、87Fr、88Ra、89~103锕系。 4、具有2、8、20、28、50、82、126个质子or中子的核通常比相邻的核要稳定些，上述这些数字称核幻数nuclear imaginary number。 5、原子核具有的质子数和中子数均为偶数时，稳定性较高，P926表①数目②半衰期。若质子数和中子数同时为双幻想数，则稳定性更高，如208Pb p=82 n=126 2-2 type of nuclear decay (change ofnuclearstructure) 一、α衰变decay，放出a射线ray——高速的氦原子核流 22286Rn 21884Po + 42He 回首页上一页下一页

二、β衰变decay，放出β射线ray——高速运动的电子流二、β衰变decay，放出β射线ray——高速运动的电子流其本质是核内的中子转化为质子10n 11P + 0-1e(β) 例如：146C(133:1) 147N(1:1) + 0-1e (中子较多) 14156Ba β 141 57La β 14158Ce β 14159Pr (中子过多) 1.52:1 1.47:1 1.43:1 1.39:1 质量数不变，质子加1 三、γ衰变decay，放出γ射线ray——高能量(短波长)的光子流γ，γ辐射是已知辐射中波长最短，穿透力最强的电磁辐射，它的发射不引起元素的改变，但表示损失能量，通常不写在核反应中。回首页上一页下一页

四、β+衰变decay (正电子衰变)，放出β+射线ray——高速运动的正电子流(e )，本质是核内质子转化为中子。 11P 10n + 0+1e （00γ）（质子过多）如：1910Ne 199F + 0+1e (00 γ) 质量数不变,质子数减1 116C 115B + 0+1e (00 γ) 五、电子俘获electronic capture参见教案本质上从K层俘获一个电子使质子成为中子 11P + 0-1e 10n电子少一个 4019K + 0-1e 4018Ar 质子少一个 1.105∶1 1.22∶1 中子多一个回首页上一页下一页

2-3 半衰期 half period 任何放射性原子核不会一下子全部衰变掉，而是呈现一定的规律。一、衰变定律和半衰期decay law and half period (岩石、古物的鉴定) 某样品有No个原子经时间t后，由于衰变只剩下N个，那么N与N0之间存在如下关系(衰变定律decay law) N = N0e 0.693t/τ =N0e–λt λ=0.693/τ衰变常数其中τ表示核元素衰变掉一半时所需的时间——半衰期half period，它是个特性常数，变核换得： t=3.32τlg (N0/N)（应用）例1 P930 回首页上一页下一页

二、位移规律 前面所介绍的几种放射类型中，除放射γ射线以外，其余几种都会引起元素在周期表中位置的移动——位移规律，现归纳如下：放射衰变类型质子数变化质量数变化位移规律 α -2 -4 左移二格 β +1 不变右移一格 γ 不变不变不移动正电子 -1 不变左移一格电子俘获 -1 不变左移一格回首页上一页下一页

三、放射性衰变系列(放射系decay series) 科学家们研究表明，所有地球上现有的天然放射性重元素(Z＞83)都是不稳定的，有些放射性核素是某些半衰期相当长的放射性核素相继经过α，β衰变期后的产物，在自然界有三个互不相关的放射系，每个系各有一个半衰期极长的始祖元素，后随着人工铀的合成，又发现一个镎系，共有钍、镎、铀、锕四个放射系。 ①在四个放射系中、Np、U、Ac 是相应放射系的主要成员，并具有最长的半衰期，故分别称之为钍、镎、铀、锕系。回首页上一页下一页

②衰变所产生的放射性元素渐渐稳定→稳定同位素，三个天然放射系→82Pb，人工镎→Bi。②衰变所产生的放射性元素渐渐稳定→稳定同位素，三个天然放射系→82Pb，人工镎→Bi。 ③都是经过α和β衰变。 ④各放射系内各核的质量数与4有如下关系钍(4n) 放射系镎(4n+1) 放射系铀(4n+2) 放射系锕(4n+3) 放射系回首页上一页下一页

Section 3 artificial nuclear reaction 3-1 人工核反应artificial nuclear reaction 一、人工核反应artificial nuclear reaction 人工核反应是指中子或其它原子核轰击靶核时发生核反应而产生新原子核，这种原子核由外因而引起核结构的变化——人工核反应。 1919年 147N (靶核)+ 42He(炮弹) 178O +11H (11P质子) 二、轰击粒子流（炮弹）通常用： 11P 、10n、21H（氘核D）、42He和B、C、W、O等小核。回首页上一页下一页

如 22688Ra 22286Rn + 42He 94Be + 42He 126C + 10n 三、回旋加速器cyclotron α粒子运动能量，天然为4~8百万ev（Mev），而经加速器加速后，可达24兆ev（240亿ev）。 42He 克服静电斥力 147N 均带正电荷，因此需给轰击粒子以很高的动能方法：使轰击粒子通过回旋加速器进行加速。四、加速器的轰击反应类型回首页上一页下一页

1、a-n反应（ a为轰击粒子—炮弹，n为产物粒子） 73Li + 42He 105B + 10n 缩写为73Li (a、n) 105B 2、a-p反应 2412Mg + 42He 2713Al + 11H 2412Mg(a、P) 2713 Al 3、p-a反应 105B + 11 P 74Be + 42He 105B(P、a) 74Be 4、p-n反应 136C + 11H 137N + 10n 136C(P、n) 137N 此外还有 a-D, P-γ, P-D, D-P, D-a, D-n 回首页上一页下一页

5、n-γ反应 11H + 10n 21H + γ 11H(n,γ) 21H 此外还有n-a,n-P的反应五、人工核反应的应用(93号以后元素的制备) 接受中子，变为质子。 3-2 combination energe of atomic nucleuses 质量quality 物质substance E = mc2 爱因斯坦质能公式能量energe 由相对论导出回首页上一页下一页

质量1Kg的任何物质都具有9×1813KJ的能量 在一般化学反应中，伴随能量变化的质量变化(亏损)太小，用现代测试手段测出来，那么在核反应中又如何呢？例 21H（D） 11H（P）+ 10n 实测 21H的摩尔质量 = 2.01355KJ·mol-1 实测中子加质子 = 2.01595 KJ·mol-1 质量变化△m = (2.01595-2.01355) KJ·mol-1 =0.00240 KJ·mol-1静止质量减小(质量亏换) 回首页上一页下一页

任何两个有相互吸收力的东西靠近的时候就要放出能量。若干个核子结合成原子核时, 也要放出能量, 这个能量叫核的生成能(负值)。由于核力很强, 所以核的生成能很大，核子结合成原子核时总的能量减少了。反过来说，原子核分解为其组成的质子和中子则需要能量(正值)，这个能量也称之为核的结合能，因此， D的结合能为216 KJ·mol-1。而每一个原子核的结合能则为 216GJ / 6.022×1023 =0.358×10-12J 而分子的键能约为200~40 KJ·mol-1，而核的结合能为216×106 KJ·mol-1，即原子核中使核子结合在起的能量要比分子中使原子结合在一起的能量大大一百万倍，因为在不同的核中核子数是不同的，为了便于比较，通常使用核子平均结合能 = 原子核的结合能 / 核子数回首页上一页下一页

例根据表24-3的数据可求Fe的核子中均结合能 5626Fe 2611P + 3010n △m = (56.44938-55.92066) = 0.52872g·mol-1 △E = 4750 GJ·mol-1=△mc2 （核的结合能） △H = -4750 GJ·mol-1（核生成能）核子的平均结合能 (4750GJ·mol-1) / (56×6.022×1023) = 1.41×10-12J 根据核的结合能或核生成能，可以判断核的稳定性： ①最稳定的核是质量数靠近60的核。（ 5626Fe） ②重核不稳定裂变二个差不多大小的裂块的中等核(放热)； ③轻核不稳定聚变一个重核(放热更多)。回首页上一页下一页

3-3 releasing of nuclear energe nuclear energe——核结构变化时所放出的能量(原子能)包括重核裂变和轻核聚变。 1Kg235U=2500吨左右优质煤，核聚变放出的能量比同质量核裂变大几倍。一、核裂变(参见图24-3) nuclear fission 14356Ba + 9036Kr + 310n 10n + 23592U 13752Fe + 9740Zr + 210n 13954Xe + 9538Sr + 210n 13553I + 9538Y + 410n 继续诱发铀的裂变链式裂变反应回首页上一页下一页

U 23892U(99.28%), 23592U(0.714%), 23492U(0.006%) ①分离 UF6扩散 23892U 所需中子＞1.1MeV 吃掉大量中子 23592U 所需中子〈1.1MeV ②中子能量为几十eV，对中子的吸收238U 》235U 中子能量为1 /40ev，对中子的吸收238U ~ 235U·(1 /190) 综合上述两上条件，可使235U裂变所产生的中子仍被235U所吸收，故也需要减速剂，临界体积（质量）。 ③除23592U之外，还能引发23892U和23993Pu裂变。回首页上一页下一页

23892U + 10n 23992U + 00 γ 23992U 23993Np + 0-1e 23993Np 23994 Pa + 0-1e 二、核聚变(参见P938) nuclear fusion 轻核(如4个氢核) 氦核放出26Mev能量 1、质子——质子循环 11H + 11H 21H + 0+1e + 00γ 21H + 11H 32He + 00 γ 32He + 32He 42He + 211H 回首页上一页下一页

2、族—氮循环 氢弹利用U or Pu在裂变时发生的爆炸所造成的极高温度(4千万度)，从而使内部的轻原子核发生剧烈而不可控制的聚变反应。热核反应控制发电 ①放出更多的能量；②无临界体积。氢弹爆炸的威力比原子弹大千百倍。回首页上一页下一页

Section 5 the discovery of new chemical elements 一、stability island 超重元素的“稳定岛” Z(质子数) 108— 114 —126 N(中子数) 176— 184 —190 原子序数为108、114、126可能更稳定一些，半衰期比较长二、 prospect of periodic table 原子序数←化学元素符号回首页上一页下一页

周期希气元素原子序数 1 He 2 2 Ne 10 3 Ar 18 4 Kr 36 5 Xe 54 6 Rn 86 7 118 8 168 9 218 差值 8 8 18 18 32 32 50 50 回首页上一页下一页

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