核化学简介学习教案

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1、会计学1核化学核化学(huxu)简介简介第一页，共36页。 1964 1964年年1010月月1616日日1515时时, ,中国中国(zhn (zhn u)u)在本国西部地区爆炸了一颗原子弹在本国西部地区爆炸了一颗原子弹.蘑菇云蘑菇云第1页/共35页第二页，共36页。本章教学要求3了解放射性碳了解放射性碳-14测定测定(cdng)年代法；年代法；2会正确书写会正确书写(shxi)核化学方程式；核化学方程式；1了解了解(lioji)有关放射性核素和放射性衰变有关放射性核素和放射性衰变的的 概念；概念；5简单了解人工核反应和超铀元素合成简单了解人工核反应和超铀元素合成 的基本内容。的基本内容。4了

2、解核能和核能利用的基本概念；了解核能和核能利用的基本概念；第2页/共35页第三页，共36页。18.1 放射性核素和放射性衰变放射性核素和放射性衰变(shuibin) Radioactive nuclide and radioactive decay18.2 核能核能(hnng)和核能和核能(hnng)利用利用 Nuclear energy and use of nuclear energy18.3 人工人工(rngng)核反应和超铀核反应和超铀元素的元素的 合成合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elemen

3、ts第3页/共35页第四页，共36页。18.1.1 放射性衰变放射性衰变(shuibin)和放射系和放射系Radioactive decay and radioactivity Series 18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性核化学方程、半衰期和放射性 活度活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity18.1.3 放射性碳放射性碳-14纪年纪年(jnin) Radiocarbon- 14 dating 18.1 放射性核素和放射性衰变放射性核素和放射性衰变(shuibin) Radioactive nuclide and

4、 radioactive decay第4页/共35页第五页，共36页。18.1.1 放射性衰变放射性衰变(shuibin)和和放射系放射系 放射性衰变放射性衰变(radioactive decay)(radioactive decay)是一种过程是一种过程(guchng), (guchng), 在这种过程在这种过程(guchng)(guchng)中中, , 原来的核素原来的核素( (母体母体) )或者变为另一种核素或者变为另一种核素( (子体子体), ), 或者进入另一种能量状态。或者进入另一种能量状态。第5页/共35页第六页，共36页。 辐射会使细胞的生长辐射会使细胞的生长-调节机制调节机制

5、(jzh)受到伤害，以白血细胞受到伤害，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。过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。第6页/共35页第七页，共36页。衰变衰变衰衰变变衰变衰变 核电荷数减少核电荷数减少2意味着子核在元素意味着子核在元素周期表中的位置左移周期表中的位置左移2格格, 叫作叫作衰变衰变(shuibin)的位移定则。的位移定则。衰变的位移定则衰变的位移定则(dn z)是，子核在元是，子核在元素周期表中的位置右移素周期表中的位置右移1格。格。 放射性衰变放射性衰变(shuibin)(shuibin) + （高能电子波高能电子波）*6027CoCo6027 +Ra2268

6、8Rn22288He)(4242 + （电子电子）Bi21083e0-1Po21084第7页/共35页第八页，共36页。 在自然界存在的放射性核素大多具有在自然界存在的放射性核素大多具有(jyu)(jyu)多代母子体多代母子体衰变关系。母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变衰变关系。母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素。生成稳定核素。 放射放射(fngsh)(fngsh)系系(radioactive (radioactive series) series) 铀铀 系系钍钍 系系锕锕 系系第8页/共35页第九页，共36页。18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性核化学方程、

7、半衰期和放射性 活度活度 1. 1. 核化学核化学(huxu)(huxu)方方程式程式 书写核化学方程式的规则：书写核化学方程式的规则：(a) (a) 方程式两端的质量数之和相方程式两端的质量数之和相等等(xingdng)(xingdng)；(b) (b) 方程式两端的原子序数之和相等方程式两端的原子序数之和相等(xingdng)(xingdng)。 2. 2. 半衰期半衰期 1 1个半衰个半衰期期2 2个半衰个半衰期期3 3个半衰个半衰期期4 4个半衰个半衰期期 放射性核素的衰变速率用放射性核素的衰变速率用半半衰期衰期(half-life) 表示表示, 符号为符号为t12。 例如例如, 锶锶

8、-90的衰变反应的衰变反应 的半衰期为的半衰期为29 a。Sr9038Y9039e0-1第9页/共35页第十页，共36页。Question 1Question 1Solution配平下列方程式配平下列方程式: :(a) + + ? + + ?(b) + ?+ ?(c)(c) + ?+ ?Cf25398n310I12253Xe12254Fe5926e0-1B105依据配平规则可知依据配平规则可知：( (a) + +a) + +(b)(b) + +(c)(c) + +n310Lw259103Cf25398e0-1I12253Xe12254Fe5926Co5927e0-1B105第10页/共35页第

9、十一页，共36页。 放射性核素的半衰期短至放射性核素的半衰期短至10-6 s, 长至长至1015 a。 衰变反应衰变反应半衰期的一个重要特征是半衰期的一个重要特征是, 它不受外界条件它不受外界条件(温度、压力温度、压力(yl)等等)的影响，也不受化合状态的影响。的影响，也不受化合状态的影响。 化学方法化学方法(fngf)(fngf)可以使有毒化学制剂分解为无毒物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种，但对放射性造成的毒性却无可奈何! ! 切尔诺贝利切尔诺贝利4 4号反应堆爆炸号反应堆爆炸灾 难 后 的 几 年灾 难 后 的 几 年内，乌克兰内，乌克兰0 01414岁

10、儿童中甲岁儿童中甲状 腺 癌 的 发 病状 腺 癌 的 发 病人数。人数。第11页/共35页第十二页，共36页。 3. 3. 放射性活度及其单位放射性活度及其单位(dnwi) (dnwi) 放射性活度放射性活度(activity)是通过实验是通过实验(shyn)观察得到的放射性物观察得到的放射性物质的衰变速率。质的衰变速率。SI单位单位: 为为Bq(贝可贝可)，1 Bq相当于每秒发生相当于每秒发生1次衰变。次衰变。旧单位：旧单位： Ci(居里居里) ，1 Ci 相当于每秒发生相当于每秒发生3.71010次衰次衰 变变(1 g 镭镭-226的衰变速率的衰变速率)。 1Ci = 3.71010 B

11、q 比活度：指样品比活度：指样品(yngpn)中某核素的放射性活度与样品中某核素的放射性活度与样品(yngpn)总总质量之质量之 比，单位为比，单位为Bqg-1或或mCig-1等。等。第12页/共35页第十三页，共36页。检测检测(jin c)放射放射性的方法性的方法盖革计数器盖革计数器(Geiger counter)是根据受辐射气是根据受辐射气体体(qt)发生电离而产生的离子和电子能传导发生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的。电流的原理设计的。每个被放大了的电脉冲每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数即代表一次放射性记数 第13页/共35页第十四页，共36页。18.1.3 放射性

12、碳放射性碳-14纪年纪年(jnin)方方 法法： 放射性碳放射性碳-14测定年代法测定年代法(radiocarbon-14 dating) 依依 据据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关 利利 比比 ： 获得获得1960年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖假假 定定 ： 大气中碳大气中碳-14与碳与碳-12的比值是恒定的的比值是恒定的 碳碳-14以以5730 a 的半的半衰期发生衰期发生(fshng)衰变衰变 +C146N147e01-第14页/共35页第十五页，共36页。Question 2Question 2 埃及一法老古墓发掘出来的木质埃及一法老古墓发掘出

13、来的木质(m zh)遗物样品中遗物样品中, 放射性碳放射性碳-14的比活度为的比活度为432 Bqg-1 即即 s-1(gC)-1, 而地球上活体植物组而地球上活体植物组织相应的比活度则为织相应的比活度则为756 Bqg-1，试计算该，试计算该古墓建造的年代。古墓建造的年代。Solution 衰变反应是衰变反应是: 根据一级反应的速率方程和半衰期公式根据一级反应的速率方程和半衰期公式: lnct( )= -kt lnc0( ) ， t1/2 = 0.693/k得得： k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.2110-4 a-1 t = ln756 Bqg-1/432

14、 Bqg-1/(1.2110-4 a-1) = 4630 a 即该古墓大约是公元前即该古墓大约是公元前26252625年建造的年建造的。 C146N147e0-1C146C146第15页/共35页第十六页，共36页。18.2 核能核能(hnng)和核能和核能(hnng)利利用用 Nuclear energy and use of nuclear energy 18.2.1 核素的平均核素的平均(pngjn)结合能结合能 Average binding energy of nuclide18.2.2 核裂变核裂变 Nuclear fission18.2.3 核聚变核聚变 Nuclear fusi

15、on第16页/共35页第十七页，共36页。18.2.1 核素的平均核素的平均(pngjn)结合能结合能 核子之间靠核力核子之间靠核力(nuclear force)结合成原子核，核力是核结合成原子核，核力是核子之间的短程强吸引力，作用子之间的短程强吸引力，作用(zuyng)范围为范围为2 fm (10-15 m) 。=0.002 389 3u减少的质减少的质量量 质量质量(zhling)亏亏损损(mass defect) 用用m表示表示 E = mc2 减少的能量即核的减少的能量即核的结合能结合能(nuclear binding energy), 符号用符号用EB 例如例如, 2H核的结合能为核

16、的结合能为:EB(2H) = mc2 = 931.5 MeVu-1 0.002 389 3 u 2.225 6 MeV第17页/共35页第十八页，共36页。 平均平均(pngjn)结合能结合能(average binding energy) 指核子结合为指核子结合为原子核时每个核子平均原子核时每个核子平均(pngjn)释放的能量释放的能量(结合能除以质量数）结合能除以质量数）。例如。例如 2H 核的值为核的值为1.112 8 MeV。 由于由于(yuy)重核重核裂变为较轻核和轻核裂变为较轻核和轻核聚变为较重核的过程聚变为较重核的过程都是放能反应都是放能反应, 这种这种趋势就奠定了核能利趋势就奠

17、定了核能利用的基础。用的基础。 第18页/共35页第十九页，共36页。Question 3Question 3Solutionm = 59.9529 + 1.00783 58.9332 2.01410 = 0.01343 (g mol-1) E =mc2 = 1.343 10-5 kg mol-1 (3.00 108 m s-1)2 =1.21 109 kJ mol-1 计算反应计算反应 + +的吸收发射能。的吸收发射能。 原子量原子量： =58.9332， =2.01410， =59.9529， =1.00783。Co6027H21H11Co5927H21H11Co6027Co5927第19

18、页/共35页第二十页，共36页。18.2.2 核裂变核裂变 核裂变核裂变(nuclear fission)是大核分裂为小核的过程是大核分裂为小核的过程. 普通普通(ptng)的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。 1. 铀铀-235的裂变的裂变(li bin)与与核武器核武器 发生发生(fshng)链反应链反应爆爆炸炸35种种元元素素的的200多种多种位素位素同同 2 3U23592n10Te13752Zr9740n10Kr9136U23592n10Ba14256n10第20页/共35页第二十一页，共36页。 足以维持足以维持(wich)(wic

19、h)链反应正常进行的裂变材料质量叫临界链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量质量(critical mass)(critical mass)。 铀铀-235 -235 的临界质量约为的临界质量约为 1 kg 1 kg，质，质量超过量超过1 kg 1 kg 则发生爆炸。则发生爆炸。 任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本(jbn)设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。第21页/共35页第二十二页，共36页。这是美国这是美国(mi u)对日本投掷的两颗原子对日本投掷的两颗原子弹弹疮疮满满目目痍痍全世界第一次知道全世界第一次知道(zh do)了什么是原子弹了什么是原子

20、弹！第22页/共35页第二十三页，共36页。 2. 核反应堆核反应堆(hfnyngdu) 通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数等于各种过程消耗(xioho)的中子数的中子数, 以形成所以形成所谓的自持链反应谓的自持链反应(self-sustaining chain reaction)。 第23页/共35页第二十四页，共36页。 前苏联于前苏联于1954建成世建成世界上第一座核电站；界上第一座核电站；至今已有至今已有30多个国家多个国家和地区的和地区的400多座核电多座核电站处在运行之中。站处在运行之中。 右

21、右图列出图列出1995年一些国年一些国家核电占各自家核电占各自(gz)总总电力的百分率。电力的百分率。 第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能的利用第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能的利用转向转向(zhunxing)(zhunxing)和平用途。和平用途。第24页/共35页第二十五页，共36页。安全安全(nqun)(nqun)方方面的担心面的担心 核废料处理核废料处理(chl) (chl) 核动力发电算得核动力发电算得(sun d)上一种清洁上一种清洁能源能源 第25页/共35页第二十六页，共36页。18.2.3 核聚变核聚变核聚变核聚变(nuclear fusion) (nuclea

22、r fusion) 由两个或多个轻核聚合形成由两个或多个轻核聚合形成(xngchng)(xngchng)较重核的过程。较重核的过程。热核武器热核武器(rh(rhwq) wq) 以聚变反应为基础的核武器以聚变反应为基础的核武器 氢弹就是利用装在其内部的氢弹就是利用装在其内部的一 个 小 型 铀 原 子 弹 爆 炸一 个 小 型 铀 原 子 弹 爆 炸(bozh)(bozh)产生的高温引爆的。产生的高温引爆的。 40 000 000 H31H21He42n10第26页/共35页第二十七页，共36页。18.3.1 人工人工(rngng)核反应核反应 Artificial nuclear reacti

23、on 18.3.2 超铀元素超铀元素(yun s)的合成的合成 Syntheses of transuranium elements18.3 人工核反应和超铀元素人工核反应和超铀元素(yun s)的的合成合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements第27页/共35页第二十八页，共36页。18.3.1 人工人工(rngng)核反应核反应 人工核反应是指原子核受中子、质子、人工核反应是指原子核受中子、质子、粒子、重粒粒子、重粒子子(例如原子核例如原子核 )等轰击而形成新核的等轰击而形成新核的核嬗变过程核嬗

24、变过程(nuclear transmutation) 。C126通式为通式为:式中式中X为靶核，为靶核，a为入射粒子，为入射粒子，Y为产物核，为产物核，b为出射粒子，为出射粒子，通常简写为通常简写为A1X(a,b)A3Y。XA1Z1aA2Z2YA3Z3bA4Z41919年卢瑟夫实现年卢瑟夫实现(shxin)了第一个核嬗了第一个核嬗变反应变反应: 42147NP+O11178第28页/共35页第二十九页，共36页。 人工核反应的实现人工核反应的实现, 使科学家在实验室合成已使科学家在实验室合成已知元素的新核素和新的化学元素成为知元素的新核素和新的化学元素成为(chngwi)可可能能 。185Hf

25、(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)和和137Gd(1999)。 我国科学家合成我国科学家合成(hchng)的的19种新核素：种新核素： 90Ru(1991)和和202Pt(1992) 分别分别(fnbi)由中国由中国原子能科学研究院（北京）和上海原子核研究所原子

26、能科学研究院（北京）和上海原子核研究所合成。合成。第29页/共35页第三十页，共36页。18.3.2 超铀元素超铀元素(yun s)的的合成合成第30页/共35页第三十一页，共36页。第一个第一个“超铀元素超铀元素(yun s)”（transuranium elements)的合成的合成1940年年1970年年2. 第一个第一个“超锕系元素超锕系元素”（transactinide elements)的合成的合成(hchng)合成的困难：合成的困难： 随着质子数越来越多，质子随着质子数越来越多，质子间的库仑引力间的库仑引力(ynl)越来越大，原子核也越越来越大，原子核也越来越不稳定。来越不稳定。

27、 + + +U23892n10U23992U23992Np2399310 + +4Cf24998N157Db260105n10第31页/共35页第三十二页，共36页。放射性的应用放射性的应用(yngyng)射线疗法射线疗法 射线疗法射线疗法(radiation therapy)是指用是指用高能射线治疗疾病的方法，它是人高能射线治疗疾病的方法，它是人类类(rnli)战胜癌症的一种重要武器战胜癌症的一种重要武器。32P60Co90Sr125I131I14.3 d5.26 a28.8 a60.25 d8.06 d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30 a74.2 d2.7 d3.82

28、 d1 622 a辐射辐射源源半衰期半衰期 辐射源辐射源 半衰半衰期期第32页/共35页第三十三页，共36页。 放射性示踪剂以某种化合物的形式给药放射性示踪剂以某种化合物的形式给药. .诊断是根据这些放射性化合诊断是根据这些放射性化合物进入物进入(jnr)(jnr)人体特定部位并在那些部位浓集的能力。人体特定部位并在那些部位浓集的能力。 131I59Fe32P99Tc23Na 8.1 d4 5 . 1 d1 4 . 3 d6.0 h14.8 h 甲状腺甲状腺红血细胞红血细胞眼眼, 肝肝, 瘤瘤心脏心脏, 骨骨,肝肝,肺肺循环系统循环系统辐射辐射源源半衰半衰期期检查部检查部位位第33页/共35页

29、第三十四页，共36页。放射性示踪剂用于研究化学放射性示踪剂用于研究化学反应机理和化合物的结构反应机理和化合物的结构 匈牙利化学匈牙利化学(huxu)家海维西（家海维西（G Hevesy）首次将放射性）首次将放射性示踪剂用于化学示踪剂用于化学(huxu)研究，获得了研究，获得了1943年诺贝尔化学年诺贝尔化学(huxu)奖。奖。 亚硫酸盐与硫磺亚硫酸盐与硫磺(lihung)生成硫代硫酸盐生成硫代硫酸盐. 产物产物S2O32-离子中的两个离子中的两个S原子是否处于同样的化学环境？原子是否处于同样的化学环境？3 H2O (l) + 32SO2 (g) + 35S (s)结果结果: 掺入的那个掺入的那

30、个S原原子子(35S)与与 离子中离子中的那个的那个S原子原子(32S)处于处于不同的化学环境。不同的化学环境。23SO 35S (s) + 32 (aq) 35S32 (aq) + 2 H3O+ (aq)23SO23SO第34页/共35页第三十五页，共36页。NoImage内容(nirng)总结会计学。4了解核能和核能利用的基本概念。母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素。放射性核素的衰变速率用半衰期(half-life) 表示, 符号为t12。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。比活度：指样品(yngpn)中某核素的放射性活度与样品(yngpn)总质量之。碳-14以5730 a 的半衰期发生衰变第三十六页，共36页。