核化学概念、应用及安全.ppt
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1、核化学概念、应用及安全核化学概念、应用及安全Basicnuclearchemistry,applications&safety梁继东梁继东电话:电话:82663933E-mail: 19641964年年1010月月1616日日1515时时,中国在本国西部中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹地区爆炸了一颗原子弹.蘑菇云蘑菇云1核化学的基本概念核化学的基本概念核化学(核化学(nuclearChemistry):研究原):研究原子核(稳定性和放射性)反应、性质、子核(稳定性和放射性)反应、性质、结构、分离、鉴定及其应用的一门学科。结构、分离、鉴定及其应用的一门学科。核子(核子(nucleon):指组成
2、原子核的基本):指组成原子核的基本粒子,如质子和中子都是核子。粒子,如质子和中子都是核子。核素(核素(核素(核素(nuclidenuclide):具有确定电荷数(质子数,):具有确定电荷数(质子数,):具有确定电荷数(质子数,):具有确定电荷数(质子数,即原子序数)即原子序数)即原子序数)即原子序数)Z Z和中子数和中子数和中子数和中子数N N的原子核所对应的原的原子核所对应的原的原子核所对应的原的原子核所对应的原子。子。子。子。例如天然存在的铀元素由三种核素组成,他们例如天然存在的铀元素由三种核素组成,他们例如天然存在的铀元素由三种核素组成,他们例如天然存在的铀元素由三种核素组成,他们的的的
3、的Z Z都是都是都是都是9292,而中子数,而中子数,而中子数,而中子数N N分别为分别为分别为分别为234234,235235和和和和238238,他们互称同位素,化学性质相同而核性质不,他们互称同位素,化学性质相同而核性质不,他们互称同位素,化学性质相同而核性质不,他们互称同位素,化学性质相同而核性质不同。同。同。同。放射性(放射性(放射性(放射性(radioactivityradioactivity):不稳定原子核自发):不稳定原子核自发):不稳定原子核自发):不稳定原子核自发放射出放射出放射出放射出、和和和和 射线的现象。射线的现象。射线的现象。射线的现象。放射性衰变(放射性衰变(放射
4、性衰变(放射性衰变(radioactivedecayradioactivedecay):指由原来):指由原来):指由原来):指由原来的核素(母体)或者变为另一种核素(子体)的核素(母体)或者变为另一种核素(子体)的核素(母体)或者变为另一种核素(子体)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的过程。,或者进入另一种能量状态的过程。,或者进入另一种能量状态的过程。,或者进入另一种能量状态的过程。根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方式分为式分为式分为式分为 衰
5、变、衰变、衰变、衰变、衰变、衰变、衰变、衰变、衰变,分别放射出衰变,分别放射出衰变,分别放射出衰变,分别放射出 射线、射线、射线、射线、射线、射线、射线、射线、射线。射线。射线。射线。放射系(放射系(放射系(放射系(radioactiveseriesradioactiveseries):自然界存在的):自然界存在的):自然界存在的):自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变过程。放射性核素大多具有多代母子体衰变过程。放射性核素大多具有多代母子体衰变过程。放射性核素大多具有多代母子体衰变过程。它们经过多代子体放射性核素最后衰变生成它们经过多代子体放射性核素最后衰变生成它们经过多代子体放射性核
6、素最后衰变生成它们经过多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素,这一过程中发生的一系列核反应,稳定核素,这一过程中发生的一系列核反应,稳定核素,这一过程中发生的一系列核反应,稳定核素,这一过程中发生的一系列核反应,被称之为放射系。被称之为放射系。被称之为放射系。被称之为放射系。核化学方程式核化学方程式用于表示核变化过程的方程式,只是不用于表示核变化过程的方程式,只是不用表明核素的状态。书写时要特别遵守用表明核素的状态。书写时要特别遵守两条规则:两条规则:方程式两端的质量数之和方程式两端的质量数之和相等;相等;方程式两端的原子序数之和相方程式两端的原子序数之和相等;例如:等;例如:放射性活度(放射
7、性活度(activity)通过实验观察得到的放射性物质的衰变通过实验观察得到的放射性物质的衰变速度。速度。核力(核力(nuclearforce):核子之间特有):核子之间特有的相互作用力,强度大,力程短,作用的相互作用力,强度大,力程短,作用范围在范围在2fm。质量亏损(质量亏损(massdefect):原子核的质):原子核的质量小于它所含有的各核子独立存在时的量小于它所含有的各核子独立存在时的总质量,这两者的差额称为质量亏损,总质量,这两者的差额称为质量亏损,用用m表示,说明当核子集合成原子核表示,说明当核子集合成原子核时要放射出结合能。它的数值越大原子时要放射出结合能。它的数值越大原子核就
8、越稳定。核就越稳定。核的结合能(核的结合能(核的结合能(核的结合能(nuclearbindingenergynuclearbindingenergy):由):由):由):由核子结合成原子核时质量减少了核子结合成原子核时质量减少了核子结合成原子核时质量减少了核子结合成原子核时质量减少了mm,根据爱,根据爱,根据爱,根据爱因斯坦的质能关系式(因斯坦的质能关系式(因斯坦的质能关系式(因斯坦的质能关系式(EE=mc=mc2 2),其能量应该其能量应该其能量应该其能量应该相应地减少,减少的能量即核的结合能,符相应地减少,减少的能量即核的结合能,符相应地减少,减少的能量即核的结合能,符相应地减少,减少的能
9、量即核的结合能,符号用号用号用号用EB.EB.例如,例如,例如,例如,2H2H核的结合能为:核的结合能为:核的结合能为:核的结合能为:EBEB(2H2H)=mc=mc2 2=931.5MeVu=931.5MeVu-1-10.00238930.0023893u2.2256u2.2256MeVMeV核裂变核裂变核裂变核裂变(nuclearfission):(nuclearfission):指大核分裂成为小核的指大核分裂成为小核的指大核分裂成为小核的指大核分裂成为小核的过程。普通的核武器和核电站都依赖于裂变过过程。普通的核武器和核电站都依赖于裂变过过程。普通的核武器和核电站都依赖于裂变过过程。普通的
10、核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。程产生的能量。程产生的能量。程产生的能量。核反应堆核反应堆核反应堆核反应堆(nuclearreactor)(nuclearreactor):指通过受控核裂变:指通过受控核裂变:指通过受控核裂变:指通过受控核裂变反应获得核能的一种装置。使裂变链反应持续反应获得核能的一种装置。使裂变链反应持续反应获得核能的一种装置。使裂变链反应持续反应获得核能的一种装置。使裂变链反应持续和可控进行的关键在于控制中子的数目,使裂和可控进行的关键在于控制中子的数目,使裂和可控进行的关键在于控制中子的数目,使裂和可控进行的关键在于控制中子的数目,使裂变产生的中子数等于各种过程消
11、耗的中子数,变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,便形成所谓的自持链反应。便形成所谓的自持链反应。便形成所谓的自持链反应。便形成所谓的自持链反应。核聚变(核聚变(nuclearfusion):有两个或多有两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。轻核聚个轻核聚合形成较重核的过程。轻核聚变时释放的能量比重核裂变释放的能量变时释放的能量比重核裂变释放的能量大得多。大得多。热核反应(热核反应(thermonuclearreaction):):在极高的温度下轻原子核聚变的过程。在极高的温度下轻原子核聚变的过程。当温度足够高时,
12、聚变过程能够持续进当温度足够高时,聚变过程能够持续进行,并放出巨大能量。行,并放出巨大能量。如氚和氘实现自持热核反应需要如氚和氘实现自持热核反应需要5千万千万度以上的高温,而氘和氘则需几亿度。度以上的高温,而氘和氘则需几亿度。目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆炸,可控的热核反应尚未实现。炸,可控的热核反应尚未实现。2核化学反应及应用核化学反应及应用2.1核衰变及应用核衰变及应用(1)核衰变)核衰变a.衰变、衰变、衰变、衰变、衰变衰变放射性同位素(放射性同位素(Radioisotopes)的原子)的原子核很不稳定,会不间断地、自发地放射核很不稳定,会不间断地、自
13、发地放射出射线,直至变成另一种稳定同位素,出射线,直至变成另一种稳定同位素,这就是所谓这就是所谓“核衰变核衰变”。放放 射射 性性 衰衰 变变(radioactive decay)是是一一种种过过程程,在在这这种种过过程程中中,原原来来的的核核素素(母母体体)或或者者变变为为另另一一种种核核素素(子子体体),或或者者进进入入另一种能量状态。另一种能量状态。衰变衰变衰变衰变衰变衰变核核电电荷荷数数减减少少2意意味味着着子子核核在在元元素素周周期期表表中中的的位位置置左左移移2格格,叫叫作作衰衰变变的位移定则。的位移定则。衰变的位移定则衰变的位移定则是,子核在元素周是,子核在元素周期表中的位置右移
14、期表中的位置右移1格。格。放射性衰变放射性衰变+(高能电子波高能电子波)+(电子电子)表1 三种射线基本特征成分速度贯穿本领电离能力1/10光速很小很强接近光速很大很小电磁波光速最强最小辐辐射射会会使使细细胞胞的的生生长长-调调节节机机制制受受到到伤伤害害,以以白白血血细细胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。b.b.放射性同位素原子数目放射性同位素原子数目放射性同位素原子数目放射性同位素原子数目放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随放射性同位素原子数目的减
15、少服从指数规律。随着时间的增加,放射性原子的数目按几何级数减着时间的增加,放射性原子的数目按几何级数减着时间的增加,放射性原子的数目按几何级数减着时间的增加,放射性原子的数目按几何级数减少,用公式表示为:少,用公式表示为:少,用公式表示为:少,用公式表示为:NNN N0 0e e-t-tNN为经过时间为经过时间为经过时间为经过时间t t衰变后,剩下的放射性原子衰变后,剩下的放射性原子衰变后,剩下的放射性原子衰变后,剩下的放射性原子数数数数0 0为初始的放射性原子数为初始的放射性原子数为初始的放射性原子数为初始的放射性原子数为衰变常数,是与该种放射性同位素性质为衰变常数,是与该种放射性同位素性质
16、为衰变常数,是与该种放射性同位素性质为衰变常数,是与该种放射性同位素性质有关的常数,有关的常数,有关的常数,有关的常数,=y(ty(t)e e-0.693t/-0.693t/,其中,其中,其中,其中 指半衰期。指半衰期。指半衰期。指半衰期。在在自自然然界界存存在在的的放放射射性性核核素素大大多多具具有有多多代代母母子子体体衰衰变变关关系系。母母体体放放射射性性核核素素经经多多代代子子体体放放射射性性核核素素最最后后衰衰变变生生成稳定核素。成稳定核素。放射系放射系(radioactiveseries)铀铀系系钍钍系系锕锕系系c.半衰期半衰期(half-life)放射性同位素衰变的快慢,通常用放射
17、性同位素衰变的快慢,通常用“半衰期半衰期”来表示。来表示。所谓半衰期即一定数量放射性同位素原子数所谓半衰期即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。目减少到其初始值一半时所需要的时间。半衰期是放射性同位素的特征常数,不同的半衰期是放射性同位素的特征常数,不同的放射性同位素有不同的半衰期,衰变的时候放射性同位素有不同的半衰期,衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。放射出射线的种类和数量也不同。表2 常用放射性同位素基本特征参数同位素符号半衰期射线能量(MeV)氢-33H12.3年0.018碳-1414C5720年0.156磷-3232P14.3天1.71硫-3535S87
18、.1天0.167碘-131131I8.05天0.605放放射射性性核核素素的的半半衰衰期期短短至至10-6s,长长至至1015a。衰衰变变反反应应半半衰衰期期的的一一个个重重要要特特征征是是,它它不不受受外外界界条条件件(温温度度、压压力力等等)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。化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种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但对放射性造成的毒性却无可奈何!切切尔尔诺诺贝贝利利4 4号号反反应应堆堆爆爆炸炸灾灾难难后后的的几几年年内内,乌乌克克兰兰0 01414岁岁儿儿童童中中甲甲状状腺腺癌癌的发病人数。
19、的发病人数。d.d.放射性活度及其单位放射性活度及其单位 放放射射性性活活度度(activity)是是通通过过实实验验观观察察得得到到的的放放射射性物质的衰变速率。性物质的衰变速率。SI单位单位:为为Bq(贝可贝可),1Bq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),1Ci相当于每秒发生相当于每秒发生3.71010次衰次衰变变(1g镭镭-226的衰变速率的衰变速率)。1Ci=3.71010Bq比活度:比活度:指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之比,单位为比,单位为Bqg-1或或mCig-1等。等。(2 2)放射性同位
20、素的应用)放射性同位素的应用)放射性同位素的应用)放射性同位素的应用a.放射性碳放射性碳-14-14纪年纪年方方 法法:放射性碳放射性碳-14测定年代法测定年代法(radiocarbon-14dating)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5730a的的半衰期发生半衰期发生衰变衰变+Question 1 Question 1 2005年年,埃埃及及一一法法老老古古墓墓发发掘掘出出来来的的木木质质遗遗物
21、物样样品品中中,放放射射性性碳碳-14的的比比活活度度为为432Bqg-1即即s-1(gC)-1,而而地地球球上上活活体体植植物物组组织织相相应应的的比比活活度度则则为为756Bqg-1,试计算该古墓建造的年代。试计算该古墓建造的年代。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()=-ktlnc0(),t1/2=0.693/k得得:k=0.693/t1/2=0.693/5730a=1.2110-4a-1t=ln756Bqg-1/432Bqg-1/(1.2110-4a-1)=4630a即该古墓大约是公元前即该古墓大约是公元前2625262
22、5年建造的年建造的。Solutionb.b.作为示踪原子作为示踪原子作为示踪原子作为示踪原子 一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。这样,我们就可以用放射性同位素代替非放射这样,我们就可以用放射性同位素代替非放射这样,我们就可以用放射性同位素代替非放射这样,我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物,这种化合物的性的同位素来制成各种化合物,这种化合物的性的同位素来制成各种化合物,这种化合物的性的同位素来制成各种化合物,这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与
23、所有化学反应,原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应,原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应,原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应,却带有却带有却带有却带有“放射性标记放射性标记放射性标记放射性标记”,用仪器可以探测出来,用仪器可以探测出来,用仪器可以探测出来,用仪器可以探测出来,这种原子叫做示踪原子。这种原子叫做示踪原子。这种原子叫做示踪原子。这种原子叫做示踪原子。例如:棉花对磷肥有效利用的示踪。例如:棉花对磷肥有效利用的示踪。例如:棉花对磷肥有效利用的示踪。例如:棉花对磷肥有效利用的示踪。核素示踪技术植物生长最植物生长最需要什么需要什么?植物怎样植物怎样吸收养分吸收养分?施肥施在施肥施在
24、什么部位什么部位?肥料被肥料被吸收了多少吸收了多少?放射性元素放射性元素标记标记研究研究过程过程增加增加产量产量改进改进技术技术c.c.辐射加工辐射加工辐射加工辐射加工 射线束作为一种高能的微观粒子流,既是能量的载射线束作为一种高能的微观粒子流,既是能量的载射线束作为一种高能的微观粒子流,既是能量的载射线束作为一种高能的微观粒子流,既是能量的载体,又是物质的载体。当它们与材料相互作用时,体,又是物质的载体。当它们与材料相互作用时,体,又是物质的载体。当它们与材料相互作用时,体,又是物质的载体。当它们与材料相互作用时,会产生各种物理学上的和化学上的效应,从而引起会产生各种物理学上的和化学上的效应
25、,从而引起会产生各种物理学上的和化学上的效应,从而引起会产生各种物理学上的和化学上的效应,从而引起材料在成分、结构和性能上的一系列变化,在原来材料在成分、结构和性能上的一系列变化,在原来材料在成分、结构和性能上的一系列变化,在原来材料在成分、结构和性能上的一系列变化,在原来的材料的基础上制备出成分、结构和性能上不同于的材料的基础上制备出成分、结构和性能上不同于的材料的基础上制备出成分、结构和性能上不同于的材料的基础上制备出成分、结构和性能上不同于原来材料的新型材料。原来材料的新型材料。原来材料的新型材料。原来材料的新型材料。辐射加工举例辐射辐射交联交联、固化固化、接枝接枝、裂解裂解高分子量高分
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