西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 第 18 章 核化学简介 Chapter 18 Introduction to Nuclear Chemistry 教学要求 1．了解有关放射性核素和放射性衰变的概念； 2．会正确书写核化学方程式； 3．了解放射性碳-14 测定年代法； 4．了解核能和核能利用的基本概念； 5．简单了解人工核反应和超铀元素合成的基本内容。 课时分配（4 学时） 1. 放射性核素和放射性衰变:（2 学时） 放射性衰变和放射系 核化学方程、半衰期和放射性活度 放射性碳-14 纪年 2. 核能和核能利用:（1 学时） 核素的平均结合能 核裂变 核聚变 3. 人工核反应和超铀元素的合成:（1 学时） 人工核反应 超铀元素的合成 前言 前面各章的注意力集中在单质及其化合物的性质、结构和化学反应上，核外电子往往起 着支配作用。本章简要介绍核化学(nuclear chemistry), 它是研究核反应及其在化学中的应用 的科学。与以前各章的化学反应不同，核反应只涉及原子核的变化。 核化学与人类关系密切。放射性同位素在医学上广泛用作诊断工具和治疗手段，特别是 治疗癌症。作为示踪原子，它们被用来研究化合物的结构和化学反应机理，研究生物器官的 功能。放射性同位素还被用来测定重要历史遗物的年代。核能的利用曾经开创了一个时代, 既能制造破坏力极大的核武器，也能用于发电等和平目的。 18.1 放射性核素和放射性衰变
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 第 18 章 核化学简介 Chapter 18 Introduction to Nuclear Chemistry 教学要求 1．了解有关放射性核素和放射性衰变的概念； 2．会正确书写核化学方程式； 3．了解放射性碳-14 测定年代法； 4．了解核能和核能利用的基本概念； 5．简单了解人工核反应和超铀元素合成的基本内容。 课时分配（4 学时） 1. 放射性核素和放射性衰变:（2 学时） 放射性衰变和放射系 核化学方程、半衰期和放射性活度 放射性碳-14 纪年 2. 核能和核能利用:（1 学时） 核素的平均结合能 核裂变 核聚变 3. 人工核反应和超铀元素的合成:（1 学时） 人工核反应 超铀元素的合成 前言 前面各章的注意力集中在单质及其化合物的性质、结构和化学反应上，核外电子往往起 着支配作用。本章简要介绍核化学(nuclear chemistry), 它是研究核反应及其在化学中的应用 的科学。与以前各章的化学反应不同，核反应只涉及原子核的变化。 核化学与人类关系密切。放射性同位素在医学上广泛用作诊断工具和治疗手段，特别是 治疗癌症。作为示踪原子，它们被用来研究化合物的结构和化学反应机理，研究生物器官的 功能。放射性同位素还被用来测定重要历史遗物的年代。核能的利用曾经开创了一个时代, 既能制造破坏力极大的核武器，也能用于发电等和平目的。 18.1 放射性核素和放射性衰变
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 核子(nucleon)是组成原子核的粒子, 质子和中子都是核子; 核素(nuclide)则指确 定数目的质子和中子结合而成的原子核。核素的化学符号为 A ZE。迄今已知的核素共有 2 000 多种，大多数为不稳定核素, 即放射性核素。 18.1.1 放射性衰变和放射系 核素自发发射射线的性质叫作放射性(radioactivity)，放射性衰变(radioactive decay)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。根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方式分为α 衰变、 β 衰变和γ 衰变三大 类。 α衰变是指放射性核发射α 粒子衰变为另一种核的过程。例如： 226 88Ra 222 86Rn + 4 2α ( 4 2He) α粒子是 He 的原子核，α 衰变中，子体的核电荷和质量数比母体分别减少 2 和 4。核 电荷数减少 2 意味着子核在元素周期表中的位置左移 2 格, 这叫作α衰变的位移定则。 β 衰变是指放射性核发射电子变为另一种核的过程。 β 射线是由原子核发射出来的高 速电子流，在核化学方程式中，将 β 粒子表示为 0 -1e 或 0 -1 β 。例如： 210 83Bi 210 84Po + 0 -1e β 衰变中，子体的核电荷数比母体增加 1，而质量数不变。β衰变的位移定则是，子核 在元素周期表中的位置右移 1 格。一次 β 衰变相当于将 1 个中子转化为质子： 1 0n 1 1p + 0 -1e 需要指出的是，电子并不是组成原子核的一种核子！打个比方，两块金属撞击时放出火 花，您却不能认为金属中含有火花。 γ 衰变是指激发态原子核发射γ 射线的过程。γ 射线由高能光子组成，或者说它是波长 很短的电磁波(参见图 1.2), 在核化学方程式中表示为γ 。γ 衰变过程中，原子核的质量数和 电荷数均不变，改变的只是能量的状态。例如, 激发态 60Co* 衰变为低能态(或基态) 60Co 的 过程： 60 27Co* 60 27Co + γ 由于α 衰变和 β 衰变过程中原子核处于激发态，因而往往伴随发射γ 射线。如果没有特殊
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 核子(nucleon)是组成原子核的粒子, 质子和中子都是核子; 核素(nuclide)则指确 定数目的质子和中子结合而成的原子核。核素的化学符号为 A ZE。迄今已知的核素共有 2 000 多种，大多数为不稳定核素, 即放射性核素。 18.1.1 放射性衰变和放射系 核素自发发射射线的性质叫作放射性(radioactivity)，放射性衰变(radioactive decay)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。根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方式分为α 衰变、 β 衰变和γ 衰变三大 类。 α衰变是指放射性核发射α 粒子衰变为另一种核的过程。例如： 226 88Ra 222 86Rn + 4 2α ( 4 2He) α粒子是 He 的原子核，α 衰变中，子体的核电荷和质量数比母体分别减少 2 和 4。核 电荷数减少 2 意味着子核在元素周期表中的位置左移 2 格, 这叫作α衰变的位移定则。 β 衰变是指放射性核发射电子变为另一种核的过程。 β 射线是由原子核发射出来的高 速电子流，在核化学方程式中，将 β 粒子表示为 0 -1e 或 0 -1 β 。例如： 210 83Bi 210 84Po + 0 -1e β 衰变中，子体的核电荷数比母体增加 1，而质量数不变。β衰变的位移定则是，子核 在元素周期表中的位置右移 1 格。一次 β 衰变相当于将 1 个中子转化为质子： 1 0n 1 1p + 0 -1e 需要指出的是，电子并不是组成原子核的一种核子！打个比方，两块金属撞击时放出火 花，您却不能认为金属中含有火花。 γ 衰变是指激发态原子核发射γ 射线的过程。γ 射线由高能光子组成，或者说它是波长 很短的电磁波(参见图 1.2), 在核化学方程式中表示为γ 。γ 衰变过程中，原子核的质量数和 电荷数均不变，改变的只是能量的状态。例如, 激发态 60Co* 衰变为低能态(或基态) 60Co 的 过程： 60 27Co* 60 27Co + γ 由于α 衰变和 β 衰变过程中原子核处于激发态，因而往往伴随发射γ 射线。如果没有特殊
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 需要, 核化学方程式中不表示出γ 射线，上述 226 88Ra 和 210 83Bi 发生衰变的方程都作了这种 省略。 迄今在自然界存在的放射性核素大多具有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生成稳定核素，这一过程中发生的一系列核反应被称之为放射系 (radioactive series)。已知存在着三个天然放射系，根据不同的母体分别叫作铀系、钍系和锕 系。铀系的母体为铀-238，最终形成稳定核素铅-206。 18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性活度 1. 核化学方程式 核化学方程用于表示各种核变化过程。与化学反应 方程式不同，核素的符号之后不需表明状态。书写核化学方程式需要遵守两条规则：(a) 方 辐射造成 的生物 效应 放射系 (radioactive series) 铀 钍 锕
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 需要, 核化学方程式中不表示出γ 射线，上述 226 88Ra 和 210 83Bi 发生衰变的方程都作了这种 省略。 迄今在自然界存在的放射性核素大多具有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生成稳定核素，这一过程中发生的一系列核反应被称之为放射系 (radioactive series)。已知存在着三个天然放射系，根据不同的母体分别叫作铀系、钍系和锕 系。铀系的母体为铀-238，最终形成稳定核素铅-206。 18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性活度 1. 核化学方程式 核化学方程用于表示各种核变化过程。与化学反应 方程式不同，核素的符号之后不需表明状态。书写核化学方程式需要遵守两条规则：(a) 方 辐射造成 的生物 效应 放射系 (radioactive series) 铀 钍 锕
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 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。您可以用两条规则检查 本教材中所有的核化学方程式。 2. 半衰期 原则上讲, 我们应该能够从自然界得到三个天然放射系中的 所有核素, 但事实并非如此。这是因为不同核素发生衰变的速率不同。有些放射性核素(例 如铀-238)衰变速率很慢，尽管是不稳定核素，仍然能够存在于自然界；有些放射性核素则 在以秒计(或短于秒)的时间内完全衰变为它的子体，显然无法从自然界找到。 放射性核素的衰变速率用半衰期表示, 符号为 t1／2。半衰期(half-life)是指任何量的放射 性核素减少一半所经历的时间。每种核素都有其特征的半衰期。例如, 锶-90 的衰变反应 90 38Sr 90 39Y + 0 -1e 的半衰期为 29 a，如果将 10.0 g 锶-90 同位素放置 29 年，其质量就是 5.0 g；如果再放置 29 年，就余下 2.5 g 了。 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，也不受化合状态的影响。后一事实给核废料的处理带来 困难。化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种(如用次氯酸盐将 CN- 分解为 N2 和 CO3 2-)，但对放射性造成的毒性却无可奈何: 溶液中的放射性物质转化为沉淀后仍然具有放 射性，一个化学物种的放射性也不会因为转化为另一物种而消失。 切尔诺贝利 4 号反应堆爆炸灾难后的几年内，乌克兰 0-14 岁儿童中甲状腺癌的发病 人数。 3. 放射性活度及其单位 假定样品中含有10 000个放射性核素， 切尔诺贝利4 号反应堆爆炸灾 难后的几年内， 乌克兰0-14岁儿 童中甲状腺癌的
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 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。您可以用两条规则检查 本教材中所有的核化学方程式。 2. 半衰期 原则上讲, 我们应该能够从自然界得到三个天然放射系中的 所有核素, 但事实并非如此。这是因为不同核素发生衰变的速率不同。有些放射性核素(例 如铀-238)衰变速率很慢，尽管是不稳定核素，仍然能够存在于自然界；有些放射性核素则 在以秒计(或短于秒)的时间内完全衰变为它的子体，显然无法从自然界找到。 放射性核素的衰变速率用半衰期表示, 符号为 t1／2。半衰期(half-life)是指任何量的放射 性核素减少一半所经历的时间。每种核素都有其特征的半衰期。例如, 锶-90 的衰变反应 90 38Sr 90 39Y + 0 -1e 的半衰期为 29 a，如果将 10.0 g 锶-90 同位素放置 29 年，其质量就是 5.0 g；如果再放置 29 年，就余下 2.5 g 了。 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，也不受化合状态的影响。后一事实给核废料的处理带来 困难。化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种(如用次氯酸盐将 CN- 分解为 N2 和 CO3 2-)，但对放射性造成的毒性却无可奈何: 溶液中的放射性物质转化为沉淀后仍然具有放 射性，一个化学物种的放射性也不会因为转化为另一物种而消失。 切尔诺贝利 4 号反应堆爆炸灾难后的几年内，乌克兰 0-14 岁儿童中甲状腺癌的发病 人数。 3. 放射性活度及其单位 假定样品中含有10 000个放射性核素， 切尔诺贝利4 号反应堆爆炸灾 难后的几年内， 乌克兰0-14岁儿 童中甲状腺癌的
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 它们显然不会同时发生衰变。这是因为, 如果出现那种情况，就不会有半衰期的概念了。我 们只知道这些原子核终将衰变，但对一个指定的原子核而言，却无法知道衰变何时发生。尽 管如此，我们还是能够通过实验观察得到一个统计结果。放射性活度(activity)即通过实验观 察得到的放射性物质的衰变速率。 放射性活度的 SI 单位为 Bq(贝可)，1 Bq 相当于每秒发生 1 次衰变。Bq 单位太小， 实际上常用 kBq(千贝可)、MBq(兆贝可)等作单位。 过去一直采用 Ci(居里)为单位, 1 Ci 相当于每秒发生 3.7×1010 次衰变(1 g 镭-226 的 衰变速率)。居里和贝可两种单位目前尚在并行使用，它们之间的换算关系是： 1Ci = 3.7×1010 Bq 实际工作中经常用到比活度概念。比活度是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。 18.1.3 放射性碳-14 纪年 由上可知，不论锶-90 由 10.0 g 衰变为 5.0 g 还是由 5.0 g 衰变为 2.5 g, 所需的时间都 是 29 a. 或者说，衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关。美国化学家利比(Libby W F)巧 妙地利用这一性质发明了放射性碳-14 测定年代法(radiocarbon-14 dating), 因此获得 1960 年 诺贝尔化学奖。 自然界的放射性碳-14 是由宇宙射线中子轰击高层大气中的氮原子形成的: 14 7N ＋ 1 0n 14 6C ＋ 1 1p 反应中产生的碳-14 以 5730 a 的半衰期发生 β 衰变： 14 6C 14 7N + 0 -1e 方 法： 放射性碳-14 测定年代法(radiocarbon-14 dating) 依 据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关 假 定 ： 大气中碳-14 与碳-12 的比值是恒定的 利 比 ： 获得 1960 年诺贝尔化学奖
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 它们显然不会同时发生衰变。这是因为, 如果出现那种情况，就不会有半衰期的概念了。我 们只知道这些原子核终将衰变，但对一个指定的原子核而言，却无法知道衰变何时发生。尽 管如此，我们还是能够通过实验观察得到一个统计结果。放射性活度(activity)即通过实验观 察得到的放射性物质的衰变速率。 放射性活度的 SI 单位为 Bq(贝可)，1 Bq 相当于每秒发生 1 次衰变。Bq 单位太小， 实际上常用 kBq(千贝可)、MBq(兆贝可)等作单位。 过去一直采用 Ci(居里)为单位, 1 Ci 相当于每秒发生 3.7×1010 次衰变(1 g 镭-226 的 衰变速率)。居里和贝可两种单位目前尚在并行使用，它们之间的换算关系是： 1Ci = 3.7×1010 Bq 实际工作中经常用到比活度概念。比活度是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。 18.1.3 放射性碳-14 纪年 由上可知，不论锶-90 由 10.0 g 衰变为 5.0 g 还是由 5.0 g 衰变为 2.5 g, 所需的时间都 是 29 a. 或者说，衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关。美国化学家利比(Libby W F)巧 妙地利用这一性质发明了放射性碳-14 测定年代法(radiocarbon-14 dating), 因此获得 1960 年 诺贝尔化学奖。 自然界的放射性碳-14 是由宇宙射线中子轰击高层大气中的氮原子形成的: 14 7N ＋ 1 0n 14 6C ＋ 1 1p 反应中产生的碳-14 以 5730 a 的半衰期发生 β 衰变： 14 6C 14 7N + 0 -1e 方 法： 放射性碳-14 测定年代法(radiocarbon-14 dating) 依 据： 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关 假 定 ： 大气中碳-14 与碳-12 的比值是恒定的 利 比 ： 获得 1960 年诺贝尔化学奖