普通化學(xué)3PPT課件

1、本章教學(xué)要求3了解放射性碳-14測定年代法；2會正確書寫核化學(xué)方程式；1了解有關(guān)放射性核素和放射性衰變的 概念；5簡單了解人工核反應(yīng)和超鈾元素合成 的基本內(nèi)容。4了解核能和核能利用的基本概念；第1頁/共34頁18.1 放射性核素和放射性衰變放射性核素和放射性衰變 Radioactive nuclide and radioactive decay18.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy18.3 人工核反應(yīng)和超鈾元素的人工核反應(yīng)和超鈾元素的 合成合成 Artificial nuclear reaction and sy

2、ntheses of transuranium elements第2頁/共34頁放射性衰變和放射系放射性衰變和放射系Radioactive decay and radioactivity Series 核化學(xué)方程、半衰期和放射性核化學(xué)方程、半衰期和放射性 活度活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity放射性碳放射性碳-14-14紀(jì)年紀(jì)年 Radiocarbon- 14 dating 18.1 放射性核素和放射性衰變放射性核素和放射性衰變 Radioactive nuclide and radioactive decay第3頁

3、/共34頁放射性衰變和放射系放射性衰變和放射系 放射性衰變放射性衰變(radioactive decay)是一種過程, 在這種過程中, 原來的核素(母體)或者變?yōu)榱硪环N核素(子體), 或者進(jìn)入另一種能量狀態(tài)。第4頁/共34頁 輻射會使細(xì)胞的生長輻射會使細(xì)胞的生長-調(diào)節(jié)機(jī)制受到傷害，以白血細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制受到傷害，以白血細(xì)胞過度生長為特征的白血病可能是由輻射造成的。胞過度生長為特征的白血病可能是由輻射造成的。第5頁/共34頁衰變衰變衰變 核電荷數(shù)減少核電荷數(shù)減少2意味著子核在元意味著子核在元素周期表中的位置左移素周期表中的位置左移2格格, 叫作叫作衰衰變的位移定則。變的位移定則。衰變的位移定則衰變的位

4、移定則是，子核在元素周是，子核在元素周期表中的位置右移期表中的位置右移1格。格。 放射性衰變放射性衰變 + （高能電子波高能電子波）*6027CoCo6027 +Ra22688Rn22288He)(4242 + （電子電子）Bi21083e0-1Po21084第6頁/共34頁 在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變關(guān)系。母體放射性核素經(jīng)多代子體放射性核素最后衰變生成穩(wěn)定核素。 放射系(radioactive series) 鈾 系釷 系錒 系第7頁/共34頁核化學(xué)方程、半衰期和放射性核化學(xué)方程、半衰期和放射性 活度活度 1. 1. 核化學(xué)方程式核化學(xué)方程式 書寫核化學(xué)方程式的規(guī)則：(a

5、) 方程式兩端的質(zhì)量數(shù)之和相等；(b) 方程式兩端的原子序數(shù)之和相等。 2. 2. 半衰期半衰期 1 1個半衰期個半衰期2 2個半衰期個半衰期3 3個半衰期個半衰期4 4個半衰期個半衰期 放射性核素的衰變速率用半半衰期衰期(half-life) 表示, 符號為t12。 例如, 鍶-90的衰變反應(yīng) 的半衰期為29 a。Sr9038Y9039e0-1第8頁/共34頁Question 1Question 1Solution配平下列方程式: :(a) + + ? + + ?(b) + ?+ ?(c)(c) + ?+ ?Cf25398n310I12253Xe12254Fe5926e0-1B105依據(jù)配平

6、規(guī)則可知依據(jù)配平規(guī)則可知：( (a) + +a) + +(b)(b) + +(c)(c) + +n310Lw259103Cf25398e0-1I12253Xe12254Fe5926Co5927e0-1B105第9頁/共34頁 放射性核素的半衰期短至10-6 s, 長至1015 a。 衰變反應(yīng)半衰期的一個重要特征是, 它不受外界條件(溫度、壓力等)的影響，也不受化合狀態(tài)的影響。 化學(xué)方法可以使有毒化學(xué)制劑分解為無毒物種，但對放射性造成的毒性卻無可奈何! ! 切爾諾貝利切爾諾貝利4 4號反應(yīng)堆爆炸災(zāi)號反應(yīng)堆爆炸災(zāi)難后的幾年內(nèi)，難后的幾年內(nèi)，烏克蘭烏克蘭0 01414歲歲兒童中甲狀腺癌兒童中甲狀腺癌

7、的發(fā)病人數(shù)。的發(fā)病人數(shù)。第10頁/共34頁 3. 3. 放射性活度及其單位放射性活度及其單位 放射性活度放射性活度(activity)是通過實(shí)驗(yàn)觀察得到的放射性物質(zhì)的衰變速率。SI單位單位: 為Bq(貝可)，1 Bq相當(dāng)于每秒發(fā)生1次衰變。舊單位舊單位： Ci(居里) ，1 Ci 相當(dāng)于每秒發(fā)生3.71010次衰 變(1 g 鐳-226的衰變速率)。 1Ci = 3.71010 Bq 比活度：比活度：指樣品中某核素的放射性活度與樣品總質(zhì)量之 比，單位為Bqg-1或mCig-1等。第11頁/共34頁檢測放射性的方法檢測放射性的方法蓋革計數(shù)器蓋革計數(shù)器(Geiger counter)是根據(jù)受輻射氣

8、體是根據(jù)受輻射氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生的離子和電子能傳導(dǎo)電流的原理設(shè)計的。發(fā)生電離而產(chǎn)生的離子和電子能傳導(dǎo)電流的原理設(shè)計的。每個被放大了的電脈沖每個被放大了的電脈沖即代表一次放射性記數(shù)即代表一次放射性記數(shù) 第12頁/共34頁放射性碳放射性碳-14-14紀(jì)年紀(jì)年方方 法法： 放射性碳-14測定年代法(radiocarbon-14 dating) 依依 據(jù)據(jù)： 衰變反應(yīng)半衰期與反應(yīng)物的起始濃度無關(guān) 利利 比比 ： 獲得1960年諾貝爾化學(xué)獎假假 定定 ： 大氣中碳-14與碳-12的比值是恒定的 碳碳-14以以5730 a 的半衰期發(fā)生的半衰期發(fā)生衰衰變變 +C146N147e01-第13頁/共34頁Qu

9、estion 2Question 2 埃及一法老古墓發(fā)掘出來的木質(zhì)遺物樣品中, 放射性碳-14的比活度為432 Bqg-1 即 s-1(gC)-1, 而地球上活體植物組織相應(yīng)的比活度則為756 Bqg-1，試計算該古墓建造的年代。Solution 衰變反應(yīng)是衰變反應(yīng)是: 根據(jù)一級反應(yīng)的速率方程和半衰期公式根據(jù)一級反應(yīng)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 Bqg-1/(1.2110-4 a-1) =

10、 4630 a 即該古墓大約是公元前即該古墓大約是公元前26252625年建造的年建造的。 C146N147e0-1C146C146第14頁/共34頁18.2 核能和核能利用核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 核素的平均結(jié)合能核素的平均結(jié)合能 Average binding energy of nuclide核裂變核裂變 Nuclear fission核聚變核聚變 Nuclear fusion第15頁/共34頁核素的平均結(jié)合能核素的平均結(jié)合能 核子之間靠核力(nuclear force)結(jié)合成原子核，核力是核子之間的短程強(qiáng)吸引力，作

11、用范圍為2 fm (10-15 m) 。=0.002 389 3u減少的質(zhì)量減少的質(zhì)量 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損(mass defect) 用用m表示表示 E = mc2 減少的能量即核減少的能量即核的結(jié)合能的結(jié)合能( n u c l e a r binding energy), 符號用符號用EB 例如, 2H核的結(jié)合能為:EB(2H) = mc2 = 931.5 MeVu-1 0.002 389 3 u 2.225 6 MeV第16頁/共34頁 平均結(jié)合能平均結(jié)合能(average binding energy) 指核子結(jié)合指核子結(jié)合為原子核時每個核子平均釋放的能量為原子核時每個核子平均釋放的能量(

12、結(jié)合能除以質(zhì)量結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)）。例如數(shù)）。例如 2H 核的值為核的值為1.112 8 MeV。 由于重核裂變?yōu)檩^輕核和輕核聚變?yōu)檩^重核的過程都 是 放 能 反 應(yīng) , 這種趨勢就奠定了核能利用的基礎(chǔ)。 第17頁/共34頁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 計算反應(yīng) + +的吸收發(fā)射能。 原子量： =58.9332， =2.014

13、10， =59.9529， =1.00783。Co6027H21H11Co5927H21H11Co6027Co5927第18頁/共34頁核裂變核裂變 核裂變核裂變(nuclear fission)是大核分裂為小核的過程是大核分裂為小核的過程. 普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。 1. 鈾鈾-235的裂變與核武器的裂變與核武器 發(fā)生鏈反應(yīng)發(fā)生鏈反應(yīng)爆爆炸炸35種種元元素素的的200多種多種位素位素同同 2 3U23592n10Te13752Zr9740n10Kr9136U23592n10Ba14256n10第19頁/共34頁 足以維持

14、鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量(critical mass)。 鈾-235 的臨界質(zhì)量約為 1 kg，質(zhì)量超過1 kg 則發(fā)生爆炸。 任何有核反應(yīng)堆的國家都不難得到爆炸級的裂變材料，原子彈的基本設(shè)計又如此簡單，從而為防止核武器擴(kuò)散帶來了困難。第20頁/共34頁這是美國對日本投擲的兩顆原子彈瘡滿目痍全世界第一次知道了什么是原子彈！第21頁/共34頁 2. 核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆 通過受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過程消耗的中子數(shù), 以形成所謂的自持鏈反應(yīng)(self-sustaining chain reaction)。 第22頁/共34頁 前蘇聯(lián)于1954建成世界上

15、第一座核電站；至今已有30多個國家和地區(qū)的400多座核電站處在運(yùn)行之中。 右圖列出1995年一些國家核電占各自總電力的百分率。 第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，科學(xué)家迅速將原子能的利用第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，科學(xué)家迅速將原子能的利用轉(zhuǎn)向和平用途。轉(zhuǎn)向和平用途。第23頁/共34頁安全方面的擔(dān)心安全方面的擔(dān)心 核廢料處理核廢料處理 核動力發(fā)電算得上一種清潔能源 第24頁/共34頁核聚變核聚變核聚變(nuclear fusion) 由兩個或多個輕核聚合形成較重核的過程。熱核武器 以聚變反應(yīng)為基礎(chǔ)的核武器 氫彈就是利用裝在其內(nèi)氫彈就是利用裝在其內(nèi)部的一個小型鈾原子彈爆炸部的一個小型鈾原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫引爆的。產(chǎn)

16、生的高溫引爆的。 40 000 000 H31H21He42n10第25頁/共34頁人工核反應(yīng)人工核反應(yīng) Artificial nuclear reaction Syntheses of transuranium elements18.3 人工核反應(yīng)和超鈾元素的合人工核反應(yīng)和超鈾元素的合成成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements第26頁/共34頁人工核反應(yīng)人工核反應(yīng) 人工核反應(yīng)是指原子核受中子、質(zhì)子、粒子、重粒子(例如原子核 )等轟擊而形成新核的核嬗變過程(nuclear transmutation

17、) 。C126通式為:式中X為靶核，a為入射粒子，Y為產(chǎn)物核，b為出射粒子，通常簡寫為A1X(a,b)A3Y。XA1Z1aA2Z2YA3Z3bA4Z41919年盧瑟夫?qū)崿F(xiàn)了第一個核嬗變反應(yīng): : 42147NP+O11178第27頁/共34頁 人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn), 使科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室合成已知元素的新核素和新的化學(xué)元素成為可能 。185Hf(1992)、208Hg(1992)、237Th(1993)、239Pa(1995)、175Er(1996)、235Am(1996)、135Gd(1996)、121Ce(1997)、186Hf(1998)、209Hg(1998)、238Th(1999)、125Nd

18、(1999)、128Pm(1999)、129Sm(1999)、139Dy(1999)、139Tb(1999)和和137Gd(1999)。 我國科學(xué)家合成的我國科學(xué)家合成的19種新核素：種新核素： 90Ru(1991)和和202Pt(1992) 分別由中國原子能科學(xué)研究分別由中國原子能科學(xué)研究院（北京）和上海原子核研院（北京）和上海原子核研究所合成。究所合成。第28頁/共34頁第29頁/共34頁1. 第一個第一個“超鈾元素超鈾元素”（transuranium elements)的合成的合成1940年1970年2. 第一個第一個“超錒系元素超錒系元素”（transactinide elements)的合成的合成合成的困難合成的困難： 隨著質(zhì)子數(shù)越來越多，質(zhì)子間的庫侖引力越來越大，原子核也越來越不穩(wěn)定。 + + +U23892n10U23992U23992Np2399310 + +4Cf24998N157Db260105n10第30頁/共34頁放射性的應(yīng)用放射性的應(yīng)用射線療法射線療法 射線療法射線療法(radiation therapy)是指用高能射線治療疾病的方法，它是人類戰(zhàn)勝癌癥的一種重要武器。32P60Co90Sr125I131I14.3 d5.26 a28.8 a60.25 d8.06 d137Cs192Ir198Au222Ra226Rn30 a74.2 d2.7