第23章 原子核化学（课件）- 《无机化学》同步教学（吉林大学版）

2024/1/14 1 第二十三章 原子核化学 本章的要求： 1． 掌握核反应和化学反应的区别。 2． 掌握天然放射系的有关概念和知识。 3． 了解人工核反应的有关概念和应用。 4． 了解放射性同位素的应用。 2024/1/14 2 23.1 历史的回顾 原子核化学与原子核物理学这两门学科紧密地交织在一起，成为原子能科学技术的基础。原子核化学是研究各种化学元素的转变规律的学科。 中世纪的炼丹术时期，“点石成金”。 1896年，贝克勒尔(Becquerel)发现铀的放射性。原子核会自动地会放出α和β粒子的同时转变为另一种元素。 尝试水银蒸汽高压放电，或用阴极射线去打击氮气，进行元素转变。 天然放射性物质放出的具有极高速度的α粒子作为“炮弹”去轰击原子核 1919年，卢瑟福实现了“转变元素”： 1932年，查德威克发现了中子： 质子和中子统称为核子。中子易进入原子核，常利用中子引发核反应。 1934年，约里奥居里夫妇发现正电子。 2024/1/14 3 30-40年代，利用核反应，合成了自然界未找到的元素，Fr、At、Po，完成1-92号的所有元素。 1940年，Macmillan and Abelson发现93号元素，至1982年发现93-103号元素。 自1939年初发现了中子使铀裂变后，铀原子核吸收了一个中子后分裂成两个质量相近的碎片，同时放出了两三个中子并伴随有大量的能。 还在裂变现象发现以前，物理学家就已知道某些很轻的原子核能相互聚合为较重的原子核并放出巨大的能量。 在极高的温度下氢原子核聚变的过程叫做热核反应。可控制的热核反应是目前自然科学研究的重点问题之一，一旦研究成功，人类将从水中的重氢(氘)获得人类用之不竭的新能源。 2024/1/14 4 23.2 核结构 2-1 核模型 某元素“X”原子核，常用符号AZ X表示。Z代表该原子核质子数（即核电荷数，原子序数）；A代表核子总数，称为质数，如：23892U 等。 液滴模型：把各种原子核看成是由不可压缩，且有很大表面张力的特种“液体”凝成的大小不同的“液滴”。质子之间的斥力有使液滴破裂的趋势，而表面张力的效应和核力的凝聚作用有使核子聚集的趋势。 壳层模型：中子和质子可各自独立地填充核壳层，中子和质子充满壳层的核具有最稳定结构。满壳层的质子数与中子数称为“幻数”。包含2，8，20，28，50和82个质子(或中子)以及126个中子的核具有特殊的稳定性。 质子数为82,中子数为126的82208Pb ,由于具有双幻数,具有球形对称饱和结构,因而,特别的稳定。 希有气体的氦、氖、氩、氪、氙、氡-2、10、18、36、54、86、118。 壳层模型可描述处于非激发或者弱激发状态下的核性质(如发射γ射线)；而液滴模型可解释处于激发状态下的核性质（如裂变）。 2024/1/14 5 2-2 核力 核子间除质子间排斥力外，还存在一种很强的具有引力性质的核力。核力作用所能达到的空间距离很短，具有饱和性。 核力通过核子间交换π介子产生，π+介子带一个单位正电荷，π-介子带一个单位负电荷，π0介子不带电。原子核中带电粒子的数目从统计角度来说为一常数，但质子和中子不断变化。处于平衡状态。 2-3 核的稳定性 当N/P=1时，核最稳定。原子序数增加，N/P值逐渐增大，当n/p>1.6，原子核就要裂变。凡原子序数在钋以上的原子核，质子或中子过多的原子核都不稳定。 稳定岛的假设：由稳定同位素所组成的稳定同位素区犹如被“海洋”所包围的“孤岛”或“山脉”，“海洋”由不稳定同位素所组成（图23-2）。 2024/1/14 6 2024/1/14 7 2024/1/14 8 2-4 质能转换、核的结合能 E = mc2 如氦核的静质量比2个质子和2个中子的静质量总和少0.03040μ，这个质量差叫质量亏损，失去的质量是以能量的形式放出。 结合能 = (原子核所有中子和质子静质量之和-原子核静质量)×(光速)2 可以这样说：使原子核分离为单个的质子和中子所需要的能量称这种原子的结合能。 每一个核子所具有的结合能称平均结合能。 核子的平均结合能 = 总结合能/核子数 2024/1/14 9 例：两个质子和两个中子结合成氦核的结合能和平均结合能： P: 2x1.00728u=2.01456u n: 2x1.00867u=2.01734u He: 4.0319u-4.00150u=0.0304