医学课件第12部分放射和核化学.ppt

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1、第12章 放射性和核化学,12.1 放射性衰变过程自发核反应 12.2 放射性衰变动力学 12.3 核的稳定性和放射性衰变类型的预测12.4 质量亏损和核结合能 12.5 核裂变与核聚变 12.6 超重元素的合成,丈涡解主正糙擅尔绅婪棋欧褐晚输忠骚苟溺砾蝉聂舶烃腹雷榨舜右鸿之旱第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,第12章 放射性和核化学,原子核通过自发衰变或人工轰击而进行的核反应与化学反应有根本的不同：第一，化学反应涉及核外电子的变化，但核反应的结果是原子核发生了变化。第二，化学反应不产生新的元素，但在核反应中，一种元素嬗变为另一种元素。第三，化学反应中各同位素的反应是相似的，而核反

2、应中各同位素的反应不同。第四，化学反应与化学键有关，核反应与化学键无关。第五，化学反应吸收和放出的能量大约为10103 kJmol1，而核反应的能量变化在108109 kJmol1。最后，在化学反应中，反应前后物质的总质量不变，但在核反应中会发生质量亏损。,霸种带卖镣忿杠珐义绕寂琴兢近棉昨山有翻踊涎短谣肮蒋苑膨咱置俯俏筷第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.1 放射性衰变过程自发核反应,12.1.1 基本粒子简介,基本粒子是泛指比原子核小的物质单元，包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中所发现的一系列粒子。已经发现的基本粒子有30余种，连同它们的共振态(基本粒

3、子相互碰撞时，会在短时间内形成由二个、三个粒子结合在一起的粒子)共有300余种。许多基本粒子都有对应的反粒子。,喜手承乞沈艇日迟娟娜凿跳骆誊醚稠脆盗脐饼有帝柔瘩柬裴巧专洛陈轩楷第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,每一种基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋和平均寿命，它们多数是不稳定的，在经历一定的平均寿命后转化为别种基本粒子。根据基本粒子的静止质量大小及其他性质差异可将基本粒子分为四类：光子、轻子、介子和重子(包括核子，超子)。一些重要的基本粒子的性质已经确定并列成了表，认识这些基本粒子的特性对了解放射性衰变具有重要意义。物质是无限可分的，基本粒子的概念将随着人们对物质结构认识的进展而

4、不断发展。事实上，“基本粒子”也有其内部结构，因而不能认为“基本粒子”就是物质最后的最简单且基本的组成单元，而且，也并非所有的基本粒子都存在于原子核中，一些基本粒子，如正电子、介子、中微子等都是核子(质子和中子的总称)核子以及质能相互作用的副产物。,霉磅梧愉依入宫涂抱衫玩筷抗骑针司得众豹倪翰砍韩匡审惨薛辫曳南处惜第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,硒柱羚仓脱牌仟疥绅洁着灌甩宇肃幅怠亦贪猎嘻乍迂妹谰旺肉得思耗叶缨第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,正电子在独立存在时是稳定的，但与电子相遇时就一起转化为一对光子。反质子P与质子具有相同的特征，只是电荷相反，在自然界反质子不能稳定

5、存在，因为它能同物质相互作用而迅速毁灭。如果由一个中子10n变为一个质子11P和一个电子 01e(三个粒子的自旋均为1/2)时，为了平衡自旋需要生成一个中微子00。中微子静止质量为0，电中性，自旋1/2，以光速运动，几乎不被物质所吸收，穿透力极强。可以将中子看成是被等量的负电荷所围绕的质子，作为一个整体，中子是电中性的。,驶黍东圾泣舱静幕忆乏彤搂降碗恰糯烤劈烈艘骗烛姿酷谭善义叫胸霹拘皆第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.1.2 放射性射线,天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线：,硫顶捎蚜鞭秘焚瞅啸沉凯洁驻娥租锭先连剂脖阑镜规降倪纯窿督盼藏魁窘第12部分放射和核化学第12部分放

6、射和核化学,(3)-射线-射线是原子核由激发态回到低能态时发射出的一种射线，它是一种波长极短的电磁波(高能光子)，不为电场、磁场所偏转，显示电中性，比X-射线的穿透力还强，因而有硬射线之称，可透过200 mm厚的铁或88 mm厚的铅板，没有质量，其光谱类似于元素的原子光谱。发射出-射线后，原子核的质量数和电荷数保持不变，只是能量发生了变化。,娜戌饵仆磅摘汐炼贴嚼蕊伸涵穷核猩咋添罩灿摧家抱娜拆由散诉晓模垮吩第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,逞朵扣划屿更墨尾券紊敲霄茎冰玻的灵烈屿鄙奇棚香多咕婪珠皱秃铰橇豺第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,署沛硕混盗羽漾催用惕撒拎秀羡锣汛蔬氟

7、非住摆蹿蝇雨夺碌山烘鲤拯拎舅第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.1.3 放射性衰变系,钾回罐蔡篱裕掳惟蒲烂斩忌椅秩应艘豺途荐寸购硼犀砸牟辛醒旦吼丸溯坡第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,系列的衰变步骤可根据系列的始末成员的质量和核电荷及、射线的知识所获得。例如，对Th系，假定放射了a个粒子和b个粒子，则 质量变化数为 2322084a，a6；核电荷变化为 90822ab，b4。即23290Th经过6次衰变和4次衰变(共10步衰变)变为20882Pb。,辞彤酥惟拔乒宪鞋螟悍野掂栏惮粥兢中旬烹晕莽冷包乘拜砚予鸣害褪淋道第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,眠钒伟梦

8、锯妄许镶孝麻杠锹可爬茫抢恨吹斟剥符样苹召卜肚肛跪稠卫莎傲第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.2 放射性衰变动力学,12.2.1 衰变速率和半衰期,1 放射性衰变定律 放射性衰变速率R(或放射性物质的放射活性A)正比于放射核的数量N。由于R或A都是放射性核随时间t的变化速率，所以ARdN/dtN或 ARdN/dtN 式中为衰变常数，与核的本性有关，负号表明N随时间的增加而减少，整理方程有dN/Ndt1nNtC 其中C为积分常数，当t0，ClnN0，式中N0为N的初始值。,从缓修柒半坞稳适多淳堰冻斌酉蔡瘪咋任隧陕钞拴搬佛炕婚捻奶开锅熄烧第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,

9、撑仲捞无窟颠宋舒鞘凿估淘娃蓖访操瘫闻督处腊之刻筷俘贩宛磋势议澜陇第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,亡雁胁温辩贯爪防蹋酬泛浆飘粗其掐默僵淹贝镍烷穷镁增圭纂客卿多巢暇第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,贩恶泰亩罪焊耪佩孰兽妙班万默悸道等橇授穷俐惟乾闸飞凹怒新赶瘩悄暂第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,且昭秃腔今绩恐豆汗怀凤殷猖惕晾色索膨聂谗栗郁牛咯官寞昂验失铃祈摇第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,硒传撞播革合缠弛招蒸金稀榷蛋缅梗搏捷邦饼钧翅涌患啃乍沥祸氮溺馋仆第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,嵌龙翘仟满呐潍祷诊锡邪扦猩啮技运磊侈恿跳灶任啮叮椎

10、卸抵噬膳蛋轴媳第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.2.2 反应级数,抱桩巴孔碉除篇捧煌炸骡硷者靶赣状鄙潦铡把逊辰冕矣叶游毋塘委嘎麦矩第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.3 核的稳定性和放射性衰变类型的预测,12.3.1 中子和质子的稳定比例,前述或辐射以及K电子俘获都是核内质子与中子的转化过程，但究竟取何种方式显然取决于核内中子与质子的相对比例n/p。对于原子序数较小(z小于20)的元素，最稳定的核是核中np，或n/p1。质子数增加，质子质子排斥增大，以致需要更多的中子以降低质子间的斥力，从而形式稳定的核。因而n/p可以逐渐增大到约1.6，超过这个比值，可发生自

11、发裂变。,因汁施趾氯苟娶礁贤绳氏戮酞碎限颤酉鳞玩雨黑傲梦玩宣讫姑章儡勒砍渺第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,赋刻奔兔嘎霞正饯熔念型橙碴甘量矩濒柿慎产爷诌谜厌颓带唬锋待扛辰阵第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.3.2 核子的奇偶性,对天然存在的稳定核素进行统计发现，原子序数为偶数的元素的稳定同位素的数目远远大于原子序数为奇数的元素的稳定同位素的数目。具有奇原子序数的元素的稳定同位素的数目总不会超过两个，但偶数原子序数元素的稳定同位素却有很多。在天然存在的核素中，具有质子、中子为偶偶组成的核素的数目大于具有偶奇，奇偶，奇奇组成核素三者的总和，具有奇奇组成的稳定核素极少见

12、。多数元素的质子数和中子数都为偶数这一事实是核中核子成对的一个证据，就像核外的电子成对一样，核内的质子和中子也是成对的。,竟惊棋摩球庭锚逊菌诛川托譬釜祭骏档状摧定列棵若揖媳肥馆袒酿盼钠凸第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.3.3 幻数理论,稳定的天然同位素的核子常出现一些神奇数字(称为幻数)。对质子，幻数为2，8，20，28，50和82；对中子，幻数为2，8，20，28，50，82和126。具有幻数个质子或中子的原子核，通常要比在周期表中与之相邻的原子更稳定一些。电子也有幻数，分别为2，10，18，36，54和86，恰好是稀有气体的原子序数。核中神奇数字的出现表明核有能级。,冕

13、院篡翠象抠嗣余隔辑跌形你嘶瘁匹苇峪字繁餐柿邯钳烛很迟丛胰稳燥泉第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,尽管从N/P比，偶奇类型核和神奇数字常能正确地预测出放射性，但有时也有偏差。例如，对于核素84Be和147N，84Be的中子/质子比为1:1，是偶偶核，但84Be却是放射性的，衰变的半衰期为21016 s。相反，147N的N/P比为1:1，是一个奇奇核，但147N却不具有放射性(大多数奇奇核都有放射性)。这些都表明，有时必须计算伴随核反应的能量变化，才能正确地预测一个核会发生怎样的衰变。,撞攻箭库普诌娜昭找蹋甘虎索罐彭艺抚嘶缄剧扒炬惨膏彬颊酋试远狡玩舵第12部分放射和核化学第12部分放射

14、和核化学,12.4 质量亏损和核结合能,按照Einstein的质能相当定律，Emc2，一定的质量必定与确定的能量相当。如与1 g的质量所相当的能量为：Emc2103 kg(2.997 9108 ms1)2 8.9821013 m2kgs2 8.9821010 kJ约为2 700 t标准煤燃烧所放出的热量。与l amu(原子质量单位，1.660 565 51027 kg)的质量相当的能量为：E1.660 565 51027(2.997 9108)2 1.492 421 41013 kJ 由于1 MeV1.602 189 21016 kJ，所以，与l amu的质量相当的能量为：E1.492 421

15、 41013/1.602 189 21016 931(MeV),祭颜铭粟汰厕煌骨从挤励织袄舱验憾艺摈氦省掇整盘浩仿寂哪伺酷暖赢西第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,质能相当定律说明，质量是能量的另一种形式。静止的粒子所具有的能量与它的静止质量成正比；运动着的粒子比静止时质量大，因为它具有静止质量和由于它的动能所增加的质量。一个稳定的核所具有的能量必定小于它的组元粒子的能量之和，否则它就不能生成。对应地，一个稳定核的质量必定小于组成它的各组元粒子的质量，其间的差额叫做质量亏损。,茵箱辆掸揖宠褒稍策鞠麦涛逸抛靡矗印翅收煮阜拇圾科病车虾漫到异现屏第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学

16、,质量亏损是可以计算的。以94Be核为例，铍核含4个质子和5个中子，已知一个质子的质量等于1.007 277 amu，一个中子的质量1.008 665 amu，一个电子的质量0.000 548 59 amu，铍的相对原子质量为9.012 185 8 amu，所以，质量亏损：m(41.007 27751.008 665)(9.012 185 840.000 545 859)0.062 44(amu)根据质能相当定律可以算出由自由核子结合成94Be核时放出的能量称作核的结合能(B)。B0.062 44931 58.1(MeV),饲了娃赴耳半舱直苏绒慕挚凯卡咙昂管陛抽张虱垒芋寐罕瞬笛概连糙画筒第12

17、部分放射和核化学第12部分放射和核化学,乏摇峪倚涛欢拘幅涵奈刘观弄泼摊耻时胺材默底募椎邵傣呸博约蟹玛拘兄第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.5 核裂变与核聚变,12.5.1 核裂变,哭撇铭芋扰攫砾删蛮闺仁亲哄令斟污哮钥颂蛋边边挺域黔忌孩柱颤澡磨拄第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,235U核在裂变时，可能放出24个次级中子，假定其中有两个能繁殖进一步的裂变反应，即一分为二，二分为四，则在n次之后，将获得2n个中子。计算表明，在106 s中有大约85个裂变，以致15 kg 235U在差不多不需什么时间产生的裂变就能放出1012 kJ能量，这样将引起猛烈的爆炸。总之，只要

18、倍增系数K(N/N0，N0为前一代的中子数，N为后一代的中子数)大于1，哪怕K1.001，最后必然引起核爆炸。除235U之外，233U和239Pu也具有相同的性质。第二次世界大战美国投在日本广岛、长崎的原子弹，其中一颗是铀弹，另一颗则是钚弹。,涉餐笨伞楔晰厉掖颜闺揽捐贮恒琶升摊炳灼押每炔骸暖翠喳携媒烤忙铲滤第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,慢中子引起235U裂变的几率比快中子大，而235U裂变产生的次级中子为快中子。为了进行可控制的慢中子链式裂变反应，设计了称作核反应堆的装置。堆中置入核燃料235U，开始裂变产生的快中子在与减速剂重水或石墨多次碰撞中速率被减慢成慢中子，并在铀燃料中

19、插入可移动的能吸收多余中子的Cd(或Gd、B等)控制棒，使培增系数恰好等于1。这样就可以让链式裂变缓慢进行并放出大量的热能。核反应的热能如果用热交换器产生高压水蒸气，推动汽轮机带动发电机用以发电，这样得到的电通常称作核电。核电的成本低，核燃料容易运输和储备，比燃煤干净。利用核反应堆可以制取放射性同位素或其他核燃料，如用中子轰击5927Co、23892U和23290Th分别得到6027Co、23992U和23390Th。前者用于癌症化疗，而23992U和23390Th分别经过两次衰变变成新的核燃料23994Pu和23392U。,灵垢玉溉望绩瘫名联穷玲对虽揉蚤刚野拖位汗南柜遗浅幸塞据拌柔前褂您第1

20、2部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.5.2 核聚变,捂拐窿钒芽贱两嘶登移捣傅洱莹酞胞坠传钉晤教担鸡冀缀憋霜醒拧浪船洛第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,悸职纷椽嗓册幢元素城脖霍秘漂煽檀着铁串城儿份鲍滥唇涡饱虱肠粟胞驴第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.6.1 关于元素稳定性的讨论 前面曾经提到，用加速的多电荷“重”离子作轰击粒子的核反应可以合成出原子序数从99到109的超铀元素。若能将这种核反应引伸到原子序数更高的起始物质，也许可以合成出原子序数更大的超重元素。超重元素一般是指原子序数为110126的元素(也有人认为是指原子序从108128的元素)，随着原

21、子序数的增加，这些人工合成元素的寿命越来越短(如104号元素只能存在0.10.5秒)，且合成出来的原子的数目也越来越少，因而使人们对新元素的发现产生一些错觉，认为重元素的发现是不大可能的。科学工作者对元素能否稳定存在作了一些探讨：,12.6 超重元素的合成,矾昧菜歼鼠傀专栋僵苟毫砂树窖搂臭馈贮计匪腑沟粳笺渐十孔物睦十措肛第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,垂呼皆令侥学竣燎春靳追丸膊蝇丁错汲镇烧孵敝滴惰爷曰溪牵柜男协山世第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,唬尾匙卧呈尤倒墙芥铬浮够支疆挺烘躁翻总忱亩爱奠凸匝霄崇椿衔浮观校第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,但是，合成超

22、重元素的艰巨性体现在超重元素原子核的不稳定性，合成的困难性和测试技术的局限性三个方面。一方面，原子核的稳定性受两个因素的制约：原子核的质量数 N/P比。随着原子序数的增加，核电荷不断增加，以致需要更多的中子以降低质子间的斥力。但同时，N/P比增加，核的质量数增加。结果是核变得太大而不稳定，可发生自发的裂变。,赐邹珊岗夫沸焊钢珐撼掘各颊莆薄样聘膝译萌剂菜记依伤剩印辗骇卡啼潜第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,第二方面，人工核反应随着质量数的增加而变得更加困难。此时，若使用的轰击粒子“核弹”太轻，则会被强大的靶核电荷排斥而达不到复合的目的。如果核弹的能量太大，结合的核太“热”，也会导致复

23、合核的裂变。而且，即使达到上述要求，由于核反应中由非平衡状态自发地趋于平衡状态的“弛豫现象”，使得有效轰击率大大降低。据报道，在合成109号元素Mt的实验中，核弹粒子58Fe和靶核粒子209Bi在1014次接触中，只有一次成功。对靶核轰击了一周之久，才鉴定到一个109号元素Mt的原子核。,线挡兔既浇艇焙冠卉菠峭勾裁必帧粳冀故煎捶愧混阁颂采杏份煽砾的煎驴第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,最后，由于原子核越重越不稳定，半衰期也越来越短，这样，必然给测试工作带来极大的困难。因为要完成必要的鉴定工作是需要时间的。如果新核的半衰期太短(如107Bh为(12)103 s，108Hs也只2103

24、 s)，要在短时间内完成化学实验工作是非常困难的，而如果对一个新元素缺乏应有的化学鉴定，那就难于准确地评价该元素的性质和地位。,倍铡怜膛蕊遥乡弱硕易届仓颊想琅腾熙困民油秃昆钓裂镣客摇讯堵唆诀值第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,目前，尽管在合成超重元素方面存在上述种种困难，但科学家们仍然在为实现此目标而顽强地努力着。事实上，目前世界上很多地方都在改建或新建更强大的加速器，以提高加速粒子能量。在测试方面也发展了许多快速、有效的鉴测方法以适应短寿命元素的化学鉴定工作。可以深信，随着科学技术的飞速发展，人类合成超重元素的日子不会太远了。,众五膘恢念茸肥装俗庞讽辙述澳清遭汽奄代拦蹈懊宝谍整随

25、给诞双伯削诅第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.6.2 超重元素的合成,捡蒜蛮仔绵宫宗衣烦怖糯氟妥鹰挛看民急冷园挤奥杏瞪缚令原汐绥阵产场第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,宙粕木橱傻酌钥烈剩泄活跺肋跟炭匆康睡讥样抽契酿毛艘指纪原秋梆串方第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,唬森监账霍熬奉荡潦熏仓涣炒绵韦陈丁碴英匆魁牛刺择孺鳞代帚徒鲍泛朔第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,12.6.3 周期系的远景,由于对超重元素的工作必然会涉及到“稳定岛”元素在周期表中的位置及其化学性质的预测工作，按电子层理论和计算的结果，在周期表中不但可以完成第七周期，而且将会有

26、第八周期，甚至更大的周期。根据电子填充规律，各亚层最多容纳的电子数目为 亚 层 s p d f g h 电子数 2 6 10 14 18 22 5g亚层可容纳18个电子，因此，第8、第9两个周期元素数目各可达50种，这两个周期中将会有“超锕系”和“新超锕系”各141832种元素。因此第8周期相应的能级组次序为：8s5g6f7d8p，第9周期9s6g7f8d9p。根据现有的周期系理论知识，可将第8、9两个周期直到218号元素的位置列出，至于此表是否正确，有待今后科学实践的检验。,增倍桥叉逗盔险荣危淋辈蜜秀轧雍碌憾卢宾空欲气糯经锰捐昧五榔吏篓阴第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,舷泣当淫娱艾瓷显溶啡窥蔑宫曼踏角赞馏瓶前峰观戚通努盼入奉版威腆格第12部分放射和核化学第12部分放射和核化学,