放射性和核化学

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1、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10～103kJ·mol

2、－1，而核反应的能量变化在108～109kJ·mol－1。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。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。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

3、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。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

4、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0－1e(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00ν。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。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：(1)α-射线42He2＋α-射线是带二个正电荷的氦核流，粒子的质量大约为氢原子的四倍，速度约为光速的1/15，电

5、离作用强，穿透本领小，0.1mm厚的铝箔即可阻止或吸收α-射线。母核放射出α-射线后，子体的核电荷和质量数与母体相比分别减少2和4。子核在周期表中左移二格，如22688Ra22286Rn2－＋42He2＋。一般认为，只有质量数大于209的核素才能发生α衰变，因此，209是构成一个稳定核的最大核子数。(3)γ-射线γ-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200mm厚的铁或88mm厚的铅板，没有质量，其光谱类似于元素的原子光谱。发射出γ-射线后

6、，原子核的质量数和电荷数保持不变，只是能量发生了变化。(2)β-射线0－1β(或0－1e)β-射线是带负电的电子流，速度与光速接近，电离作用弱，穿透能力约为α-射线的100倍。核中中子衰变产生0－1β：10n11P＋0－1e＋00ν核素经β衰变后，质量数保持不变，但子核的核电荷较母核增加一个单位，在周期表中位置右移一格。如21082Pb21083Bi＋0－1e＋00ν(4)β＋-射线0＋1β或0＋1e作为电子的反物质β＋，它的质量和电子相同，电荷也相同，只是符号相反。β＋衰变可看成是核中的质子转化为中子的过程：11P10n＋0＋1e＋00ν式中00ν是反中微子。当β＋粒子

7、中和一个电子时，放出两个能量为0.51MeV的γ-光子(这种现象叫“湮没”)。β＋＋β－2γ(5)K电子俘获人工富质子核可以从核外K层俘获一个轨道电子，将核中的一个质子转化为一个中子和一个中微子：11P＋0－1e10n＋00ν74Be＋0－1e(K)73Li＋00ν在K电子俘获的同时还会伴随有X-射线的放出，这是由于处于较高能级的电子跳回K层，补充空缺所造成的。(6)中子辐射10n具有高中子数的核都可能发生中子衰变，不过，由于核中中子的结合能较高，所以中子衰变较为稀少。8736Kr8636Kr＋10n＋00ν12.1.3放射性