西北大学：《中级无机化学》课程教学课件（PPT讲稿）第十二章 放射性和核化学

第12章放射性和核化学 12.1放射性衰变过程一自发核反应 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

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

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 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10~103 kJmol-1,而核反应的能量变化在108~10 kJmol-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

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 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10～103 kJ·mol－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放射性衰变过程一自发核反应 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

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

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

一些重要的基本粒子的特征 电荷 质量 自 分类 粒子 符号 (以电子电 (以电子质 旋 衰变 平均寿命 荷为单位) 量作单位) 光子 光子 0 0 稳定 中微子 0 0.005 1/2 稳定 电子 e,B -1 1.000 1/2 稳定(>5×1021年) 轻子 正电子 e*,B* +1 1.000 1/2 稳定(>5X1021年) μ子 ±1 206 1/2 e+2v 5×10-6s 元 元 ±1 273 0 u+v 25ns 介子 π π 0 263 0 5X1014s 质子 p*,H +1 1836 1/2 稳定(>5×1030年) 反质子 -1 1836 1/2 稳定(>5×1030年) 重子 中子 0 1840 1/2 p++e+v 918s 超子 Λ生 +1 n+π 0.1ns

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一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1n变为一个质子1P和一个电子 0_1(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0v。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

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1 0n变为一个质子1 1P和一个电子 0 －1 e(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0 0 ν。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)u-射线4，He2+ -射线是带二个正电荷的氢核流，粒子的质量大约为 氢原子的四倍，速度约为光速的1/15，电离作用强，穿透 本领小，0.1mm厚的铝箔即可阻止或吸收a-射线。 母核放射出-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 22688Ra 2286Rn2-+42He2+。 一 般认为，只有质量数大于209的核素才能发生衰变， 因此，209是构成一个稳定核的最大核子数

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 4 2He2＋ 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，电离作用强，穿透 本领小，0.1 mm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 226 88Ra 222 86Rn2－＋4 2He2＋ 。 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

(2)B-射线0-1（或-1e) B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a-射线的100倍。 核中中子衰变产生_： 'on→1P+0-1e+0y 核素经衰变后，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 210s2Pb一21083Bi+0-1e+oy (3)Y-射线 Y-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Y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

(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γ-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。 (2) β-射线 0 －1β(或0 －1 e) 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： 1 0n 1 1P＋0 －1 e＋0 0 ν 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 210 82Pb 210 83Bi＋0 －1 e＋0 0 ν

(4④)B+-射线0+1B或+1e 作为电子的反物质B+,它的质量和电子相同，电荷 也相同，只是符号相反。 B+衰变可看成是核中的质子转化为中子的过程： 1P 一1on+0+1e+oy 式中。v是反中微子。当B+粒子中和一个电子时，放 出两个能量为0.51MeV的y-光子（这种现象叫“湮没”）。 B++B一2y (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： 二 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

(4) β＋-射线 0 ＋1β或0 ＋1 e 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： 1 1P 1 0n＋0 ＋1 e＋0 0 ν 式中0 0 ν是反中微子。当β＋粒子中和一个电子时，放 出两个能量为0.51 MeV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： 1 1P＋0 －1 e 1 0n＋0 0 ν 7 4Be＋0 －1 e(K) 7 3Li＋0 0 ν 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1n 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。 8736Kr-8636Kr+n+v

(6) 中子辐射 1 0n 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。 87 36Kr 86 36Kr＋1 0n＋0 0 ν