核化学与放射化学
化学试剂,九料化工商城 / 2020-11-16
在大多数化学变化中,核的结构并没有发生任何改变;表现出核结合得很紧而电子则与核相连结。然而核也可改变它们的状态。核有时只是简单地改变它们的能量象原子那样以辐射放出过剩的能量。有时它们放射出带电荷的粒子,结果改化和相应的放射物称为放射性。这些变化了核本身的电荷,并因而对应地改变了它们的核。这些变化和相应的放射物称为放射性。
放射性:a-,β-和Y=射线
放射性的早期研究者很快就发现放射性的射线可以分为三类,这三类射线对电场和磁场的反应各不相同,见图1-17。
B--射线(或-粒子)最易鉴别出来,因为它们的性能完全与电子相同,而电子已经是大家所熟悉的了。它们是从核内快速射出的电子流。由于它们带走一个负电荷,便使留下的核增加了一个正电荷,因此,当元素射出一个β-粒子时,就从原子序Z变为原子序Z+1,见图1-18。例如核素15/6C具有β-放射性(它是一种放射性核素),每个原子从核中失去一个电子而变成一个7N原子。注意到电子很轻,故在发生β-放射时核的质量并没有改变;因此14C蜕变为14N,即氮的普通同位素,一般地说,一个A/Z E元素在发生β-放射时便嬗变为
A
2+1E/.
γ-射线既不为电场也不受磁场所偏转,它是一种电磁波,也是电磁光谱的一部分。γ-射线比可见光的频率要高得多,因而波长很短。甚至比x射线的波长还要短(甚至短于100pm)。γ-射线的穿透性很强,由于引起电离作用它能损害生物体的组织。γ-射线在工业中的一种应用是作厚度的测量,并可探测金属构件的裂缝。
γ-辐射的光子是当原子核改变了它的能态,并以辐射的方式放出其过剩能量时产生的。因为核子是强作用力(不同于原子里电子结构中带电粒子间较弱的静电作用力)连结在一起,因而γ-辐射所含的能量及其频率都比原子光谱大得多。γ-射线通常伴随着B-射线(以及a-射线)而发生,因为射线的发射会导致生成一种能级上处于激发状态的新元素,见图1-18。而Y-射线是由原子核失去能量的一种能态变化的结果,所以它的产生并不引起新元素的生成。
a-射线(或a-粒子)最难鉴别,因为当首次发现a-射线时,对与此相类似的东西还一无所知。只有一点它们在电场中偏向负极,表明它们带有正电荷。卢瑟福又一次作出了关键性的实验。它证明当由于a-辐射而蜕变时,其附近就有生成。在偏转试验中测出a-粒子的质荷比之后,很快就得出a-粒子是4₂He2+(即没有电子的氦核,由两个质子和两个中子紧密聚集而成)的结论,核子的结合是非常稳定的,就像一个闭合层的电子结构一样。在某些原子中已证实了原子核内存在着质子和中子结合在一起而构成的a-粒子。
当一个原子核放射出一个a-粒子时,便带走两个正电荷。从而这个元素的原子序数便从x降到3-2,见图1-19。又因a-粒子系由四个核子所组成,a粒子就要带走四个质量单位,故此这个元素的质量数便从A变为A-4由此可知在a辐射的同时,元素A/z E就嬗变为A-4 Z-2 E〞.
例:推断在(a)24/11 Na的β-蜕变和(b)226/88 Ra的d-蜕变中将产生什么样的核素.
方法:利用上述规则:在β-蜕变中A/Z E变为A/Z+1E〞和在a-蜕变中变为A/Z E A-4 Z-2 E.从周期表中所列数据可鉴别出该元素。
解答:(a)A=24,Z=11;因此产生的核素为24/12E〞。原子序Z=12的元素是Mg因此蜕变反应为24/11 Na-→24/12Mg+β.
(b)A=226,Z=88;因此产生的核素为222/86E〞Z=86可鉴定为Rn.故蜕变反应为226/88Ra→222/86Rn+a.
评注:镭的蜕变反应是卢瑟福和罗德斯(Royds)在鉴定a-粒子的过程中得到氡所采用过的试验方法。
元素的嬗变是由于不稳定的核,放射出各种类型的射线而发生的。图1-20很好地说明了铀系的嬗变过程。质量数类似于铀的其它天然放射性元素可蜕变到铅2pb的某些同位素,而铅独特的稳定性曾使人们这样推测:元素114如果可以单独制取出来的话它也是稳定的。星球的内部以及当星球爆炸时可以合成出某些元素。在地球上我们必须用较缓和的方法,在粒子加速器中以碰撞的办法制备出新的原子核。在碰撞时发生的核反应可以下列方式表示（九料化工https://www.999gou.cn/）:
核靶(进入的粒子,出来的粒子)产生的核上“式”必须是平衡的,即碰撞前后原子序和质量数的总和必须相等;电子、质子和中子分别表示为¹-1e,¹₁p和¹0ñ.
例:描述下列核反应所产生的核素:(a)14\7N(¹0n,¹₁P);(b)9/4Be(4₂a,¹﹣0n):(c)7₃Li(¹₁P,4₂a).
方法:产物中的质量数总和必须等于在起始时反应物的质量数的总和;同样原子序也应是如此。故可利用反应平衡的则求出会A/Z E,使A/Z E满足题意的要求,并从周期表定出该核素。
解答:(a)¹7 4N(¹0n,¹₁P)A/Z E必须是A=14,Z=6;产物是¹6/4C.
(b)9/4Be(4₂a,4/0n)会E必须是A=12,Z=6;产物是¹6²C.
(c)7₃Li(¹₁P,4₂a)A/Z E必须是A=4,Z=2,产物是4₂He.
评注:反应(b)曾被恰维克(Chad wick在1932年用来鉴定中子。反应(c)是用人工加速离子首次完成的嬗变作用[1932年在科克洛夫特(Cockcroft)和瓦尔顿(Walton最使用的原子击破器中进行]。重元素是用重的轰击粒子形成的。例如元素106是由反应249Cf(18 O,4¹0n)263 106产生的。
核动力的产生是以核反应中释出的能量为基础的。在核分裂中一个中子的碰撞可以使一个重核破裂,并放出核中的束缚能,甚至还放出更多的中子(质量消失的总结果以E=mC2的关系转变)。这些中子又再使几个邻近的核发生裂变,以至形成一个链反应。
若大量中子被吸收(像在反应堆中发生的情形一样)链反应就可受到控制。若中子不被吸收,链反应就迅速加快而引起爆炸。在核聚变中,当一些轻的核聚变为一个重核时便释放出能量,象星球内部反应一样。在地球上,人们希望尽快掌握受控核聚变反应的条件.
放射性的半衰期
在任一样品中放射性原子蜕变一半所需的时间称为该核素的放射性半衰期,并以t1/2表放射性的半衰期示。半衰期可以短至1秒以下(例如P的半衰期只有3.04×10-7s),也可以长达亿万年以上(例如23V的半衰期长达6×1015年)。
放射性蜕变定律表示放射性样品蜕变的速度这个速度与放射性原子存在的数目成正比:速度=⋌N （1-4-1）
⋌(Lambda)称为蜕变常数,它与半衰期的关系为=(In2)t₁/2。为什么是这样的规律,在处理过反应速度问题之后就能消楚(见第十四章),实质上是意味着核的崩裂为无规则的，这个定律的重要性是它使我们能够推测某些起始样品中尚未蜕变的原子占多大的比例。已知开始时的原子数为N.求经过时间t后所存的原子数可解上式而得:N=Noe ⋌^t(1-4-2）这种按指数蜕变的性质示于图1-21中.
例:核爆炸的一种重要产物是50CO核素。它的半衰期是5.25年.问1982年作过该项试验的一个核装置,经过20年后遗留的核素将是原来核素的几分之几?
方法:用(n2)/t12得出⋌,并以t=200。代⋌式(1-4-2),便可求出分数N/N0.
解答:λ=(1n2)/(5.25)=0.132a-1
由式(1-4-2)得出
N/No=e-(0.132)x20=e-2.64=0.0714或7.14%
评注:本题使我们得到这样的印象:放射性核素,要经历很长时间才能消除。验算表明,核爆炸经过70年后,存在的60Co的分数仍不低于0.01%。
上面结论的一个熟悉和重要的应用是考古学上研究遗迹的年代。在大气中由于宇宙射线对氮轰击的结果,不断产生核素14C。因此,从相当可靠的近似计算得知,14C的丰度大致上是个常数,CO2在大气中所占的分数也是个常数(大约10000个分子中有1个CO2分子)。由于生物体中不断摄取碳的化合物例如复合的分子或者CO2(在光合作用中),故含有一定的4C的百分数。当他们死亡之后便停止摄取,因而14C的含量不再补充而按照半衰期为5570年的放射性蜕变定律进行蜕变。因此若用测量生物体的β活性的方法测出生物体死亡若干时日后,14C与12C的比例,就可表明该生物体的寿命。测量结果的误差部分来自大气中14C的比例,并非是准确的常数,因为这与很多因素有关,如太阳黑子的活性和地球的磁场变化等。采用这种方法是为了要对一些更为直接的记载方法(例如计算树的年轮等)作对比验证。其它的核素(例如40K)也可用作考古学的记载。
在化学中(以及药物学中)应用放射性同位素有很多优点特别是放射性示踪,使我们能够跟踪一个元素通过一连串反应的历程,这在生物化学中特别有用。利用14C从它被摄入到被排出的整个过程中的示踪作用,可以阐明新陈代谢的途径.
核化学与放射化学提要
1.原子由位于中心的原子核及绕核旋转的电子所组成。这种有核原子的结构是由盖革-马尔斯登进行了a-粒子散射试验之后提出的。
2.元素的特性是由它的原子序z,即原子核中的质子数所决定的。一种元素的各种同位素的中子数不同而质子数相同.
3.原子的质量数就是该原子核中核子(质子和中子)的总数。一个核素就是一个指定质量数的原子。
4.元素的相对原子量A是一个指定的核素相对于一个12C原子(质量定为12.0000)的质量。
5.使用质谱仪可以很容易地将质量数、实际质量及核素的丰度测定出来。
6.原子轨道给出原子中电子的分布。
7.s-轨道是球形对称的,p-轨道呈双叶形,而d-轨道则为四个叶形。
8.原子的电子结构是以构造原理推测的电子排布来表示的。这种排布以保利的不相容原理为基础,即一个轨道最多只能容纳两个电子。
9.化学周期性是由于元素的电子结构的周期性引起的,而电子结构的周期性则是自然地从构造原理得来的。
10.电离能是周期性的,原子核对它的最外层价电子的静电作用有关。
11.1s2和1s2,2s2,2p6的排布是闭合层结构的例子。闭合层结构的元素是很稳定的,主要是因为它们排布得很紧密,并且所有电子都紧靠原子核。
12.原子光谱用于鉴别元素、观察电子结构和原子的能级以及测量电离能。这种分析是以波尔频率条件为依据的
13.频率和波长⋌=C/v的光可以看作是一股光子流,每一个光子的能量为hv.其中h为普朗克常数。
14.氢原子光谱可由里德伯格-里兹公式(1-3-3式)概括表示出来.
15.从原子核的放射活性发出的射线可分为三类:a-射线是不带电子的氦核4₂He2+,β-射线是从核中射出的电子,γ-射线是电磁辐射,其波长一般小于100pm.
16.当射出一个a-粒子时,核素A/Z E就嬗变为A-4 Z-2 E;当射出一个β-粒子时,核素就从A/Z E变为Z A+1E′;当射出一道γ-射线时,核素改变它的能量,但本体没有改变。
17.放射活性的半衰期是指样品中该放射核素的丰度减少一半所需的时间。放射活性的蜕变定律意味着放射性物质的丰度按指数关系减少。
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