大学普通化学-第二章-元素

1、第二章元素的起源与分布 Chapter2 Resource and Distribution of Elements 核反应与元素的转化 元素的丰度与分布 放射性核素与原子能 地球中的元素 v构成地壳的元素：92种元素 v元素周期表：118种元素 元素与核素 元素：具有相同质子数的一类单核粒子总称 核素：具有确定质子数和中子数的单核粒子 同位素：质子数相同而中子数不同的同一种元素 氕 H 氘 D 氚 T 同位素 2.1 核素的转换与核反应 v核素可通过核化学反应进行转换 v核化学反应可分为三类： v1.核衰变 v2.核裂变 v3.核聚变 2.1.1核衰变（NuclearDecay） v核素可分为稳定性核素和不稳定核素 v目前已发现的3000多种核素，绝大多数是不 稳定核素（也叫放射性核素） v不稳定核素会自发地释放射线蜕变为另一种 核素，该过程叫核衰变。 v核衰变是核素的特征性质，通常不受温度、 压力、电磁场等的影响 v核衰变主要有三类衰变、衰变、g衰变 (1) 衰变-释释放-射线线 v放射性核素释放粒子蜕变的过程。 v -射线线是带带二个正电电荷的氦核流（ 42He2），速 度约为约

2、为 光速的1/15，电电离作用强，但穿透本领领小， 0.1 mm厚的铝铝箔即可阻止或吸收-射线线。 v母核放射出-射线线后，子体的核电电荷和质质量数与母 体相比分别别减少2和4。子核在周期表中左移二格， 如： v 22688Ra 22286Rn242He2。 v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。 (2) 衰变-释放-射线 v -射线是带负电的电子流（01或01e），速度与 光速接近，电电离作用弱，穿透能力约为约为 -射线线的 100倍。 v 核中中子衰变产变产 生01： v 10n 11P 01e （衰变是一个中子变成一个质子和电子释放出来 ） v 核素经经衰变变后，质质量数保持不变变，但子核的 核电电荷较较母核增加一个单单位，在周期表中位置右移 一格。如 v 210 82Pb 210 83Bi 0 1e (3) g衰变-释放g-射线 vg-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

3、 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。 v发射出g-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。 2.1.2人工核反应和人工放射性 9 1.第一个人工核反应 在1919年由卢瑟福完成的。 这是人类历史上第一次人工实现“点金术”：使 一个元素变成了另一个元素。 2.第一个在加速器上实现的核反应 v1932年，英国考克拉夫(J.D.Cockcroft)和瓦尔 顿顿(E.T.S.Walton) ，把质质子加速到500千电电子 伏，实现实现 如下核反应应： v释释放的粒子每一个具有8.9MeV动动能;因此, 输输入能量为为0.5MeV,输输出的能量为为17.8MeV 。这这是释释放核能的一个例子。 3. 产生第一个人工放射性核素的反应 v1934年，法国约约里奥居里夫妇妇用下列反应应产产 生了第一个人工放射性核素： v产产物30P是+放射性核素，半衰期为为2.6分 放射性衰变系 v许多放射性同位素并非一次衰变就达到稳定，而是一代接一 代地衰变，直到稳定的核素为止，这样就构成一个放射系， 自然界共有四个放射系，其中三个是天然存在的，一个是人 工制

4、造的。 v钍钍系：A = 4n ; 铀铀系：A = 4n+2 v锕锕系：A = 4n+3 ; 镎镎系：A = 4n+1（人工） vA是核素的质质量数 v表示一个特定系列的所有成员员其质质量数都可以恰好 被4整除，或者被4整除后的余数为为1，2，3. 其中A 是核素的质质量数。 放射性衰变系 vTh(4n)系，包括13种核素，由23290Th 20882Pb vU(4n2)系，包括18种核素，由23892U 20682Pb vAc(4n3)系，包括15种核素，由23592U 22789Ac v 20782Pb。 vNp(4n1)系，包括15种核素， v由24194Pu 23792Np 20983Bi v系与系间间没有交错错，即一个序列的核不能衰变为变为 另 一序列的核。 10步衰变 14步衰变 3步衰变 7步衰变 2步衰变11步衰变 2.1.3 放射性衰变动力学 v1. 放射性衰变定律 v放射核的数量N与时间时间 有如下关系： vdN/Ndt， NN 0et vl为衰变常数，与核的本性有关，N0为为N的初 始值。 v所以， t lg N/N0 2.303 l 符合一级动力学规律 将在动力

5、学 那章中介绍 2.1.4 核裂变 v1938年，O.Haln和F.Strassman用中子轰击 铀靶时，发现铀核俘获中子后会分裂成质量 差不多的两块碎片，同时放出巨大能量，这 种核反应过程被称为核裂变。 v后来又发现某些重原子在没有外界激发的条 件下也会发生裂变，这个过程被称为自发裂 变，对应，前者又被称作诱发裂变 核的结合能 v原子核裂变时变时 ，释发释发 出巨大的能量。这这是因 为为，重核的平均结结合能较较小，不稳稳定，在分 裂为为平均结结合能大的较轻较轻 的核素时时，有部分 结结合能释释放之故。 v结结合能可以通过质过质 量亏损损来衡量： v以94Be核为为例， 铍铍核含4个质质子和5个中子，已知一个质质子的质质量等于 1.007 277 amu，一个中子的质质量1.008 665 amu，一个 电电子的质质量0.000 548 59 amu，铍铍的相对对原子质质量为为 9.012 185 8 amu，所以，质质量亏损损： m(41.007 27751.008 665) (9.012 185 840.000 545 859) 0.062 44 (amu) 根据质质能相当定律可以

6、算出由自由核子结结合成94Be核 时时放出的能量称作核的结结合能(B)。 B0.062 4493158.1 (MeV) l amu的质质量相当的能量为为： E 931 (MeV/ amu) 以慢中子轰击轰击 235U为 为例，裂变产变产 物从30Zn到64Gd等30多种元 素超过过200种以上的放射性核素，但质质量数均不小于72和大 于162，其中几率最大(60)的为为A95和139。假定这这是95Sr 和139Xe 235U 1n 95Sr 139Xe 21n 质质量 235.042 3 1.008 7 94.905 8 138.905 5 1.008 7 m235.042 31.008 794.905 8138.905 5 21.008 7 0.222 3 (amu) 或 E 0.222 3 931 = 207(MeV)。 1g：（1235）6.0221023207 =5.301023 (MeV) 核裂变的能量 链式反应与原子能 v当235U发发生裂变时变时 ，一个235U核会释释放2-3个 中子，这这些中子再去轰击轰击 其他235U核，诱发诱发 新的核裂变变，这这种不断扩张扩张

7、的裂变变反应过应过 程 就被称作链链式反应应。 v计计算表明，在106 s中有大约约85个裂变变，以 致15 kg 235U在差不多不需什么时间产时间产 生的裂 变变就能放出1012 kJ能量，这样这样 将引起猛烈的 爆炸。（第二次世界大战战美国投在日本广岛岛、长长崎的原子弹弹，其中 一颗颗是铀弹铀弹 ，另一颗则颗则 是钚弹钚弹 。 ） 2.3 核聚变 v由2个或多个氢原子核聚合形成一个较重的核 的过程称为核聚变 v比如： 3H2H 4He1n v放出17.6 MeV的能量（根据质质量损损失） v单单位质质量上，所释释放的能量是核裂变变的4倍 v聚变变反应应必须须在高温条件下(108以上)才能 进进行。故聚变变反应应也称为为热热核反应应，所谓谓 氢弹实际氢弹实际 上是用小型铀弹产铀弹产 生的高温引发发 氢氢的同位素聚变变的热热核反应应。 核能的和平利用 v原子能核电站 v国家能源局2月17日公布的2017年能源工 作指导意见指出： v截至2016年12月10日，中国已建成并投入在 运的核电机组有36台，累计装机容量约3350 万千瓦;在建核电机组21台，共计装机容量 2343.5万千瓦

8、。到2020年运行核电装机力争 达到5800万千瓦， 核电站事故 v1986年4月26日当地时间1点24分，前苏联的 乌克兰共和国切尔诺贝利（ Chernobyl）核能发电厂（原本以列宁的名字 来命名）4号反应堆发生严重泄漏及爆炸事故 ，大约有1650平方千米的土地被辐射。（相 当于400颗美国投到日本的原子弹） v2011年3月11日日本地震海啸已发福岛核电 站事故，4个发电机组爆炸，已发生核泄露。 2.2 元素的形成 v宇宙大爆炸模型（TheBig BangTheory） v1927年，比利时天文学家 和宇宙学家勒梅特（ GeorgesLematre）首次 提出了宇宙大爆炸假说。 Abbe George LeMaitre 2.2.1 宇宙大爆炸模型 15Ga以前, 在一个比硬币还小的区域(奇异点：温度为 1031 K，潜藏的能量密度为1098尔格/立方厘米)，在10-9 s内发生一个剧烈的爆炸Big Bang（宇宙大爆炸） 大爆炸及 其后果图( 来源：美 国宇航局 网站） 1Ga=10亿年 Rings of glowing gas surrounding the site of t

9、he supernova explosion named Supernova 1987A photographed by the wide field planetary camera on the Hubble Space Telescope in 1994. The nature of the rings is uncertain, but they may be probably debris of the supernova illuminated by high- energy beams of radiation or particles originating from the supernova remnant in the center. FromWhite,2000 从哈勃望远镜看到的超 新星1987A的星团和碎 片光环逐渐扩大，是 对宇宙大爆炸理论的支 持 10-5s 后，夸克(quark)熔合成质子(Proton)、 中子(Neutron)和其它强子(Hadrons). 然后质 子熔合成氦原子核(He nuclei) 和其它原子核. 30min后, 宇宙物质主要

10、由1H和4He组成，以及 一些 2H (deuterium) 3He. 300,000 years后: 中性的原子出现，宇宙大小 是现在的几千分之一. 这些过程，伴随着膨胀和冷却. 当宇宙到达现在的1/5大小的时候，中性原子 粘结为气体云(gas clouds)，从气体云演化 出恒星(stars) ，出现星系(galaxies). 当宇宙到达现在的1/2大小的时候，大多数重 元素在恒星中由核反应产生。这些重元素是 行星的起源。 当宇宙到达现在的2/3大小的时候（5 Ga前） 太阳系开始起源. 由宇宙大爆炸播下的氢和氦这两颗种子一直到约40亿 年后才开始发芽、结果。随后的元素形成过程是伴随 着恒星的演化而来的，让我们来看看恒星的成长路线 。 恒星的 演化过 程示意 图 2.3 元素的形成 v质子、中子融合形成H和He， v再进一步形成氢元素到重元素 v这些要经过几十亿年 该图为很宽质量数 范围内的平均核子结 合能，清楚地表明， 结合能最高的位于Fe -Ni区，尤其是56Fe这这 个偶偶核。56Fe的质质 子数为为26，中子数 为为30，均为为偶数)， 是最稳定的核。 因此，合成Fe-Ni

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