核化学基础

引入

化学反应只涉及核外电子的变化,那原子核本身能发生变化吗?

什么是放射性?为什么有些元素会自发地放出射线?

核电站利用的是什么反应?核废料为什么难以处理?

化学研究的对象是原子和分子层面的变化,化学反应中原子核保持不变。但在原子核内部,也存在着另一类变化——核反应。核反应涉及原子核的改变,释放的能量远超化学反应,是核能利用和放射性现象的基础。

正文

定义

核化学是研究原子核的组成、性质和变化规律的学科。核反应是原子核发生变化的过程,包括核衰变、核裂变和核聚变。

原子核的稳定性

原子核由质子和中子组成,统称为核子。

• **质子数（Z）**决定元素种类
• **中子数（N）**影响核的稳定性
• 质量数（A）= Z + N

**同位素:**质子数相同、中子数不同的原子互称同位素。例如 ${}_{}^{}{}_{}^{12}\mathrm{C}$、${}_{}^{}{}_{}^{13}\mathrm{C}$、${}_{}^{}{}_{}^{14}\mathrm{C}$ 是碳的三种同位素。

核稳定性规律:

• 质子数和中子数均为偶数的核最稳定
• 质子数 $\le 20$ 时,$\mathrm{N}/\mathrm{Z}\approx 1$ 的核稳定
• 质子数 $>20$ 时,需要更多中子来抵消质子间的排斥力,$\mathrm{N}/\mathrm{Z}$ 逐渐增大
• 质子数 $>83$（铋之后）的所有元素都具有放射性
• 质子数或中子数为幻数（2, 8, 20, 28, 50, 82, 126）的核特别稳定

放射性衰变

不稳定的原子核会自发地放出射线,转变为另一种核,这个过程叫放射性衰变。

三种射线

射线	本质	电荷	穿透力	电离能力	防护措施
$\alpha$ 射线	氦核 ${}_{}^{}{}_2^4\mathrm{He}$	$+2$	最弱（一张纸可阻挡）	最强	手套即可
$\beta$ 射线	高速电子 ${}_{}^{}{}_{-1}^0\mathrm{e}$	$-1$	中等（几毫米铝板）	中等	铝板
$\gamma$ 射线	高能电磁波	$0$	最强（需要厚铅板或混凝土）	最弱	铅板、混凝土

衰变类型

$\alpha$ 衰变:

${}_{}^{}{}_{92}^{238}\mathrm{U}\to {}_{}^{}{}_{90}^{234}\mathrm{Th}+{}_{}^{}{}_2^4\mathrm{He}$

原子核放出一个 $\alpha$ 粒子,质子数减少 2,质量数减少 4。

$\beta$ 衰变:

${}_{}^{}{}_6^{14}\mathrm{C}\to {}_{}^{}{}_7^{14}\mathrm{N}+{}_{}^{}{}_{-1}^0\mathrm{e}$

原子核中的一个中子转变为质子,放出 $\beta$ 粒子。质子数增加 1,质量数不变。

$\gamma$ 衰变:

$\alpha$ 衰变或 $\beta$ 衰变后的新核处于激发态,放出 $\gamma$ 射线回到基态。$\gamma$ 衰变不改变核的组成。

半衰期

定义

半衰期（$t_{1/2}$）是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。

半衰期是每种放射性核素的固有常数,不受温度、压力、化学状态等外界条件影响。

衰变公式:

$N=N_0{\left(\frac{1}{2}\right)}^{t/t_{1/2}}$

其中 $N_0$ 为初始原子数,$N$ 为经过时间 $t$ 后剩余的原子数。

常见放射性核素的半衰期:

核素	半衰期	应用
${}_{}^{}{}_{}^{14}\mathrm{C}$	$5730$ 年	考古年代测定
${}_{}^{}{}_{}^{131}\mathrm{I}$	$8.04$ 天	甲状腺疾病诊断和治疗
${}_{}^{}{}_{}^{60}\mathrm{Co}$	$5.27$ 年	放射治疗、食品辐照
${}_{}^{}{}_{}^{238}\mathrm{U}$	$4.47\times 10^9$ 年	地质年代测定
${}_{}^{}{}_{}^{235}\mathrm{U}$	$7.04\times 10^8$ 年	核燃料

碳-14 测年法:

生物活着时,体内 ${}_{}^{}{}_{}^{14}\mathrm{C}$ 与大气中的比例保持平衡。生物死亡后,${}_{}^{}{}_{}^{14}\mathrm{C}$ 不再补充,按半衰期衰变减少。通过测量样品中 ${}_{}^{}{}_{}^{14}\mathrm{C}$ 的含量,可以推算死亡年代（适用于 $50000$ 年以内的样品）。

核裂变

定义

核裂变是重原子核分裂成两个较轻原子核的过程,同时释放大量能量和中子。

${}_{}^{}{}_{92}^{235}\mathrm{U}+{}_{}^{}{}_0^1\mathrm{n}\to {}_{}^{}{}_{56}^{141}\mathrm{Ba}+{}_{}^{}{}_{36}^{92}\mathrm{Kr}+3{}_{}^{}{}_0^1\mathrm{n}+能量$

**链式反应:**裂变产生的中子又能引发其他 ${}_{}^{}{}_{}^{235}\mathrm{U}$ 原子核裂变,形成链式反应。

• **不可控链式反应:**原子弹
• **可控链式反应:**核电站（通过控制棒吸收多余中子来控制反应速率）

核能:$1\mathrm{kg}$ ${}_{}^{}{}_{}^{235}\mathrm{U}$ 裂变释放的能量约等于 $2700$ 吨标准煤燃烧释放的能量。

核聚变

定义

核聚变是两个轻原子核结合成一个较重原子核的过程,释放的能量比核裂变更大。

${}_{}^{}{}_1^2\mathrm{H}+{}_{}^{}{}_1^3\mathrm{H}\to {}_{}^{}{}_2^4\mathrm{He}+{}_{}^{}{}_0^1\mathrm{n}+能量$

• 太阳的能量来源就是核聚变
• 核聚变需要极高的温度（数千万度以上）才能发生
• 可控核聚变目前尚未实现商业化应用,被认为是”终极能源”

核化学的应用

领域	应用	说明
能源	核电站	利用可控核裂变发电
医学	放射治疗、同位素示踪	${}_{}^{}{}_{}^{131}\mathrm{I}$ 治疗甲状腺癌,PET 扫描
考古	碳-14 测年	测定有机物年代
农业	辐射育种、食品辐照	改良品种、杀菌保鲜
工业	探伤、测厚	利用射线穿透性

核安全

核辐射的危害:

• 大剂量辐射可导致急性放射病
• 长期低剂量辐射增加癌症风险
• 放射性核素通过食物链富集,危害生态系统

核废料处理:

• 核废料具有长期放射性,需要安全储存
• 深地质处置是目前主要方案
• 半衰期长的核素需要隔离数万年

引出

化学反应和核反应的本质区别是什么?

为什么核聚变释放的能量比核裂变更大?

可控核聚变为什么难以实现?

放射性同位素在医学中还有哪些应用?