核化學(xué)與放射化學(xué)
化學(xué)試劑,九料化工商城 / 2020-11-16
在大多數(shù)化學(xué)變化中,核的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生任何改變;表現(xiàn)出核結(jié)合得很緊而電子則與核相連結(jié)。然而核也可改變它們的狀態(tài)。核有時(shí)只是簡(jiǎn)單地改變它們的能量象原子那樣以輻射放出過(guò)剩的能量。有時(shí)它們放射出帶電荷的粒子,結(jié)果改化和相應(yīng)的放射物稱為放射性。這些變化了核本身的電荷,并因而對(duì)應(yīng)地改變了它們的核。這些變化和相應(yīng)的放射物稱為放射性。
放射性:a-,β-和Y=射線
放射性的早期研究者很快就發(fā)現(xiàn)放射性的射線可以分為三類,這三類射線對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的反應(yīng)各不相同,見圖1-17。
B--射線(或-粒子)最易鑒別出來(lái),因?yàn)樗鼈兊男阅芡耆c電子相同,而電子已經(jīng)是大家所熟悉的了。它們是從核內(nèi)快速射出的電子流。由于它們帶走一個(gè)負(fù)電荷,便使留下的核增加了一個(gè)正電荷,因此,當(dāng)元素射出一個(gè)β-粒子時(shí),就從原子序Z變?yōu)樵有?/span>Z+1,見圖1-18。例如核素15/6C具有β-放射性(它是一種放射性核素),每個(gè)原子從核中失去一個(gè)電子而變成一個(gè)7N原子。注意到電子很輕,故在發(fā)生β-放射時(shí)核的質(zhì)量并沒(méi)有改變;因此14C蛻變?yōu)?4N,即氮的普通同位素,一般地說(shuō),一個(gè)A/Z E元素在發(fā)生β-放射時(shí)便嬗變?yōu)?/span>
A
2+1E/.
γ-射線既不為電場(chǎng)也不受磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn),它是一種電磁波,也是電磁光譜的一部分。γ-射線比可見光的頻率要高得多,因而波長(zhǎng)很短。甚至比x射線的波長(zhǎng)還要短(甚至短于100pm)。γ-射線的穿透性很強(qiáng),由于引起電離作用它能損害生物體的組織。γ-射線在工業(yè)中的一種應(yīng)用是作厚度的測(cè)量,并可探測(cè)金屬構(gòu)件的裂縫。
γ-輻射的光子是當(dāng)原子核改變了它的能態(tài),并以輻射的方式放出其過(guò)剩能量時(shí)產(chǎn)生的。因?yàn)楹俗邮菑?qiáng)作用力(不同于原子里電子結(jié)構(gòu)中帶電粒子間較弱的靜電作用力)連結(jié)在一起,因而γ-輻射所含的能量及其頻率都比原子光譜大得多。γ-射線通常伴隨著B-射線(以及a-射線)而發(fā)生,因?yàn)樯渚€的發(fā)射會(huì)導(dǎo)致生成一種能級(jí)上處于激發(fā)狀態(tài)的新元素,見圖1-18。而Y-射線是由原子核失去能量的一種能態(tài)變化的結(jié)果,所以它的產(chǎn)生并不引起新元素的生成。
a-射線(或a-粒子)最難鑒別,因?yàn)楫?dāng)首次發(fā)現(xiàn)a-射線時(shí),對(duì)與此相類似的東西還一無(wú)所知。只有一點(diǎn)它們?cè)陔妶?chǎng)中偏向負(fù)極,表明它們帶有正電荷。盧瑟福又一次作出了關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)。它證明當(dāng)由于a-輻射而蛻變時(shí),其附近就有生成。在偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)中測(cè)出a-粒子的質(zhì)荷比之后,很快就得出a-粒子是4?He2+(即沒(méi)有電子的氦核,由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子緊密聚集而成)的結(jié)論,核子的結(jié)合是非常穩(wěn)定的,就像一個(gè)閉合層的電子結(jié)構(gòu)一樣。在某些原子中已證實(shí)了原子核內(nèi)存在著質(zhì)子和中子結(jié)合在一起而構(gòu)成的a-粒子。
當(dāng)一個(gè)原子核放射出一個(gè)a-粒子時(shí),便帶走兩個(gè)正電荷。從而這個(gè)元素的原子序數(shù)便從x降到3-2,見圖1-19。又因a-粒子系由四個(gè)核子所組成,a粒子就要帶走四個(gè)質(zhì)量單位,故此這個(gè)元素的質(zhì)量數(shù)便從A變?yōu)锳-4由此可知在a輻射的同時(shí),元素A/z E就嬗變?yōu)?/span>A-4 Z-2 E〞.
例:推斷在(a)24/11 Na的β-蛻變和(b)226/88 Ra的d-蛻變中將產(chǎn)生什么樣的核素.
方法:利用上述規(guī)則:在β-蛻變中A/Z E變?yōu)锳/Z+1E〞和在a-蛻變中變?yōu)锳/Z E A-4 Z-2 E.從周期表中所列數(shù)據(jù)可鑒別出該元素。
解答:(a)A=24,Z=11;因此產(chǎn)生的核素為24/12E〞。原子序Z=12的元素是Mg因此蛻變反應(yīng)為24/11 Na-→24/12Mg+β.
(b)A=226,Z=88;因此產(chǎn)生的核素為222/86E〞Z=86可鑒定為Rn.故蛻變反應(yīng)為226/88Ra→222/86Rn+a.
評(píng)注:鐳的蛻變反應(yīng)是盧瑟福和羅德斯(Royds)在鑒定a-粒子的過(guò)程中得到氡所采用過(guò)的試驗(yàn)方法。
元素的嬗變是由于不穩(wěn)定的核,放射出各種類型的射線而發(fā)生的。圖1-20很好地說(shuō)明了鈾系的嬗變過(guò)程。質(zhì)量數(shù)類似于鈾的其它天然放射性元素可蛻變到鉛2pb的某些同位素,而鉛獨(dú)特的穩(wěn)定性曾使人們這樣推測(cè):元素114如果可以單獨(dú)制取出來(lái)的話它也是穩(wěn)定的。星球的內(nèi)部以及當(dāng)星球爆炸時(shí)可以合成出某些元素。在地球上我們必須用較緩和的方法,在粒子加速器中以碰撞的辦法制備出新的原子核。在碰撞時(shí)發(fā)生的核反應(yīng)可以下列方式表示（九料化工http://f670.cn/）:
核靶(進(jìn)入的粒子,出來(lái)的粒子)產(chǎn)生的核上“式”必須是平衡的,即碰撞前后原子序和質(zhì)量數(shù)的總和必須相等;電子、質(zhì)子和中子分別表示為¹-1e,¹?p和¹0ñ.
例:描述下列核反應(yīng)所產(chǎn)生的核素:(a)14\7N(¹0n,¹?P);(b)9/4Be(4?a,¹﹣0n):(c)7?Li(¹?P,4?a).
方法:產(chǎn)物中的質(zhì)量數(shù)總和必須等于在起始時(shí)反應(yīng)物的質(zhì)量數(shù)的總和;同樣原子序也應(yīng)是如此。故可利用反應(yīng)平衡的則求出會(huì)A/Z E,使A/Z E滿足題意的要求,并從周期表定出該核素。
解答:(a)¹7 4N(¹0n,¹?P)A/Z E必須是A=14,Z=6;產(chǎn)物是¹6/4C.
(b)9/4Be(4?a,4/0n)會(huì)E必須是A=12,Z=6;產(chǎn)物是¹6²C.
(c)7?Li(¹?P,4?a)A/Z E必須是A=4,Z=2,產(chǎn)物是4?He.
評(píng)注:反應(yīng)(b)曾被恰維克(Chad wick在1932年用來(lái)鑒定中子。反應(yīng)(c)是用人工加速離子首次完成的嬗變作用[1932年在科克洛夫特(Cockcroft)和瓦爾頓(Walton最使用的原子擊破器中進(jìn)行]。重元素是用重的轟擊粒子形成的。例如元素106是由反應(yīng)249Cf(18 O,4¹0n)263 106產(chǎn)生的。
核動(dòng)力的產(chǎn)生是以核反應(yīng)中釋出的能量為基礎(chǔ)的。在核分裂中一個(gè)中子的碰撞可以使一個(gè)重核破裂,并放出核中的束縛能,甚至還放出更多的中子(質(zhì)量消失的總結(jié)果以E=mC2的關(guān)系轉(zhuǎn)變)。這些中子又再使幾個(gè)鄰近的核發(fā)生裂變,以至形成一個(gè)鏈反應(yīng)。
若大量中子被吸收(像在反應(yīng)堆中發(fā)生的情形一樣)鏈反應(yīng)就可受到控制。若中子不被吸收,鏈反應(yīng)就迅速加快而引起爆炸。在核聚變中,當(dāng)一些輕的核聚變?yōu)橐粋€(gè)重核時(shí)便釋放出能量,象星球內(nèi)部反應(yīng)一樣。在地球上,人們希望盡快掌握受控核聚變反應(yīng)的條件.
放射性的半衰期
在任一樣品中放射性原子蛻變一半所需的時(shí)間稱為該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),也可以長(zhǎng)達(dá)億萬(wàn)年以上(例如23V的半衰期長(zhǎng)達(dá)6×1015年)。
放射性蛻變定律表示放射性樣品蛻變的速度這個(gè)速度與放射性原子存在的數(shù)目成正比:速度=?N （1-4-1）
?(Lambda)稱為蛻變常數(shù),它與半衰期的關(guān)系為=(In2)t?/2。為什么是這樣的規(guī)律,在處理過(guò)反應(yīng)速度問(wèn)題之后就能消楚(見第十四章),實(shí)質(zhì)上是意味著核的崩裂為無(wú)規(guī)則的，這個(gè)定律的重要性是它使我們能夠推測(cè)某些起始樣品中尚未蛻變的原子占多大的比例。已知開始時(shí)的原子數(shù)為N.求經(jīng)過(guò)時(shí)間t后所存的原子數(shù)可解上式而得:N=Noe ?^t(1-4-2）這種按指數(shù)蛻變的性質(zhì)示于圖1-21中.
例:核爆炸的一種重要產(chǎn)物是50CO核素。它的半衰期是5.25年.問(wèn)1982年作過(guò)該項(xiàng)試驗(yàn)的一個(gè)核裝置,經(jīng)過(guò)20年后遺留的核素將是原來(lái)核素的幾分之幾?
方法:用(n2)/t12得出?,并以t=200。代?式(1-4-2),便可求出分?jǐn)?shù)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%
評(píng)注:本題使我們得到這樣的印象:放射性核素,要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間才能消除。驗(yàn)算表明,核爆炸經(jīng)過(guò)70年后,存在的60Co的分?jǐn)?shù)仍不低于0.01%。
上面結(jié)論的一個(gè)熟悉和重要的應(yīng)用是考古學(xué)上研究遺跡的年代。在大氣中由于宇宙射線對(duì)氮轟擊的結(jié)果,不斷產(chǎn)生核素14C。因此,從相當(dāng)可靠的近似計(jì)算得知,14C的豐度大致上是個(gè)常數(shù),CO2在大氣中所占的分?jǐn)?shù)也是個(gè)常數(shù)(大約10000個(gè)分子中有1個(gè)CO2分子)。由于生物體中不斷攝取碳的化合物例如復(fù)合的分子或者CO2(在光合作用中),故含有一定的4C的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)他們死亡之后便停止攝取,因而14C的含量不再補(bǔ)充而按照半衰期為5570年的放射性蛻變定律進(jìn)行蛻變。因此若用測(cè)量生物體的β活性的方法測(cè)出生物體死亡若干時(shí)日后,14C與12C的比例,就可表明該生物體的壽命。測(cè)量結(jié)果的誤差部分來(lái)自大氣中14C的比例,并非是準(zhǔn)確的常數(shù),因?yàn)檫@與很多因素有關(guān),如太陽(yáng)黑子的活性和地球的磁場(chǎng)變化等。采用這種方法是為了要對(duì)一些更為直接的記載方法(例如計(jì)算樹的年輪等)作對(duì)比驗(yàn)證。其它的核素(例如40K)也可用作考古學(xué)的記載。
在化學(xué)中(以及藥物學(xué)中)應(yīng)用放射性同位素有很多優(yōu)點(diǎn)特別是放射性示蹤,使我們能夠跟蹤一個(gè)元素通過(guò)一連串反應(yīng)的歷程,這在生物化學(xué)中特別有用。利用14C從它被攝入到被排出的整個(gè)過(guò)程中的示蹤作用,可以闡明新陳代謝的途徑.
核化學(xué)與放射化學(xué)提要
1.原子由位于中心的原子核及繞核旋轉(zhuǎn)的電子所組成。這種有核原子的結(jié)構(gòu)是由蓋革-馬爾斯登進(jìn)行了a-粒子散射試驗(yàn)之后提出的。
2.元素的特性是由它的原子序z,即原子核中的質(zhì)子數(shù)所決定的。一種元素的各種同位素的中子數(shù)不同而質(zhì)子數(shù)相同.
3.原子的質(zhì)量數(shù)就是該原子核中核子(質(zhì)子和中子)的總數(shù)。一個(gè)核素就是一個(gè)指定質(zhì)量數(shù)的原子。
4.元素的相對(duì)原子量A是一個(gè)指定的核素相對(duì)于一個(gè)12C原子(質(zhì)量定為12.0000)的質(zhì)量。
5.使用質(zhì)譜儀可以很容易地將質(zhì)量數(shù)、實(shí)際質(zhì)量及核素的豐度測(cè)定出來(lái)。
6.原子軌道給出原子中電子的分布。
7.s-軌道是球形對(duì)稱的,p-軌道呈雙葉形,而d-軌道則為四個(gè)葉形。
8.原子的電子結(jié)構(gòu)是以構(gòu)造原理推測(cè)的電子排布來(lái)表示的。這種排布以保利的不相容原理為基礎(chǔ),即一個(gè)軌道最多只能容納兩個(gè)電子。
9.化學(xué)周期性是由于元素的電子結(jié)構(gòu)的周期性引起的,而電子結(jié)構(gòu)的周期性則是自然地從構(gòu)造原理得來(lái)的。
10.電離能是周期性的,原子核對(duì)它的最外層價(jià)電子的靜電作用有關(guān)。
11.1s2和1s2,2s2,2p6的排布是閉合層結(jié)構(gòu)的例子。閉合層結(jié)構(gòu)的元素是很穩(wěn)定的,主要是因?yàn)樗鼈兣挪嫉煤芫o密,并且所有電子都緊靠原子核。
12.原子光譜用于鑒別元素、觀察電子結(jié)構(gòu)和原子的能級(jí)以及測(cè)量電離能。這種分析是以波爾頻率條件為依據(jù)的
13.頻率和波長(zhǎng)?=C/v的光可以看作是一股光子流,每一個(gè)光子的能量為hv.其中h為普朗克常數(shù)。
14.氫原子光譜可由里德伯格-里茲公式(1-3-3式)概括表示出來(lái).
15.從原子核的放射活性發(fā)出的射線可分為三類:a-射線是不帶電子的氦核4?He2+,β-射線是從核中射出的電子,γ-射線是電磁輻射,其波長(zhǎng)一般小于100pm.
16.當(dāng)射出一個(gè)a-粒子時(shí),核素A/Z E就嬗變?yōu)锳-4 Z-2 E;當(dāng)射出一個(gè)β-粒子時(shí),核素就從A/Z E變?yōu)閆 A+1E′;當(dāng)射出一道γ-射線時(shí),核素改變它的能量,但本體沒(méi)有改變。
17.放射活性的半衰期是指樣品中該放射核素的豐度減少一半所需的時(shí)間。放射活性的蛻變定律意味著放射性物質(zhì)的豐度按指數(shù)關(guān)系減少。
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