《m放射性和核反应.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《m放射性和核反应.pptx（68页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、放射性衰变过程自发核反应放射性衰变过程自发核反应放射性衰变动力学放射性衰变动力学核的稳定性和放射性衰变类型的预测核的稳定性和放射性衰变类型的预测质量亏损和核结合能质量亏损和核结合能核裂变与核聚变核裂变与核聚变超重元素的合成超重元素的合成习题习题:4,5,7,10,13,15,18,20(1)、(3)、(5)、(7、)(9)、(11)、(13)要点要点第1页/共68页原原子子核核通通过过自自发发衰衰变变或或人人工工轰轰击击而而进进行行的的核核反反应应与与化学反应有根本的不同：化学反应有根本的不同：第第一一，化化学学反反应应涉涉及及核核外外电电子子的的变变化化，但但核核反反应应的的结果是原子核发生
2、了变化。结果是原子核发生了变化。第第二二，化化学学反反应应不不产产生生新新的的元元素素，但但在在核核反反应应中中，一种元素嬗变为另一种元素。一种元素嬗变为另一种元素。12.1放射性衰变过程自发核反应放射性衰变过程自发核反应第2页/共68页第第三三，化化学学反反应应中中各各同同位位素素的的反反应应是是相相似似的的，而而核反应中各同位素的反应不同。核反应中各同位素的反应不同。第第四四，化化学学反反应应与与化化学学键键有有关关，核核反反应应与与化化学学键键无关。无关。第第五五，化化学学反反应应吸吸收收和和放放出出的的能能量量大大约约为为10103kJmol1，而核反应的能量变化在，而核反应的能量变化
3、在108109kJmol1。最最后后，在在化化学学反反应应中中，反反应应前前后后物物质质的的总总质质量量不不变，但在核反应中会发生质量亏损。变，但在核反应中会发生质量亏损。第3页/共68页12.1.1基本粒子简介基本粒子简介 基基本本粒粒子子是是泛泛指指比比原原子子核核小小的的物物质质单单元元，包包括括电电子子、中中子子、质质子子、光光子子以以及及在在宇宇宙宙射射线线和和高高能能原原子子核核实验中所发现的一系列粒子。实验中所发现的一系列粒子。已已经经发发现现的的基基本本粒粒子子有有30余余种种，连连同同它它们们的的共共振振态态(基基本本粒粒子子相相互互碰碰撞撞时时，会会在在短短时时间间内内形形
4、成成由由二二个个、三个粒子结合在一起的粒子三个粒子结合在一起的粒子)共有共有300余种。余种。许多基本粒子都有对应的反粒子。许多基本粒子都有对应的反粒子。第4页/共68页每每一一种种基基本本粒粒子子都都有有确确定定的的质质量量、电电荷荷、自自旋旋和和平平均均寿寿命命，它它们们多多数数是是不不稳稳定定的的，在在经经历历一一定定的的平平均均寿命后转化为别种基本粒子。寿命后转化为别种基本粒子。一一些些重重要要的的基基本本粒粒子子的的性性质质已已经经确确定定并并列列成成了了表表，认认识识这这些些基基本本粒粒子子的的特特性性对对了了解解放放射射性性衰衰变变具具有有重重要要意义。意义。第5页/共68页根根
5、据据基基本本粒粒子子的的静静止止质质量量大大小小及及其其他他性性质质差差异异可可将将基基本本粒粒子子分分为为四四类类：光光子子、轻轻子子、介介子子和和重重子子(包包括括核核子，超子子，超子)。物物质质是是无无限限可可分分的的，基基本本粒粒子子的的概概念念将将随随着着人人们们对对物质结构认识的进展而不断发展。物质结构认识的进展而不断发展。事事实实上上，“基基本本粒粒子子”也也有有其其内内部部结结构构，因因而而不不能能认认为为“基基本本粒粒子子”就就是是物物质质最最后后的的最最简简单单且且基基本本的的组组成成单单元元，而而且且，也也并并非非所所有有的的基基本本粒粒子子都都存存在在于于原原子子核核中
6、中，一一些些基基本本粒粒子子，如如正正电电子子、介介子子、中中微微子子等等都都是是核核子子(质质子子和和中中子子的的总总称称)核核子子以以及及质质能能相相互互作作用用的的副副产产物。物。第6页/共68页一些重要的基本粒子的特征一些重要的基本粒子的特征 第7页/共68页正正电电子子在在独独立立存存在在时时是是稳稳定定的的，但但与与电电子子相相遇遇时时就就一起转化为一对光子。一起转化为一对光子。反反质质子子P与与质质子子具具有有相相同同的的特特征征，只只是是电电荷荷相相反反，在在自自然然界界反反质质子子不不能能稳稳定定存存在在，因因为为它它能能同同物物质质相相互互作作用而迅速毁灭。用而迅速毁灭。如
7、如果果由由一一个个中中子子10n变变为为一一个个质质子子11P和和一一个个电电子子 01e(三三个个粒粒子子的的自自旋旋均均为为1/2)时时,为为了了平平衡衡自自旋旋需需要要生生成成一一个个中中微微子子00。中中微微子子静静止止质质量量为为0,电电中中性性,自自旋旋1/2，以光速运动，以光速运动,几乎不被物质所吸收几乎不被物质所吸收,穿透力极强。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，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。作为一个整体，中子是电中性的。第8页/共68页12.1.2放射性射线放射性射线 天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线：天
8、然放射性核素在衰变时可以放出三种射线：(1)射线射线42He2射射线线是是带带二二个个正正电电荷荷的的氦氦核核流流，粒粒子子的的质质量量大大约约为为氢氢原原子子的的四四倍倍，速速度度约约为为光光速速的的1/15，电电离离作作用用强强，穿穿透本领小，透本领小，0.1mm厚的铝箔即可阻止或吸收厚的铝箔即可阻止或吸收射线。射线。母母核核放放射射出出射射线线后后，子子体体的的核核电电荷荷和和质质量量数数与与母母体相比分别减少体相比分别减少2和和4。子核在周期表中左移二格，如。子核在周期表中左移二格，如22688Ra22286Rn242He2。一一般般认认为为,只只有有质质量量数数大大于于209的的核核
9、素素才才能能发发生生衰衰 变，因此，变，因此，209是构成一个稳定核的最大核子数。是构成一个稳定核的最大核子数。第9页/共68页(2)射线射线01(或或01e)射射线线是是带带负负电电的的电电子子流流，速速度度与与光光速速接接近近，电电离离作作用弱，穿透能力约为用弱，穿透能力约为射线的射线的100倍。倍。核中中子衰变产生核中中子衰变产生01：10n11P01e00核核素素经经衰衰变变后后，质质量量数数保保持持不不变变，但但子子核核的的核核电电荷荷较母核增加一个单位，在周期表中位置右移一格。如较母核增加一个单位，在周期表中位置右移一格。如21082Pb21083Bi01e第10页/共68页(3)
10、射线射线射射线线是是原原子子核核由由激激发发态态回回到到低低能能态态时时发发射射出出的的一一种种射射线线，它它是是一一种种波波长长极极短短的的电电磁磁波波(高高能能光光子子)，不不为为电电场场、磁磁场场所所偏偏转转，显显示示电电中中性性，比比X射射线线的的穿穿透透力力还还强强，因因而而有有硬硬射射线线之之称称，可可透透过过200mm厚厚的的铁铁或或88mm厚的铅板，没有质量，其光谱类似于元素的原子光谱。厚的铅板，没有质量，其光谱类似于元素的原子光谱。发发射射出出射射线线后后，原原子子核核的的质质量量数数和和电电荷荷数数保保持持不不变变，只是能量发生了变化。只是能量发生了变化。第11页/共68页
11、(4)射线射线01或或01e作作为为电电子子的的反反物物质质，它它的的质质量量和和电电子子相相同同，电电荷荷也也相同，只是符号相反。相同，只是符号相反。衰变可看成是核中的质子转化为中子的过程：衰变可看成是核中的质子转化为中子的过程：11P10n01e00式式中中00是是反反中中微微子子。当当粒粒子子中中和和一一个个电电子子时时，放放出出两个能量为两个能量为0.51MeV的的光子光子(这种现象叫这种现象叫“湮没湮没”)。2第12页/共68页(5)K电子俘获电子俘获人人工工富富质质子子核核可可以以从从核核外外K层层俘俘获获一一个个轨轨道道电电子子，将核中的一个质子转化为一个中子和一个中微子：将核中
12、的一个质子转化为一个中子和一个中微子：11P01e10n0074Be01e(K)73Li00 在在K电电子子俘俘获获的的同同时时还还会会伴伴随随有有X射射线线的的放放出出，这这是是由由于于处处于于较较高高能能级级的的电电子子跳跳回回K层层，补补充充空空缺缺所所造造成成的。的。第13页/共68页(6)中子中子(10n)辐射辐射具具有有高高中中子子数数的的核核都都可可能能发发生生中中子子衰衰变变，不不过过，由由于核中中子的结合能较高，所以中子衰变较为稀少。于核中中子的结合能较高，所以中子衰变较为稀少。8736Kr 8636Kr10n第14页/共68页12.1.3放射性衰变系放射性衰变系 在在自自然
13、然界界出出现现的的天天然然放放射射性性核核素素，按按其其质质量量，可可以以划划分分为为Th、U和和Ac三个系列。三个系列。其其中中Th、U和和Ac是是三三个个系系列列中中半半衰衰期期最最长长的的成成员员。它它们们通过一系列的通过一系列的和和衰变衰变,变成原子序数为变成原子序数为82的铅的同位素。的铅的同位素。Th(4n)系，包括系，包括13种核素，由种核素，由23290Th20882Pb;U(4n2)系，包括系，包括18种核素，由种核素，由23892U20682Pb;Ac(4n3)系，包括系，包括15种核素，由种核素，由23592U22789Ac20782Pb。括括号号中中的的数数字字表表示示
14、一一个个特特定定系系列列的的所所有有成成员员其其质质量量数数都都可可以以恰好被恰好被4整除，或者被整除，或者被4整除后的余数为整除后的余数为2或或3。在在上上述述三三个个系系中中,系系与与系系间间没没有有交交错错,即即一一个个序序列列的的核核不不能能衰衰变为另一序列的核。变为另一序列的核。10步衰变步衰变14步衰变步衰变3步衰变步衰变8步衰变步衰变第15页/共68页在发现了人造的铀后元素之后，又增添了镎系：在发现了人造的铀后元素之后，又增添了镎系：Np(4n1)系，包括系，包括15种核素，由种核素，由24194Pu23792Np20983Bi。Np系与系与Th、U、Ac三系有明显的差别，它的最
15、终三系有明显的差别，它的最终产物为产物为20983Bi而不是而不是82Pb。11步衰变步衰变2步衰变步衰变第16页/共68页系系列列的的衰衰变变步步骤骤可可根根据据系系列列的的始始末末成成员员的的质质量量和和核核电荷及电荷及、射线的知识所获得。射线的知识所获得。如对如对Th系，假定放射了系，假定放射了a个个粒子和粒子和b个个粒子，则粒子，则质量变化数为质量变化数为2322084a，a6；核电荷变化为核电荷变化为90822ab，b4。即即23290Th经经过过6次次衰衰变变和和4次次衰衰变变(共共10步步衰衰变变)变变为为20882Pb。第17页/共68页第18页/共68页12.2放射性衰变动力
16、学放射性衰变动力学 12.2.1衰变速率和半衰期衰变速率和半衰期 1放射性衰变定律放射性衰变定律放放射射性性衰衰变变速速率率R(或或放放射射性性物物质质的的放放射射活活性性A)正正比比于于放放射射核的数量核的数量N。由于。由于R或或A都是放射性核随时间都是放射性核随时间t的变化速率，所以的变化速率，所以ARdN/dtN或或ARdN/dtN式式中中为为衰衰变变常常数数，与与核核的的本本性性有有关关，负负号号表表明明N随随时时间间的的增加而减少，整理方程有增加而减少，整理方程有dN/N dt1nN tC其中其中C为积分常数为积分常数,当当t0,ClnN0,式中式中N0为为N的初始值。的初始值。第1
17、9页/共68页2.303经过变换，有经过变换，有1nN1nN0t即即NN0et或或tlgN/N0这就是放射性衰变定律。这就是放射性衰变定律。使用两套单位来计量衰变的速率：使用两套单位来计量衰变的速率：居居(里里)(Ci)，定定义义为为一一个个放放射射源源每每秒秒发发生生3.7001010次衰变；次衰变；卢卢(瑟福瑟福)(rd)，定义为每秒衰变，定义为每秒衰变1106次，显然，次，显然，1Ci3.70104rd第20页/共68页2半衰期半衰期放放射射性性样样品品衰衰变变掉掉一一半半所所用用的的时时间间称称为为半半衰衰期期，记记作作t1/2，它是特定核素的一个特征性质。，它是特定核素的一个特征性质
18、。由于由于NN0/2，所以，根据放射性衰变定律，所以，根据放射性衰变定律，t1/2lg1/2lg20.693/以以lgN对时间对时间t作图可以间接测定半衰期：作图可以间接测定半衰期：lgNlgN0t/2.303lgN00.693t/(2.303t1/2)直线的斜率为直线的斜率为0.693t/(2.303t1/2)，由此可算出，由此可算出t1/2。2.3032.303第21页/共68页3平均寿命平均寿命平均寿命是样品中放射性原子的平均寿命：平均寿命是样品中放射性原子的平均寿命：知道了知道了t1/2即不难计算出即不难计算出t平均平均。第22页/共68页例例：1gRbC1(相相对对分分子子质质量量1
19、20.9)样样品品的的放放射射活活性性为为0.478mrd,已知样品含已知样品含27.85的的87Rb,求求87Rb的的t1/2和和t平均平均。解：解：1gRbCl中含中含87Rb的原子数为的原子数为NN10.27851.391021由于由于RN0.478mrd0.478106478(个个/s)478/1.3910213.441019(s1)t1/20.693/0.693/(3.441019)6.41010(年年)t平均平均6.410109.21010(年年)6.0221023120.9dNdt478N10.693第23页/共68页3地球年龄及年代鉴定地球年龄及年代鉴定根根据据矿矿物物中中不不
20、同同核核素素的的相相对对丰丰度度()和和有有关关的的t1/2可可以进行地球年龄及年代的估算。以进行地球年龄及年代的估算。如如有有一一种种沥沥青青铀铀矿矿，其其中中(238U):(206Pb)22:1，已已知知238U的的半半衰衰期期为为4.5109年年，且且假假定定所所有有的的206Pb都都是是由由238U衰变得到，则衰变得到，则n(238U):n(206Pb)22/238:1/20619:1设地球诞生时设地球诞生时238U为为20mol，206Pb为为0mol，t地球地球lglg3.3109(年年)2.3032.303200.693/(4.5109)19238U的原始量的原始量238U的现有
21、量的现有量第24页/共68页按按照照同同样样的的原原理理，只只要要测测出出死死亡亡植植物物中中14C:12C的的比比值值即即可可近近似似地地计计算算动动、植植物物死死亡亡的的年年代代。其其根根据据是是大大气气中中由由于宇宙射线内的中子与于宇宙射线内的中子与147N反应不停地生成反应不停地生成146C：147N10n146C11P而而146C也发生衰变：也发生衰变：146C147N01e00，t1/25720年年当达到平衡时，大气中当达到平衡时，大气中CO2的的146C:126C1012。第25页/共68页活活着着的的动动、植植物物从从大大气气中中吸吸收收CO2，动动物物和和人人体体食取植物，因
22、而都有同样的食取植物，因而都有同样的14C:12C比值。比值。当当动动、植植物物死死亡亡后后,吸吸入入146C活活动动停停止止,而而146C的的衰衰变变却却不不间间断断地地进进行行,故故146C:126C比比值值下下降降。设设法法测测得得此此比比值值并并与与活活体体中中的的比比值值1012比比较较，即即可可算算出出动动、植植物死亡的时间。物死亡的时间。第26页/共68页例：测得某古尸例：测得某古尸146C:126C比值为比值为0.51012，计算古，计算古尸的年代。尸的年代。解：由解：由lgt/2.303有有lg又又0.693/t1/2，t1/25720年，年，N01012，N0.51012；
23、tlg5722(年年)NN02.303t57202.30310120.6930.51012NN0第27页/共68页12.2.2反应级数反应级数 所所有有的的衰衰变变反反应应都都是是一一级级反反应应，因因为为衰衰变变不不依依赖赖核核外外的任何因素。的任何因素。例如，例如，13153I释放出一个释放出一个粒子而发生衰变：粒子而发生衰变：13153I13154Xe01e00其衰变反应的速率表达式可写为：其衰变反应的速率表达式可写为：ARN和和大大多多数数化化学学反反应应不不同同，自自发发放放射射性性衰衰变变的的速速率率不不随随温度的改变而改变。温度的改变而改变。第28页/共68页12.3核的稳定性和
24、放射性衰变类型的预测核的稳定性和放射性衰变类型的预测12.3.1中子和质子的稳定比例中子和质子的稳定比例 前前述述或或辐辐射射以以及及K电电子子俘俘获获都都是是核核内内质质子子与与中中子子的的转转化化过过程程，但但究究竟竟取取何何种种方方式式显显然然取取决决于于核核内内中中子子与与质子的相对比例质子的相对比例n/p。对对于于原原子子序序数数较较小小(z小小于于20)的的元元素素，最最稳稳定定的的核核是是核中核中np，或，或n/p1。质质子子数数增增加加,质质子子质质子子排排斥斥增增大大,以以致致需需要要更更多多的的中中子子以以降降低低质质子子间间的的斥斥力力,从从而而形形式式稳稳定定的的核核。
25、因因而而n/p可以逐渐增大到约可以逐渐增大到约1.6,超过这个比值超过这个比值,可发生自发裂变。可发生自发裂变。第29页/共68页中中子子数数富富余余的的核核(具具有有高高的的n/p值值)将将以以子子核核n/p比比值值减减小的方式衰变，这可以有以下几种方式：小的方式衰变，这可以有以下几种方式：(1)辐辐射射此此时时，一一个个中中子子转转变变为为一一个个质质子子，n/p减减小小，如如146C147N01e14156Ba14157La14158Ce14159Pr(2)中子辐射。如中子辐射。如8736Kr8636Kr10n00第30页/共68页另另一一方方面面，若若核核中中质质子子富富余余(有有低低
26、的的n/p值值)，则则衰衰变变产产生生的的是是正正电电子子辐辐射射、K-电电子子俘俘获获和和辐辐射射以以减减少少它它的的核核电荷：电荷：(1)正电子辐射。如正电子辐射。如1910Ne 199F01e00(2)K-电子俘获。如电子俘获。如4019K01e 4018Ar00(3)辐射。如辐射。如23892U 23490Th42He第31页/共68页12.3.2核子的奇偶性核子的奇偶性 对对天天然然存存在在的的稳稳定定核核素素进进行行统统计计发发现现，原原子子序序数数为为偶偶数数的的元元素素的的稳稳定定同同位位素素的的数数目目远远远远大大于于原原子子序序数数为为奇奇数数的的元元素素的的稳稳定定同同位
27、位素素的的数数目目。具具有有奇奇原原子子序序数数的的元元素素的的稳稳定定同同位位素素的的数数目目总总不不会会超超过过两两个个，但但偶偶数数原原子子序序数数元素的稳定同位素却有很多。元素的稳定同位素却有很多。第32页/共68页在在天天然然存存在在的的核核素素中中，具具有有质质子子、中中子子为为偶偶偶偶组组成成的的核核素素的的数数目目大大于于具具有有偶偶奇奇、奇奇偶偶、奇奇奇奇组组成成核核素素三者的总和，具有奇奇组成的稳定核素极少见三者的总和，具有奇奇组成的稳定核素极少见(上表上表)。多数元素的质子数和中子数都为偶数这一事实是核中多数元素的质子数和中子数都为偶数这一事实是核中核子成对的一个证据，就
28、像核外的电子成对一样，核核子成对的一个证据，就像核外的电子成对一样，核内的质子和中子也是成对的。内的质子和中子也是成对的。第33页/共68页12.3.3幻数理论幻数理论 稳稳定定的的天天然然同同位位素素的的核核子子常常出出现现一一些些神神奇奇数数字字(称称为幻数为幻数)。对质子，幻数为对质子，幻数为2，8，20，28，50和和82；对中子，幻数为对中子，幻数为2，8，20，28，50，82和和126。具具有有幻幻数数个个质质子子或或中中子子的的原原子子核核，通通常常要要比比在在周周期期表中与之相邻的原子更稳定一些。表中与之相邻的原子更稳定一些。电电子子也也有有幻幻数数，分分别别为为2，10，1
29、8，36，54和和86，恰好是稀有气体的原子序数。恰好是稀有气体的原子序数。核中神奇数字的出现表明核有能级。核中神奇数字的出现表明核有能级。第34页/共68页 尽尽管管从从N/P比比，偶偶奇奇类类型型核核和和神神奇奇数数字字常常能能正正确确地预测出放射性，但有时也有偏差。地预测出放射性，但有时也有偏差。例例如如，对对于于核核素素84Be和和147N，84Be的的中中子子/质质子子比比为为1:1，是是偶偶偶偶核核，但但84Be却却是是放放射射性性的的，衰衰变变的的半半衰衰期为期为21016s。相相反反，147N的的N/P比比为为1:1，是是一一个个奇奇奇奇核核，但但147N却却不具有放射性不具有
30、放射性(大多数奇奇核都有放射性大多数奇奇核都有放射性)。这这些些都都表表明明，有有时时必必须须计计算算伴伴随随核核反反应应的的能能量量变变化化，才能正确地预测一个核会发生怎样的衰变。才能正确地预测一个核会发生怎样的衰变。第35页/共68页12.4质量亏损和核结合能质量亏损和核结合能 按按照照Einstein的的质质能能相相当当定定律律，EmC2，一一定定的的质质量必定与确定的能量相当。量必定与确定的能量相当。如与如与1g的质量所相当的能量为：的质量所相当的能量为：EmC2103kg(2.9979108ms1)21013m2kgs21010kJ约为约为2700t标准煤燃烧所放出的热量。标准煤燃烧
31、所放出的热量。第36页/共68页与与lamu(原原子子质质量量单单位位，1.660541027kg)的的质质量量相当的能量为：相当的能量为：E1.660541027(2.9979108)21.492391013kJ由由于于1MeV1.602181016kJ，所所以以，与与lamu的的质量相当的能量为：质量相当的能量为：E1.492391013/1.602181016931.5(MeV)第37页/共68页质能相当定律说明，质量是能量的另一种形式。质能相当定律说明，质量是能量的另一种形式。静止的粒子所具有的能量与它的静止质量成正比；静止的粒子所具有的能量与它的静止质量成正比；运运动动着着的的粒粒子
32、子比比静静止止时时质质量量大大，因因为为它它具具有有静静止止质质量和由于它的动能所增加的质量。量和由于它的动能所增加的质量。一一个个稳稳定定的的核核所所具具有有的的能能量量必必定定小小于于它它的的组组元元粒粒子子的能量之和，否则它就不能生成。的能量之和，否则它就不能生成。对对应应地地，一一个个稳稳定定核核的的质质量量必必定定小小于于组组成成它它的的各各组组元粒子的质量，其间的差额叫做质量亏损。元粒子的质量，其间的差额叫做质量亏损。第38页/共68页质质量量亏亏损损是是可可以以计计算算的的。以以94Be核核为为例例，铍铍核核含含4个个质质子子和和5个个中中子子，已已知知一一个个质质子子的的质质量
33、量等等于于28amu，一一个个中中子子的的质质量量67amu，一一个个电电子子的的质质量量54858amu，铍的相对原子质量为铍的相对原子质量为19amu，所以，质量亏损：，所以，质量亏损：m(428567)(9.01219454858)76(amu)根根据据质质能能相相当当定定律律可可以以算算出出由由自自由由核核子子结结合合成成94Be核时放出的能量核时放出的能量称作核的结合能称作核的结合能(B)。B7658.5(MeV)第39页/共68页核核的的结结合合能能因因核核内内核核子子数数不不同同而而不不同同。因因此此，特特定定的的核核素素有有特特定定的的结结合合能能，为为了了比比较较各各种种核核
34、素素核核的的稳稳定定性性，我们可以计算核素的平均结合能我们可以计算核素的平均结合能(B)。平均结合能平均结合能B总结合能总结合能B/核子数核子数因此因此94Be核的平均结合能为核的平均结合能为58.5/96.50MeV；而而21H、42He和和5626Fe核的平均结合能分别为核的平均结合能分别为1.075、7和和8.79MeV。平均结合能的大小反映了原子核的稳定性。平均结合能的大小反映了原子核的稳定性。第40页/共68页12.5核裂变与核聚变核裂变与核聚变 12.5.1核裂变核裂变 原原子子核核发发生生自自发发分分裂裂或或在在受受到到其其他他粒粒子子轰轰击击时时分分裂裂为为两两个个质质量量相相
35、近近的的核核裂裂块块(也也有有分分裂裂为为更更多多裂裂块块的的情情形形，但但概概率率很很小小)，同同时时还还可可能能放放出出中中子子的的过过程程叫叫核核裂裂变。变。原原子子核核裂裂变变时时，释释发发出出巨巨大大的的能能量量。这这是是因因为为，重重核核的的平平均均结结合合能能较较小小，不不稳稳定定，在在分分裂裂为为平平均均结结合合能能大的较轻的核素时，有部分结合能释放之故。大的较轻的核素时，有部分结合能释放之故。第41页/共68页以以慢慢中中子子轰轰击击235U为为例例，裂裂变变产产物物从从30Zn到到64Gd等等30多多种种元元素素超超过过200种种以以上上的的放放射射性性核核素素，但但质质量
36、量数数均均不不小小于于72和和大大于于162，其其中中概概率率最最大大(60)的的为为A95和和139。假定这是。假定这是95Sr和和139Xe，则，则235U1n95Sr139Xe21n质量质量235.04231.008794.9058138.90551.0087m235.04231.008794.9058138.905521.00870.2223(amu)或或E207(MeV)。第42页/共68页235U核核在在裂裂变变时时，可可能能放放出出24个个次次级级中中子子，假假定定其其中中有有两两个个能能繁繁殖殖进进一一步步的的裂裂变变反反应应，即即一一分分为为二二，二二分为四分为四，则在，则在
37、n次之后，将获得次之后，将获得2n个中子。个中子。计计算算表表明明，在在106s中中有有大大约约85个个裂裂变变，以以致致15kg235U在在差差不不多多不不需需什什么么时时间间产产生生的的裂裂变变就就能能放放出出1012kJ能量，这样将引起猛烈的爆炸。能量，这样将引起猛烈的爆炸。总总之之，只只要要倍倍增增系系数数K(N/N0，N0为为前前一一代代的的中中子子数数，N为为后后一一代代的的中中子子数数)大大于于1，哪哪怕怕K，最最后后必必然然引引起起核核爆爆炸炸。除除235U之之外外，233U和和239Pu也也具具有有相相同同的的性性质。质。第第二二次次世世界界大大战战美美国国投投在在日日本本广
38、广岛岛、长长崎崎的的原原子子弹弹,其中一颗是铀弹，另一颗则是钚弹。其中一颗是铀弹，另一颗则是钚弹。第43页/共68页慢慢中中子子引引起起235U裂裂变变的的概概率率比比快快中中子子大大，而而235U裂裂变产生的次级中子为快中子。变产生的次级中子为快中子。为为了了进进行行可可控控制制的的慢慢中中子子链链式式裂裂变变反反应应，设设计计了了称称作作核核反反应应堆堆的的装装置置。堆堆中中置置入入核核燃燃料料235U，开开始始裂裂变变产产生生的的快快中中子子在在与与减减速速剂剂重重水水或或石石墨墨多多次次碰碰撞撞中中速速率率被被减减慢慢成成慢慢中中子子，并并在在铀铀燃燃料料中中插插入入可可移移动动的的能
39、能吸吸收收多多余余中中子子的的Cd(或或Gd、B等等)控控制制棒棒，使使培培增增系系数数恰恰好好等等于于1。这样就可以让链式裂变缓慢进行并放出大量的热能。这样就可以让链式裂变缓慢进行并放出大量的热能。第44页/共68页核核反反应应的的热热能能如如果果用用热热交交换换器器产产生生高高压压水水蒸蒸气气，推推动动汽汽轮轮机机带带动动发发电电机机用用以以发发电电，这这样样得得到到的的电电通通常常称称作作核核电电。核核电电的的成成本本低低，核核燃燃料料容容易易运运输输和和储储备备，比比燃燃煤煤干净。干净。利利用用核核反反应应堆堆可可以以制制取取放放射射性性同同位位素素或或其其他他核核燃燃料料,如如用用中
40、中子子轰轰击击5927Co、23892U和和23290Th分分别别得得到到6027Co、23992U和和23390Th。前前者者用用于于癌癌症症化化疗疗，而而23992U和和23390Th分分别经过两次别经过两次衰变变成新的核燃料衰变变成新的核燃料23994Pu和和23392U。第45页/共68页12.5.2核聚变核聚变 轻轻原原子子核核在在相相遇遇时时聚聚合合为为较较重重的的原原子子核核并并放放出出巨巨大大能能量量的过程叫核聚变。如的过程叫核聚变。如2H2H 3He1n放出放出3.25MeV的能量；的能量；2H2H 3H1H放出放出4.00MeV的能量；的能量；3H2H 4He1n放出放出1
41、7.6MeV的能量；的能量；3He2H 4He1H放出放出18.3MeV的能量。的能量。四四个个反反应应的的总总和和耗耗掉掉了了六六个个2H，放放出出了了43.2MeV的的能能量量，平平均均每每个个2H放放出出7.2MeV，单单位位核核子子放放出出能能量量为为3.6MeV。通通过过比比较较发发现现，单单位位质质量量235U裂裂变变放放出出的的能能量量为为207/2350.88MeV，只只是是单单位位质质量量2H聚聚变变能能量量3.6MeV的的四四分分 之一左右。之一左右。第46页/共68页聚聚变变反反应应必必须须在在高高温温条条件件下下(加加热热使使氘氘核核获获得得足足够够的的动动能能以以克克
42、服服氘氘核核间间的的斥斥力力)才才能能进进行行。所所需需温温度度在在108以上，故聚变反应也称为热核反应。以上，故聚变反应也称为热核反应。所所谓谓氢氢弹弹实实际际上上是是用用235U裂裂变变产产生生108以以上上的的高高温温引引发发氢氢的的同同位位素素聚聚变变的的热热核核反反应应。当当然然这这样样的的热热核核爆爆炸炸目前是无法控制的。目前是无法控制的。太太阳阳是是一一个个巨巨大大的的聚聚变变能能源源。太太阳阳上上有有几几十十亿亿立立方方千米体积的千米体积的1H，每天都在进行着聚变反应：，每天都在进行着聚变反应：411H 42He201e 并并有有能能量量61018kJ到到达达地地球球表表面面养
43、养育育全全人人类类和和所所 有生物。有生物。第47页/共68页前前面面曾曾经经提提到到，用用加加速速的的多多电电荷荷“重重”离离子子作作轰轰击击粒粒子子的的核核反反应应可可以以合合成成出出原原子子序序数数从从99到到109的的超超铀铀元元素素。若若能能将将这这种种核核反反应应引引伸伸到到原原子子序序数数更更高高的的起起始始物质，也许可以合成出原子序数更大的超重元素。物质，也许可以合成出原子序数更大的超重元素。12.6超重元素的合成超重元素的合成 12.6.1关于元素稳定性的讨论关于元素稳定性的讨论第48页/共68页超超重重元元素素一一般般是是指指原原子子序序数数为为110126的的元元素素(也
44、也有有人人认认为为是是指指原原子子序序从从108128的的元元素素),随随着着原原子子序序数数的的增增加加,这这些些人人工工合合成成元元素素的的寿寿命命越越来来越越短短(如如104号号元元素素只只能能存存在在0.5s)，且且合合成成出出来来的的原原子子的的数数目目也也越越来来越越少少，因因而而使使人人们们对对新新元元素素的的发发现现产产生生一一些些错错觉觉，认认为为重重元元素素的的发发现现是不大可能的。是不大可能的。科学工作者对元素能否稳定存在作了一些探讨：科学工作者对元素能否稳定存在作了一些探讨：第49页/共68页(1)关于元素稳定性的经验规则关于元素稳定性的经验规则经经验验发发现现，具具有
45、有2、8、28、50、82、126(这这些些数数字字被被称称为为幻幻数数)个个质质子子或或中中子子的的原原子子核核，通通常常要要比比在在周周期期表中与之相邻的原表中与之相邻的原子更稳定一些。子更稳定一些。经经验验规规则则之之一一就就是是具具有有幻幻核核子子数数的的核核有有突突出出的的稳稳定定性。性。经经验验规规则则之之二二，具具有有质质子子数数和和中中子子数数均均为为偶偶数数的的原原子核，子核，比通常具有奇比通常具有奇数的质子或中子的核更为稳定。数的质子或中子的核更为稳定。第50页/共68页经经验验规规则则之之三三，确确定定一一个个同同位位素素是是否否稳稳定定，主主要要看看 中中 子子 数数
46、与与 质质 子子 数数 之之 比比(N/P)：原原子子序序数数较较小小的的元元素素，其其比比值值为为1的的原原子子核核稳稳定定，随随原原子子序序数数增增大大这这个个比比值增加。值增加。因因为为质质子子数数增增多多，质质子子间间斥斥力力加加大大，这这就就要要求求有有更更多多的的中中子子来来使使原原子子核核趋趋于于稳稳定定，左左图图示示出出了了稳稳定定核核的的中中子质子比例图。子质子比例图。(1.5:1)Hg(1.5:1)Sn(1.5:1)Zr(n:p)(1:1)1205020080904001020304050607080质子数质子数稳定核中，中子数对质子数的比值图稳定核中，中子数对质子数的比值
47、图中中子子数数第51页/共68页(2)稳定岛的假说稳定岛的假说“稳稳定定岛岛”假假说说认认为为,形形成成稳稳定定同同位位素素是是在在一一定定的的范范围围内内出出现现,在在这这个个范范围围内内组组成成了了一一个个稳稳定定同同位位素素区区,其其四四周周被被不不稳稳定定的的同同位位素素如如“海海洋洋”一一样样包包围围着着(下下图图),稳稳定定同同位位素素在在不不稳稳定定同同位位素素中中形形成成了了如如屹屹立立在在“海海洋洋”中中的的“山山脉脉”或或称称“稳稳定定岛岛”。按按此此,在在105106号号元元素素附附近近开开始始进进入入不不稳稳定定海海洋洋,越越过过海海洋洋,出出现现稳稳定定岛岛，这这个个
48、岛岛相相应应于于质质子子数数的的范范围围为为110126或或108128,中中中中子子数数的的范范围围为为76190。岛岛中中最最高高的的山山峰峰相相应应于于原原子子序序数数114，中中子子数数为为184的的元元素素，岛岛的的周周围为不稳定的元素。围为不稳定的元素。第52页/共68页有有人人预预测测Z114的的元元素素的的半半衰衰期期可可达达到到1016年年。这这种种半半衰衰期期较较长长的的元元素素似似乎乎应应在在自自然然界界中中存存在在，目目前前科科学学工工作作者者正正在在广广泛泛地地寻寻找找这这个个元元素素，但但尚尚未未发现。发现。第53页/共68页 但但是是，合合成成超超重重元元素素的的
49、艰艰巨巨性性体体现现在在超超重重元元素素原原子子核核的的不不稳稳定定性性，合合成成的的困困难难性性和和测测试试技技术术的的局局限限性性三三个个方面。方面。一方面，原子核的稳定性受两个因素的制约：一方面，原子核的稳定性受两个因素的制约：原子核的质量数；原子核的质量数；N/P比。比。随随着着原原子子序序数数的的增增加加，核核电电荷荷不不断断增增加加，以以致致需需要要更更多多的的中中子子以以降降低低质质子子间间的的斥斥力力。但但同同时时，N/P比比增增加加，核核的的质质量量数数增增加加。结结果果是是核核变变得得太太大大而而不不稳稳定定，可可发发生生自发的裂变。自发的裂变。第54页/共68页第第二二方
50、方面面，人人工工核核反反应应随随着着质质量量数数的的增增加加而而变变得得更更加困难。加困难。此此时时，若若使使用用的的轰轰击击粒粒子子“核核弹弹”太太轻轻，则则会会被被强强大大的的靶靶核核电电荷荷排排斥斥而而达达不不到到复复合合的的目目的的。如如果果核核弹弹的的能能量太大，结合的核太量太大，结合的核太“热热”，也会导致复合核的裂变。，也会导致复合核的裂变。而而且且，即即使使达达到到上上述述要要求求，由由于于核核反反应应中中由由非非平平衡衡状状态态自自发发地地趋趋于于平平衡衡状状态态的的“弛弛豫豫现现象象”，使使得得有有效效轰轰击击率率大大大大降降低低。据据报报道道，在在合合成成109号号元元素