第12章放射性和核化学 12.1放射性衰变过程一自发核反应 12.2放射性衰变动力学 12.3核的稳定性和放射性衰变类型的预测 12.4质量亏损和核结合能 12.5核裂变与核聚变 12.6超重元素的合成
第12章 放射性和核化学 12.1 放射性衰变过程-自发核反应 12.2 放射性衰变动力学 12.3 核的稳定性和放射性衰变类型的预测 12.4 质量亏损和核结合能 12.5 核裂变与核聚变 12.6 超重元素的合成
第12章放射性和核化学 原子核通过自发衰变或人工轰击而进行的核反应与化 学反应有根本的不同: 第一,化学反应涉及核外电子的变化,但核反应的结 果是原子核发生了变化。 第二,化学反应不产生新的元素,但在核反应中,一 种元素嬗变为另一种元素。 第三,化学反应中各同位素的反应是相似的,而核反 应中各同位素的反应不同。 第四,化学反应与化学键有关,核反应与化学键无关。 第五,化学反应吸收和放出的能量大约为10~103 kJmol-1,而核反应的能量变化在108~10 kJmol-1。 最后,在化学反应中,反应前后物质的总质量不变, 但在核反应中会发生质量亏损
第12章 放射性和核化学 原子核通过自发衰变或人工轰击而进行的核反应与化 学反应有根本的不同: 第一,化学反应涉及核外电子的变化,但核反应的结 果是原子核发生了变化。 第二,化学反应不产生新的元素,但在核反应中,一 种元素嬗变为另一种元素。 第三,化学反应中各同位素的反应是相似的,而核反 应中各同位素的反应不同。 第四,化学反应与化学键有关,核反应与化学键无关。 第五,化学反应吸收和放出的能量大约为10~103 kJ·mol-1 ,而核反应的能量变化在108~109kJ·mol-1 。 最后,在化学反应中,反应前后物质的总质量不变, 但在核反应中会发生质量亏损
12.1放射性衰变过程一自发核反应 12.1.1基本粒子简介 基本粒子是泛指比原子核小的物质单元,包括电子、 中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中 所发现的一系列粒子。 已经发现的基本粒子有30余种,连同它们的共振态 (基本粒子相互碰撞时,会在短时间内形成由二个、三个 粒子结合在一起的粒子)共有300余种。 许多基本粒子都有对应的反粒子
12.1 放射性衰变过程-自发核反应 12.1.1 基本粒子简介 基本粒子是泛指比原子核小的物质单元,包括电子、 中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中 所发现的一系列粒子。 已经发现的基本粒子有30余种,连同它们的共振态 (基本粒子相互碰撞时,会在短时间内形成由二个、三个 粒子结合在一起的粒子)共有300余种。 许多基本粒子都有对应的反粒子
每一种基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋和平均 寿命,它们多数是不稳定的,在经历一定的平均寿命后转 化为别种基本粒子。 根据基本粒子的静止质量大小及其他性质差异可将基 本粒子分为四类:光子、轻子、介子和重子(包括核子,超 子)。 一些重要的基本粒子的性质已经确定并列成了表,认 识这些基本粒子的特性对了解放射性衰变具有重要意义。 物质是无限可分的,基本粒子的概念将随着人们对物 质结构认识的进展而不断发展。 事实上,“基本粒子”也有其内部结构,因而不能认 为“基本粒子”就是物质最后的最简单且基本的组成单元, 而且,也并非所有的基本粒子都存在于原子核中,一些基 本粒子,如正电子、介子、中微子等都是核子(质子和中子 的总称)——核子以及质——能相互作用的副产物
每一种基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋和平均 寿命,它们多数是不稳定的,在经历一定的平均寿命后转 化为别种基本粒子。 根据基本粒子的静止质量大小及其他性质差异可将基 本粒子分为四类:光子、轻子、介子和重子(包括核子,超 子)。 一些重要的基本粒子的性质已经确定并列成了表,认 识这些基本粒子的特性对了解放射性衰变具有重要意义。 物质是无限可分的,基本粒子的概念将随着人们对物 质结构认识的进展而不断发展。 事实上, “基本粒子”也有其内部结构,因而不能认 为“基本粒子”就是物质最后的最简单且基本的组成单元, 而且,也并非所有的基本粒子都存在于原子核中,一些基 本粒子,如正电子、介子、中微子等都是核子(质子和中子 的总称)——核子以及质——能相互作用的副产物
一些重要的基本粒子的特征 电荷 质量 自 分类 粒子 符号 (以电子电 (以电子质 旋 衰变 平均寿命 荷为单位) 量作单位) 光子 光子 0 0 稳定 中微子 0 0.005 1/2 稳定 电子 e,B -1 1.000 1/2 稳定(>5×1021年) 轻子 正电子 e*,B* +1 1.000 1/2 稳定(>5X1021年) μ子 ±1 206 1/2 e+2v 5×10-6s 元 元 ±1 273 0 u+v 25ns 介子 π π 0 263 0 5X1014s 质子 p*,H +1 1836 1/2 稳定(>5×1030年) 反质子 -1 1836 1/2 稳定(>5×1030年) 重子 中子 0 1840 1/2 p++e+v 918s 超子 Λ生 +1 n+π 0.1ns
正电子在独立存在时是稳定的,但与电子相遇时就一 起转化为一对光子。 反质子P一与质子具有相同的特征,只是电荷相反, 在自然界反质子不能稳定存在,因为它能同物质相互作用 而迅速毁灭。 如果由一个中子1n变为一个质子1P和一个电子 0_1(三个粒子的自旋均为1/2)时,为了平衡自旋需要生成 一个中微子0v。中微子静止质量为0,电中性,自旋1/2, 以光速运动,几乎不被物质所吸收,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,作 为一个整体,中子是电中性的
正电子在独立存在时是稳定的,但与电子相遇时就一 起转化为一对光子。 反质子P-与质子具有相同的特征,只是电荷相反, 在自然界反质子不能稳定存在,因为它能同物质相互作用 而迅速毁灭。 如果由一个中子1 0n变为一个质子1 1P和一个电子 0 -1 e(三个粒子的自旋均为1/2)时,为了平衡自旋需要生成 一个中微子0 0 ν。中微子静止质量为0,电中性,自旋1/2, 以光速运动,几乎不被物质所吸收,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,作 为一个整体,中子是电中性的
12.1.2放射性射线 天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线: (1)u-射线4,He2+ -射线是带二个正电荷的氢核流,粒子的质量大约为 氢原子的四倍,速度约为光速的1/15,电离作用强,穿透 本领小,0.1mm厚的铝箔即可阻止或吸收a-射线。 母核放射出-射线后,子体的核电荷和质量数与母体 相比分别减少2和4。子核在周期表中左移二格,如 22688Ra 2286Rn2-+42He2+。 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
12.1.2 放射性射线 天然放射性核素在衰变时可以放出三种射线: (1) α-射线 4 2He2+ α-射线是带二个正电荷的氦核流,粒子的质量大约为 氢原子的四倍,速度约为光速的1/15,电离作用强,穿透 本领小,0.1 mm厚的铝箔即可阻止或吸收α-射线。 母核放射出α-射线后,子体的核电荷和质量数与母体 相比分别减少2和4。子核在周期表中左移二格,如 226 88Ra 222 86Rn2-+4 2He2+ 。 一般认为,只有质量数大于209的核素才能发生α衰变, 因此,209是构成一个稳定核的最大核子数
(2)B-射线0-1(或-1e) B射线是带负电的电子流,速度与光速接近,电离 作用弱,穿透能力约为a-射线的100倍。 核中中子衰变产生_: 'on→1P+0-1e+0y 核素经衰变后,质量数保持不变,但子核的核电荷 较母核增加一个单位,在周期表中位置右移一格。如 210s2Pb一21083Bi+0-1e+oy (3)Y-射线 Y-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200mm厚的铁或88mm厚的 铅板,没有质量,其光谱类似于元素的原子光谱。 发射出Y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
(3) γ-射线 γ-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。 发射出γ-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) β-射线 0 -1β(或0 -1 e) β-射线是带负电的电子流,速度与光速接近,电离 作用弱,穿透能力约为α-射线的100倍。 核中中子衰变产生0 -1β: 1 0n 1 1P+0 -1 e+0 0 ν 核素经β衰变后,质量数保持不变,但子核的核电荷 较母核增加一个单位,在周期表中位置右移一格。如 210 82Pb 210 83Bi+0 -1 e+0 0 ν
(4④)B+-射线0+1B或+1e 作为电子的反物质B+,它的质量和电子相同,电荷 也相同,只是符号相反。 B+衰变可看成是核中的质子转化为中子的过程: 1P 一1on+0+1e+oy 式中。v是反中微子。当B+粒子中和一个电子时,放 出两个能量为0.51MeV的y-光子(这种现象叫“湮没”)。 B++B一2y (⑤)K电子俘获 人工富质子核可以从核外K层俘获一个轨道电子,将 核中的一个质子转化为一个中子和一个中微子: 二 在K电子俘获的同时还会伴随有X-射线的放出,这是 由于处于较高能级的电子跳回K层,补充空缺所造成的
(4) β+-射线 0 +1β或0 +1 e 作为电子的反物质β+ ,它的质量和电子相同,电荷 也相同,只是符号相反。 β+衰变可看成是核中的质子转化为中子的过程: 1 1P 1 0n+0 +1 e+0 0 ν 式中0 0 ν是反中微子。当β+粒子中和一个电子时,放 出两个能量为0.51 MeV的 γ -光子(这种现象叫“湮没”)。 β++ β- 2γ (5) K电子俘获 人工富质子核可以从核外K层俘获一个轨道电子,将 核中的一个质子转化为一个中子和一个中微子: 1 1P+0 -1 e 1 0n+0 0 ν 7 4Be+0 -1 e(K) 7 3Li+0 0 ν 在K电子俘获的同时还会伴随有X-射线的放出,这是 由于处于较高能级的电子跳回K层,补充空缺所造成的
(6)中子辐射1n 具有高中子数的核都可能发生中子衰变,不过,由 于核中中子的结合能较高,所以中子衰变较为稀少。 8736Kr-8636Kr+n+v
(6) 中子辐射 1 0n 具有高中子数的核都可能发生中子衰变,不过,由 于核中中子的结合能较高,所以中子衰变较为稀少。 87 36Kr 86 36Kr+1 0n+0 0 ν