放射性和核反應(yīng)

1、第十二章 放 射 性 和 核 反 應(yīng) 放射性衰變過程自發(fā)核反應(yīng) 放射性衰變動(dòng)力學(xué) 核的穩(wěn)定性和放射性衰變類型的預(yù)測(cè) 質(zhì)量虧損和核結(jié)合能 核裂變與核聚變 超重元素的合成 習(xí)題: 4, 5, 7, 10, 13, 15, 18, 20(1)、(3)、(5)、(7、)(9)、(11)、(13) 要點(diǎn) 原子核通過自發(fā)衰變或人工轟擊而進(jìn)行的核反應(yīng)與 化學(xué)反應(yīng)有根本的不同： 第一，化學(xué)反應(yīng)涉及核外電子的變化，但核反應(yīng)的 結(jié)果是原子核發(fā)生了變化。 第二，化學(xué)反應(yīng)不產(chǎn)生新的元素，但在核反應(yīng)中， 一種元素嬗變?yōu)榱硪环N元素。 12.1 放射性衰變過程自發(fā)核反應(yīng) 第三，化學(xué)反應(yīng)中各同位素的反應(yīng)是相似的，而 核反應(yīng)中

2、各同位素的反應(yīng)不同。 第四，化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)鍵有關(guān)，核反應(yīng)與化學(xué)鍵 無關(guān)。 第五，化學(xué)反應(yīng)吸收和放出的能量大約為10103 kJmol1，而核反應(yīng)的能量變化在108109 kJmol1。 最后，在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不 變，但在核反應(yīng)中會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損。 12.1.1 基本粒子簡(jiǎn)介 基本粒子是泛指比原子核小的物質(zhì)單元，包括電 子、中子、質(zhì)子、光子以及在宇宙射線和高能原子核 實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的一系列粒子。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的基本粒子有30余種，連同它們的共振 態(tài)(基本粒子相互碰撞時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成由二個(gè)、 三個(gè)粒子結(jié)合在一起的粒子)共有300余種。 許多基本粒子都有對(duì)應(yīng)的反粒子。 每一種基本粒子都

3、有確定的質(zhì)量、電荷、自旋和 平均壽命，它們多數(shù)是不穩(wěn)定的，在經(jīng)歷一定的平均 壽命后轉(zhuǎn)化為別種基本粒子。 一些重要的基本粒子的性質(zhì)已經(jīng)確定并列成了表 ，認(rèn)識(shí)這些基本粒子的特性對(duì)了解放射性衰變具有重 要意義。 根據(jù)基本粒子的靜止質(zhì)量大小及其他性質(zhì)差異可將 基本粒子分為四類：光子、輕子、介子和重子(包括核 子，超子)。 物質(zhì)是無限可分的，基本粒子的概念將隨著人們對(duì) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的進(jìn)展而不斷發(fā)展。 事實(shí)上，“基本粒子”也有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而不能 認(rèn)為“基本粒子”就是物質(zhì)最后的最簡(jiǎn)單且基本的組成 單元，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，如正電子、介子、中微子等都是核子( 質(zhì)子和中

4、子的總稱)核子以及質(zhì)能相互作用的副 產(chǎn)物。 一些重要的基本 粒子的特征 分分類類 粒粒子子 符符號(hào)號(hào) 電電荷荷 (以以電電子子電電 荷荷為為單單位位) 質(zhì)質(zhì)量量 (以以電電子子質(zhì)質(zhì) 量量作作單單位位) 自自 旋旋 衰衰變變 平平均均壽壽命命 光光子子 光光子子 0 0 穩(wěn)穩(wěn)定定 0.005 1/2 1.000 1/2 1.000 1/2 輕輕子子 中中微微子子 電電子子 正正電電子子 子子 e ， ， e ， ， 0 1 1 1 206 1/2 e 2 穩(wěn)穩(wěn)定定 穩(wěn)穩(wěn)定定(51021年年) 穩(wěn)穩(wěn)定定(51021年年) 510 6 s 273 0 介介子子 0 1 0 263 0 25 ns 5

5、10 14 s 1836 1/2 1836 1/2 1840 1/2 重重子子 質(zhì)質(zhì)子子 反反質(zhì)質(zhì)子子 中中子子 超超子子 P ， ， 1 1H P n 1 1 0 1 P e n 穩(wěn)穩(wěn)定定(51030年年) 穩(wěn)穩(wěn)定定(51030年年) 918 s 0.1 ns 正電子在獨(dú)立存在時(shí)是穩(wěn)定的，但與電子相遇時(shí)就 一起轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子。 反質(zhì)子P與質(zhì)子具有相同的特征，只是電荷相反， 在自然界反質(zhì)子不能穩(wěn)定存在，因?yàn)樗芡镔|(zhì)相互作 用而迅速毀滅。 如果由一個(gè)中子10n變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子11P和一個(gè)電子 01e(三個(gè)粒子的自旋均為1/2)時(shí), 為了平衡自旋需要生成 一個(gè)中微子00。中微子靜止質(zhì)量為0, 電中性

6、, 自旋1/2， 以光速運(yùn)動(dòng), 幾乎不被物質(zhì)所吸收, 穿透力極強(qiáng)。 可以將中子看成是被等量的負(fù)電荷所圍繞的質(zhì)子， 作為一個(gè)整體，中子是電中性的。 12.1.2 放射性射線 天然放射性核素在衰變時(shí)可以放出三種射線： (1) 射線 42He2 射線是帶二個(gè)正電荷的氦核流，粒子的質(zhì)量大約 為氫原子的四倍，速度約為光速的1/15，電離作用強(qiáng)，穿 透本領(lǐng)小，0.1 mm厚的鋁箔即可阻止或吸收 射線。 母核放射出 射線后，子體的核電荷和質(zhì)量數(shù)與母 體相比分別減少2和4。子核在周期表中左移二格，如 22688Ra 22286Rn242He2。 一般認(rèn)為, , 只有質(zhì)量數(shù)大于209的核素才能發(fā)生 衰 變，因此

7、，209是構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定核的最大核子數(shù)。 (2) 射線 01 (或01e) 射線是帶負(fù)電的電子流，速度與光速接近，電離作 用弱，穿透能力約為 射線的100倍。 核中中子衰變產(chǎn)生01： 10n 11P01e00 核素經(jīng) 衰變后，質(zhì)量數(shù)保持不變，但子核的核電荷 較母核增加一個(gè)單位，在周期表中位置右移一格。如 21082Pb 21083Bi01e (3) 射線 射線是原子核由激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)時(shí)發(fā)射出的一 種射線，它是一種波長(zhǎng)極短的電磁波(高能光子)，不為電 場(chǎng)、磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)，顯示電中性，比X 射線的穿透力還強(qiáng) ，因而有硬射線之稱，可透過200 mm厚的鐵或88 mm厚 的鉛板，沒有質(zhì)量，其光譜類似于元素

8、的原子光譜。 發(fā)射出 射線后，原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)保持不變 ，只是能量發(fā)生了變化。 (4) 射線 01或01e 作為電子的反物質(zhì)，它的質(zhì)量和電子相同，電荷也 相同，只是符號(hào)相反。 衰變可看成是核中的質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子的過程： 11P 10n01e00 式中00是反中微子。當(dāng)粒子中和一個(gè)電子時(shí)，放出 兩個(gè)能量為0.51 MeV的 光子(這種現(xiàn)象叫“湮沒”)。 2 (5) K 電子俘獲 人工富質(zhì)子核可以從核外K層俘獲一個(gè)軌道電子， 將核中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子和一個(gè)中微子： 11P01e 10n00 74Be01e(K) 73Li00 在K 電子俘獲的同時(shí)還會(huì)伴隨有X 射線的放出，這 是由于處于較

9、高能級(jí)的電子跳回K層，補(bǔ)充空缺所造成 的。 (6) 中子(10n)輻射 具有高中子數(shù)的核都可能發(fā)生中子衰變，不過，由 于核中中子的結(jié)合能較高，所以中子衰變較為稀少。 8736Kr 8636Kr10n 12.1.3 放射性衰變系 在自然界出現(xiàn)的天然放射性核素，按其質(zhì)量，可以劃分 為Th、U和Ac三個(gè)系列。 其中Th、U和Ac是三個(gè)系列中半衰期最長(zhǎng)的成員。它們 通過一系列的和衰變, 變成原子序數(shù)為82的鉛的同位素。 Th(4n)系，包括13種核素，由23290Th 20882Pb; U(4n2)系，包括18種核素，由23892U 20682Pb; Ac(4n3)系，包括15種核素，由23592U

10、22789Ac 20782Pb。 括號(hào)中的數(shù)字表示一個(gè)特定系列的所有成員其質(zhì)量數(shù)都可以恰 好被4整除，或者被4整除后的余數(shù)為2或3。 在上述三個(gè)系中, 系與系間沒有交錯(cuò), 即一個(gè)序列的核不能衰 變?yōu)榱硪恍蛄械暮恕?10步衰變 14步衰變 3步衰變 8步衰變 在發(fā)現(xiàn)了人造的鈾后元素之后，又增添了镎系： Np(4n1)系，包括15種核素，由24194Pu 23792Np 20983Bi。 Np系與Th、U、Ac三系有明顯的差別，它的最終 產(chǎn)物為20983Bi而不是82Pb。 11步衰變 2步衰變 系列的衰變步驟可根據(jù)系列的始末成員的質(zhì)量和核 電荷及、射線的知識(shí)所獲得。 如對(duì)Th系，假定放射了a個(gè)粒

11、子和b個(gè)粒子，則 質(zhì)量變化數(shù)為 2322084a，a6； 核電荷變化為 90822ab，b4。 即23290Th經(jīng)過6次衰變和4次衰變(共10步衰變)變 為20882Pb。 12.1 四四 個(gè)個(gè) 放放 射射 性性 衰衰 變變 系系 的的 衰衰 變變 模模 式式 。 其其 中中 是是 最最 穩(wěn)穩(wěn) 定定 的的 核核 素素 , , 是是 最最 終終 產(chǎn)產(chǎn) 物物 12.1 四四 個(gè)個(gè) 放放 射射 性性 衰衰 變變 系系 的的 衰衰 變變 模模 式式 。 其其 中中 是是 最最 穩(wěn)穩(wěn) 定定 的的 核核 素素 , , 是是 最最 終終 產(chǎn)產(chǎn) 物物 12.2 放射性衰變動(dòng)力學(xué) 12.2.1 衰變速率和半衰期

12、 1 放射性衰變定律 放射性衰變速率R(或放射性物質(zhì)的放射活性A)正比于放射 核的數(shù)量N。由于R或A都是放射性核隨時(shí)間t的變化速率，所以 ARdN/dtN 或 ARdN/dt N 式中為衰變常數(shù)，與核的本性有關(guān)，負(fù)號(hào)表明N隨時(shí)間的 增加而減少，整理方程有 dN/N dt 1nN tC 其中C為積分常數(shù), 當(dāng)t0, ClnN0, 式中N0為N的初始值。 2.303 經(jīng)過變換，有 1nN1nN 0 t 即 NN 0et 或 t lg N/N0 這就是放射性衰變定律。 使用兩套單位來計(jì)量衰變的速率： 居(里)(Ci)，定義為一個(gè)放射源每秒發(fā)生3.7001010 次衰變； 盧(瑟福)(rd)，定義為每

13、秒衰變1106次，顯然， 1 Ci3.70104 rd 2 半衰期 放射性樣品衰變掉一半所用的時(shí)間稱為半衰期，記 作t1/2，它是特定核素的一個(gè)特征性質(zhì)。 由于NN0/2，所以，根據(jù)放射性衰變定律， t1/2 lg 1/2 lg 20.693/ 以lg N對(duì)時(shí)間t作圖可以間接測(cè)定半衰期： lg Nlg N0 t/2.303 lg N00.693 t/(2.303t1/2) 直線的斜率為0.693 t/(2.303t1/2)，由此可算出t1/2 。 2.303 2.303 3 平均壽命 平均壽命是樣品中放射性原子的平均壽命： 知道了t1/2即不難計(jì)算出t平均。 693. 0 t1 dtteN N

14、 )Ndt( t N 1 tdN N 1 t 2/1 t 0 0 0 0 N0 00 0 平均 例：1 g RbC1(相對(duì)分子質(zhì)量120.9)樣品的放射活性為 0.478 mrd, 已知樣品含27.85 的87Rb, 求87Rb的t1/2和t平均。 解：1 g RbCl中含87Rb的原子數(shù)為N N10.27851.391021 由于 RN0.478 mrd 0.478106478 (個(gè)/s) 478/1.3910213.441019 (s1) t1/20.693/0.693/(3.441019)6.41010 (年) t平均6.41010 9.21010 (年) 6.0221023 120.9

15、 dN dt 478 N 1 0.693 3 地球年齡及年代鑒定 根據(jù)礦物中不同核素的相對(duì)豐度()和有關(guān)的t1/2可以 進(jìn)行地球年齡及年代的估算。 如有一種瀝青鈾礦，其中(238U):(206Pb)22:1，已 知238U的半衰期為4.5109 年，且假定所有的206Pb都是由 238U衰變得到，則 n(238U) : n(206Pb)22/238 : 1/20619 : 1 設(shè)地球誕生時(shí)238U為20 mol，206Pb為0 mol， t地球 lg lg 3.3109 (年) 2.303 2.303 20 0.693/(4.5109) 19 2 38U的原始量 238U的現(xiàn)有量 按照同樣的原

16、理，只要測(cè)出死亡植物中14C:12C的比值 即可近似地計(jì)算動(dòng)、植物死亡的年代。其根據(jù)是大氣中由 于宇宙射線內(nèi)的中子與147N反應(yīng)不停地生成146C： 147N10n 146C11P 而146C也發(fā)生衰變： 146C 147N01e00， t1/25720 年 當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，大氣中CO2的146C:126C1012。 活著的動(dòng)、植物從大氣中吸收CO2，動(dòng)物和人體 食取植物，因而都有同樣的14C:12C比值。 當(dāng)動(dòng)、植物死亡后, 吸入146C活動(dòng)停止, 而146C的衰 變卻不間斷地進(jìn)行, 故146C:126C比值下降。設(shè)法測(cè)得此 比值并與活體中的比值1012比較，即可算出動(dòng)、植物 死亡的時(shí)間。 例

17、：測(cè)得某古尸146C:126C比值為0.51012，計(jì)算古 尸的年代。 解：由 lg t/2.303有 lg 又 0.693/t1/2， t1/25 720 年， N01012，N0.51012； t lg 5 722 (年) N N0 2.303 t 57202.303 1012 0.693 0.51012 N N0 12.2.2 反應(yīng)級(jí)數(shù) 所有的衰變反應(yīng)都是一級(jí)反應(yīng)，因?yàn)樗プ儾灰蕾嚭送?的任何因素。 例如，13153I 釋放出一個(gè) 粒子而發(fā)生衰變： 13153I 13154Xe01e00 其衰變反應(yīng)的速率表達(dá)式可寫為： ARN 和大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)不同，自發(fā)放射性衰變的速率不隨 溫度的改變而改

18、變。 12.3 核的穩(wěn)定性和放射性衰變類型的預(yù)測(cè) 12.3.1 中子和質(zhì)子的穩(wěn)定比例 前述或輻射以及K電子俘獲都是核內(nèi)質(zhì)子與中子 的轉(zhuǎn)化過程，但究竟取何種方式顯然取決于核內(nèi)中子與 質(zhì)子的相對(duì)比例n/p。 對(duì)于原子序數(shù)較小(z小于20)的元素，最穩(wěn)定的核是 核中np，或n/p1。 質(zhì)子數(shù)增加, 質(zhì)子質(zhì)子排斥增大, 以致需要更多的 中子以降低質(zhì)子間的斥力, 從而形式穩(wěn)定的核。因而n/p 可以逐漸增大到約1.6, 超過這個(gè)比值, 可發(fā)生自發(fā)裂變。 中子數(shù)富余的核(具有高的n/p值)將以子核n/p比值減 小的方式衰變，這可以有以下幾種方式： (1) 輻射 此時(shí)，一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，n/p減小 ，如

19、 146C 147N01e 14156Ba 14157La 14158Ce 14159Pr (2) 中子輻射。如 8736Kr 8636Kr10n00 另一方面，若核中質(zhì)子富余(有低的n/p值)，則衰變產(chǎn) 生的是正電子輻射、 K-電子俘獲和輻射以減少它的核電 荷： (1) 正電子輻射。如 1910Ne 199F01e00 (2) K-電子俘獲。如 4019K01e 4018Ar00 (3) 輻射。如 23892U 23490Th42He 12.3.2 核子的奇偶性 對(duì)天然存在的穩(wěn)定核素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，原子序數(shù)為 偶數(shù)的元素的穩(wěn)定同位素的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子序數(shù)為奇 數(shù)的元素的穩(wěn)定同位素的數(shù)目。具有奇

20、原子序數(shù)的元素 的穩(wěn)定同位素的數(shù)目總不會(huì)超過兩個(gè)，但偶數(shù)原子序數(shù) 元素的穩(wěn)定同位素卻有很多。 在天然存在的核素中，具有質(zhì)子、中子為偶偶組成 的核素的數(shù)目大于具有偶奇、奇偶、奇奇組成核素 三者的總和，具有奇奇組成的穩(wěn)定核素極少見(上表)。 多數(shù)元素的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都為偶數(shù)這一事實(shí)是核中 核子成對(duì)的一個(gè)證據(jù)，就像核外的電子成對(duì)一樣，核 內(nèi)的質(zhì)子和中子也是成對(duì)的。 天天然然存存在在的的核核素素 質(zhì)質(zhì)子子數(shù)數(shù) 中中子子數(shù)數(shù) 總總數(shù)數(shù) 百百分分比比 舉舉例例 偶偶數(shù)數(shù) 偶偶數(shù)數(shù) 167 58 12 6C 偶偶數(shù)數(shù) 奇奇數(shù)數(shù) 58 20 9 4Be 奇奇數(shù)數(shù) 偶偶數(shù)數(shù) 54 19 7 3Li 奇奇數(shù)數(shù) 奇

21、奇數(shù)數(shù) 9 3 14 7N 12.3.3 幻數(shù)理論 穩(wěn)定的天然同位素的核子常出現(xiàn)一些神奇數(shù)字(稱 為幻數(shù))。 對(duì)質(zhì)子，幻數(shù)為2，8，20，28，50和82； 對(duì)中子，幻數(shù)為2，8，20，28，50，82和126。 具有幻數(shù)個(gè)質(zhì)子或中子的原子核，通常要比在周期 表中與之相鄰的原子更穩(wěn)定一些。 電子也有幻數(shù)，分別為2，10，18，36，54和86， 恰好是稀有氣體的原子序數(shù)。 核中神奇數(shù)字的出現(xiàn)表明核有能級(jí)。 盡管從N/P比，偶奇類型核和神奇數(shù)字常能正確 地預(yù)測(cè)出放射性，但有時(shí)也有偏差。 例如，對(duì)于核素84Be和147N，84Be的中子/質(zhì)子比為 1:1，是偶偶核，但84Be卻是放射性的，衰變的半

22、衰 期為21016 s。 相反，147N的N/P比為1:1，是一個(gè)奇奇核，但 147N卻不具有放射性(大多數(shù)奇奇核都有放射性)。 這些都表明，有時(shí)必須計(jì)算伴隨核反應(yīng)的能量變化 ，才能正確地預(yù)測(cè)一個(gè)核會(huì)發(fā)生怎樣的衰變。 12.4 質(zhì)量虧損和核結(jié)合能 按照Einstein的質(zhì)能相當(dāng)定律，EmC2，一定的質(zhì) 量必定與確定的能量相當(dāng)。 如與1 g的質(zhì)量所相當(dāng)?shù)哪芰繛椋?EmC2103 kg(2.997 9108 ms1)2 8.9821013 m2kgs2 8.9821010 kJ 約為2 700 t 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所放出的熱量。 與l amu(原子質(zhì)量單位，1.660 541027 kg)的質(zhì)量 相當(dāng)?shù)?/p>

23、能量為： E1.660 541027(2.997 9108)2 1.492 391013 kJ 由于1 MeV1.602 181016 kJ，所以，與 l amu 的質(zhì)量相當(dāng)?shù)哪芰繛椋?E1. 492 391013/1.602 181016 931.5 (MeV) 質(zhì)能相當(dāng)定律說明，質(zhì)量是能量的另一種形式。 靜止的粒子所具有的能量與它的靜止質(zhì)量成正比； 運(yùn)動(dòng)著的粒子比靜止時(shí)質(zhì)量大，因?yàn)樗哂徐o止質(zhì) 量和由于它的動(dòng)能所增加的質(zhì)量。 一個(gè)穩(wěn)定的核所具有的能量必定小于它的組元粒子 的能量之和，否則它就不能生成。 對(duì)應(yīng)地，一個(gè)穩(wěn)定核的質(zhì)量必定小于組成它的各組 元粒子的質(zhì)量，其間的差額叫做質(zhì)量虧損。 質(zhì)

24、量虧損是可以計(jì)算的。以94Be核為例，鈹核含4個(gè) 質(zhì)子和5個(gè)中子，已知一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量等于1.007 28 amu ，一個(gè)中子的質(zhì)量1.008 67 amu，一個(gè)電子的質(zhì)量0.000 548 58 amu，鈹?shù)南鄬?duì)原子質(zhì)量為9.012 19 amu，所以 ，質(zhì)量虧損： m(41.007 2851.008 67) (9.012 1940.000 548 58) 0.062 76 (amu) 根據(jù)質(zhì)能相當(dāng)定律可以算出由自由核子結(jié)合成94Be 核時(shí)放出的能量稱作核的結(jié)合能(B)。 B0.062 76931.5 58.5 (MeV) 核的結(jié)合能因核內(nèi)核子數(shù)不同而不同。因此，特定 的核素有特定的結(jié)合能，為

25、了比較各種核素核的穩(wěn)定性 ，我們可以計(jì)算核素的平均結(jié)合能(B)。 平均結(jié)合能B總結(jié)合能B/核子數(shù) 因此94Be核的平均結(jié)合能為58.5/96.50 MeV； 而21H、42He和5626Fe核的平均結(jié)合能分別為1.075、 7和8.79 MeV。 平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性。 12.5 核裂變與核聚變 12.5.1 核裂變 原子核發(fā)生自發(fā)分裂或在受到其他粒子轟擊時(shí)分 裂為兩個(gè)質(zhì)量相近的核裂塊(也有分裂為更多裂塊的情 形，但概率很小)，同時(shí)還可能放出中子的過程叫核裂 變。 原子核裂變時(shí)，釋發(fā)出巨大的能量。這是因?yàn)椋?重核的平均結(jié)合能較小，不穩(wěn)定，在分裂為平均結(jié)合能 大的較輕的核素時(shí)，有

26、部分結(jié)合能釋放之故。 以慢中子轟擊235U為例，裂變產(chǎn)物從30Zn到64Gd等 30多種元素超過200種以上的放射性核素，但質(zhì)量數(shù)均 不小于72和大于162，其中概率最大(60 )的為A95和 139。假定這是95Sr和139Xe，則 235U 1n 95Sr 139Xe 21n 質(zhì)量 235.042 3 1.008 7 94.905 8 138.905 5 1.008 7 m235.042 31.008 794.905 8 138.905 521.008 7 0.222 3 (amu) 或 E 207 (MeV)。 235U核在裂變時(shí)，可能放出24個(gè)次級(jí)中子，假定 其中有兩個(gè)能繁殖進(jìn)一步的裂

27、變反應(yīng)，即一分為二，二 分為四，則在n次之后，將獲得2n個(gè)中子。 計(jì)算表明，在106 s中有大約85個(gè)裂變，以致15 kg 235U在差不多不需什么時(shí)間產(chǎn)生的裂變就能放出1012 kJ 能量，這樣將引起猛烈的爆炸。 總之，只要倍增系數(shù)K(N/N0，N0為前一代的中子 數(shù)，N為后一代的中子數(shù))大于1，哪怕K1.001，最后 必然引起核爆炸。除235U之外，233U和239Pu也具有相同 的性質(zhì)。 第二次世界大戰(zhàn)美國(guó)投在日本廣島、長(zhǎng)崎的原子彈 , , 其中一顆是鈾彈，另一顆則是钚彈。 慢中子引起235U裂變的概率比快中子大，而235U裂 變產(chǎn)生的次級(jí)中子為快中子。 為了進(jìn)行可控制的慢中子鏈?zhǔn)搅炎兎?/p>

28、應(yīng)，設(shè)計(jì)了稱 作核反應(yīng)堆的裝置。堆中置入核燃料235U，開始裂變產(chǎn) 生的快中子在與減速劑重水或石墨多次碰撞中速率被減 慢成慢中子，并在鈾燃料中插入可移動(dòng)的能吸收多余中 子的Cd(或Gd、B等)控制棒，使培增系數(shù)恰好等于1。 這樣就可以讓鏈?zhǔn)搅炎兙徛M(jìn)行并放出大量的熱能。 核反應(yīng)的熱能如果用熱交換器產(chǎn)生高壓水蒸氣，推 動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)用以發(fā)電，這樣得到的電通常稱作 核電。核電的成本低，核燃料容易運(yùn)輸和儲(chǔ)備，比燃煤 干凈。 利用核反應(yīng)堆可以制取放射性同位素或其他核燃料, , 如用中子轟擊5927Co、23892U和23290Th分別得到6027Co、 23992U和23390Th。前者用于癌癥化

29、療，而23992U和23390Th分 別經(jīng)過兩次衰變變成新的核燃料23994Pu和23392U。 12.5.2 核聚變 輕原子核在相遇時(shí)聚合為較重的原子核并放出巨大能量 的過程叫核聚變。如 2H2H 3He1n 放出3.25 MeV的能量； 2H2H 3H1H 放出4.00 MeV的能量； 3H2H 4He1n 放出17.6 MeV的能量； 3He2H 4He1H 放出18.3 MeV的能量。 四個(gè)反應(yīng)的總和耗掉了六個(gè)2H，放出了43.2 MeV的能 量，平均每個(gè)2H放出7.2 MeV，單位核子放出能量為3.6 MeV 。 通過比較發(fā)現(xiàn)，單位質(zhì)量235U裂變放出的能量為207/235 0.88

30、 MeV，只是單位質(zhì)量2H聚變能量3.6 MeV的四分 之一左右。 聚變反應(yīng)必須在高溫條件下(加熱使氘核獲得足夠的 動(dòng)能以克服氘核間的斥力)才能進(jìn)行。所需溫度在108 以上，故聚變反應(yīng)也稱為熱核反應(yīng)。 所謂氫彈實(shí)際上是用235U裂變產(chǎn)生108 以上的高溫 引發(fā)氫的同位素聚變的熱核反應(yīng)。當(dāng)然這樣的熱核爆炸 目前是無法控制的。 太陽(yáng)是一個(gè)巨大的聚變能源。太陽(yáng)上有幾十億立方 千米體積的1H，每天都在進(jìn)行著聚變反應(yīng)： 411H 42He2 01e 并有能量61018 kJ到達(dá)地球表面養(yǎng)育全人類和所 有生物。 前面曾經(jīng)提到，用加速的多電荷“重”離子作轟 擊粒子的核反應(yīng)可以合成出原子序數(shù)從99到109的超

31、鈾 元素。若能將這種核反應(yīng)引伸到原子序數(shù)更高的起始 物質(zhì)，也許可以合成出原子序數(shù)更大的超重元素。 12.6 超重元素的合成 12.6.1 關(guān)于元素穩(wěn)定性的討論 超重元素一般是指原子序數(shù)為110126的元素(也有人 認(rèn)為是指原子序從108128的元素), 隨著原子序數(shù)的增加, 這些人工合成元素的壽命越來越短(如104號(hào)元素只能存在 0.10.5 s)，且合成出來的原子的數(shù)目也越來越少，因而 使人們對(duì)新元素的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生一些錯(cuò)覺，認(rèn)為重元素的發(fā)現(xiàn) 是不大可能的。 科學(xué)工作者對(duì)元素能否穩(wěn)定存在作了一些探討： (1) 關(guān)于元素穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有2、8、28、50、82、126(這些數(shù) 字被稱

32、為幻數(shù))個(gè)質(zhì)子或中子的原子核，通常要比在周期 表中與之相鄰的原 子更穩(wěn)定一些。 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則之一就是具有幻核子數(shù)的核有突出的穩(wěn)定 性。 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則之二，具有質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)的原 子核， 比通常具有奇 數(shù)的質(zhì)子或中子的核更為穩(wěn)定。 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則之三，確定 一個(gè)同位素是否穩(wěn)定，主要 看 中 子 數(shù) 與 質(zhì) 子 數(shù) 之 比 (N/P)：原子序數(shù)較小的元 素，其比值為1的原子核穩(wěn) 定，隨原子序數(shù)增大這個(gè)比 值增加。 因?yàn)橘|(zhì)子數(shù)增多，質(zhì)子 間斥力加大，這就要求有更 多的中子來使原子核趨于穩(wěn) 定，左圖示出了穩(wěn)定核的中 子質(zhì)子比例圖。 (1.5:1) Hg (1.5:1) Sn (1.5:1) Zr (n:p)

33、 (1:1) 120 50 200 80 90 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 質(zhì)子數(shù) 穩(wěn)定核中，中子數(shù)對(duì)質(zhì)子數(shù)的比值圖 中子數(shù) (2) 穩(wěn)定島的假說 “穩(wěn)定島”假說認(rèn)為, 形成穩(wěn)定同位素是在一定的范圍內(nèi) 出現(xiàn), 在這個(gè)范圍內(nèi)組成了一個(gè)穩(wěn)定同位素區(qū), 其四周被不穩(wěn)定 的同位素如“海洋”一樣包圍著(下圖), 穩(wěn)定同位素在不穩(wěn)定同 位素中形成了如屹立在“海洋”中的“山脈”或稱“穩(wěn)定島” 。按此, 在105106號(hào)元素附近開始進(jìn)入不穩(wěn)定海洋, 越過海洋 , 出現(xiàn) 12.6 被被不不穩(wěn)穩(wěn)定定的的海海洋洋所所包包圍圍的的已已知知的的和和推推測(cè)測(cè)的的核核穩(wěn)穩(wěn)定定區(qū)區(qū)域域 穩(wěn)定島，

34、這個(gè)島相應(yīng)于質(zhì) 子數(shù)的范圍為110126或 108128, 中中子數(shù)的范圍 為76190。島中最高的 山峰相應(yīng)于原子序數(shù)114， 中子數(shù)為184的元素，島的 周圍為不穩(wěn)定的元素。 有人預(yù)測(cè)Z114的 元素的半衰期可達(dá)到1016 年。這種半衰期較長(zhǎng)的元 素似乎應(yīng)在自然界中存在 ，目前科學(xué)工作者正在廣 泛地尋找這個(gè)元素，但尚 未發(fā)現(xiàn)。 12.6 被被不不穩(wěn)穩(wěn)定定的的海海洋洋所所包包圍圍的的已已知知的的和和推推測(cè)測(cè)的的核核穩(wěn)穩(wěn)定定區(qū)區(qū)域域 但是，合成超重元素的艱巨性體現(xiàn)在超重元素原子 核的不穩(wěn)定性，合成的困難性和測(cè)試技術(shù)的局限性三個(gè) 方面。 一方面，原子核的穩(wěn)定性受兩個(gè)因素的制約： 原子核的質(zhì)量數(shù)；

35、 N/P比。 隨著原子序數(shù)的增加，核電荷不斷增加，以致需要 更多的中子以降低質(zhì)子間的斥力。但同時(shí)，N/P比增加 ，核的質(zhì)量數(shù)增加。結(jié)果是核變得太大而不穩(wěn)定，可發(fā) 生自發(fā)的裂變。 第二方面，人工核反應(yīng)隨著質(zhì)量數(shù)的增加而變得更 加困難。 此時(shí)，若使用的轟擊粒子“核彈”太輕，則會(huì)被強(qiáng) 大的靶核電荷排斥而達(dá)不到復(fù)合的目的。如果核彈的能 量太大，結(jié)合的核太“熱”，也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合核的裂變。 而且，即使達(dá)到上述要求，由于核反應(yīng)中由非平衡 狀態(tài)自發(fā)地趨于平衡狀態(tài)的“弛豫現(xiàn)象”，使得有效轟 擊率大大降低。據(jù)報(bào)道，在合成109號(hào)元素Mt的實(shí)驗(yàn)中 ，核彈粒子58Fe和靶核粒子209Bi在1014次接觸中，只有一 次成

36、功。對(duì)靶核轟擊了一周之久，才鑒定到一個(gè)109號(hào) 元素Mt的原子核。 最后，由于原子核越重越不穩(wěn)定，半衰期也越來越 短，這樣，必然給測(cè)試工作帶來極大的困難。因?yàn)橐?成必要的鑒定工作是需要時(shí)間的。 如果新核的半衰期太短(如107Bh為(12)103 s， 108Hs也只2103 s)，要在短時(shí)間內(nèi)完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)工作是 非常困難的，而如果對(duì)一個(gè)新元素缺乏應(yīng)有的化學(xué)鑒定 ，那就難于準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)該元素的性質(zhì)和地位。 目前，盡管在合成超重元素方面存在上述種種困難 ，但科學(xué)家們?nèi)匀辉跒閷?shí)現(xiàn)此目標(biāo)而頑強(qiáng)地努力著。 事實(shí)上，目前世界上很多地方都在改建或新建更強(qiáng) 大的加速器，以提高加速粒子能量。 在測(cè)試方面也發(fā)展了

37、許多快速、有效的鑒測(cè)方法以 適應(yīng)短壽命元素的化學(xué)鑒定工作。 可以深信，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類合成超 重元素的日子不會(huì)太遠(yuǎn)了。 12.6.2 超重元素的合成 由一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子如(42He2), (01e), (01e)，(00)，d(21H)，P(11H)和n(10n)等粒子 和一個(gè)目標(biāo)核發(fā)生碰撞而引發(fā)的核反應(yīng)稱為誘導(dǎo) 核反應(yīng)，其中運(yùn)動(dòng)粒子稱為轟擊粒子，靜止的粒 子稱為靶核。 例如，用粒子轟擊14N核，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子和17O。 147N42He 178O11H 誘導(dǎo)核反應(yīng)有時(shí)又被稱為粒子粒子反應(yīng)，因?yàn)橐?種粒子是反應(yīng)物，另一種粒子是產(chǎn)物。 誘導(dǎo)核反應(yīng)也叫嬗變反應(yīng)，即由一種元素轉(zhuǎn)變?yōu)榱?一種元

38、素的反應(yīng)。 至今，用誘導(dǎo)核反應(yīng)已經(jīng)合成出了2 000多種(人工)放 射性核素。 93109號(hào)元 素的合成 原原子子序序數(shù)數(shù) 名名稱稱 元元素素符符號(hào)號(hào) 合合成成反反應(yīng)應(yīng) 93 镎镎 Np 238U(n, )239Np 94 钚钚 Pu 238U(d,2n)239Np 239Pu 95 镅镅 Am 239Pu(2n, )241Am 96 鋦鋦 Cm 239Pu(, n)242Cm 97 锫锫 Bk 241Am(, 2n)243Bk 98 锎锎 Cf 242Cm(, n)245Cf 99 锿锿 Es 238U(15n, 7)253Es 100 鐨鐨 Fm 238U(17n, 8)255Fm 101 鍆鍆 Md 253Es(, n)256Md 102 锘锘 No 246Cm(12C, 4n)254No 103 鐒鐒 Lr 252Cf(11B, 5n)258Lr 104