《m放射性和核反應(yīng)》PPT課件

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)中各同位素的反應(yīng)

2、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(wú)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。 每一種基本粒子都有確定的質(zhì)量、電荷、自旋和

3、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(wú)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)子和中子的總稱)核子以及質(zhì)能相互作用的副產(chǎn)物。 一些重

4、要的基本粒子的特征 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, 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

5、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，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)

6、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

7、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 10n0074Be01e(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 8636Kr10n12.1.3 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

8、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 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?0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(4n

9、1)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?yōu)?0882Pb。 12.2 放射性衰變動(dòng)力學(xué) 12.2.1 衰變速率和半衰期 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

10、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 dt1nN 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，

11、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。2.3032.303 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。 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。

12、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)6.0221023120.9dNdt 478 N 10.693 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20

13、6Pb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)，

14、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：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)NN02.303t57202.303 1012 0.693

15、 0.51012NN012.2.2 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)樗プ儾灰蕾嚭送獾娜魏我蛩亍?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,

16、 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 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

17、(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)

18、的質(zhì)子和中子也是成對(duì)的。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，衰變的半衰期為2101

19、6 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)哪芰繛椋?E1.660

20、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)量虧損是可以計(jì)算的。以94Be核

21、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，為了比較各種核素核的穩(wěn)定性，我們可以計(jì)算核素

22、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)?，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)，有部分結(jié)合能釋放之故。 以慢中子轟擊235U為例，裂變產(chǎn)物

23、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。

24、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)搅炎兎磻?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

25、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

26、.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 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

27、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(wú)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

28、.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

29、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)(1:1)120 50200 8090 400 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)

30、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)穩(wěn)定島，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)。 但是，合成超

31、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)； 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

32、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瓿杀匾蔫b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

33、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)

34、，因?yàn)橐环N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)榱硪环N元素的反應(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 表中的反應(yīng)式可用一個(gè)通式X(x，y)Y來表示，式中X、x、y、Y依次表示靶核、入射粒子、出射粒子、生成的新核。 如239Pu(, n)242Cm代表反應(yīng)： 23994Pu42He 24296Cm10n 在通式中的符號(hào)上未標(biāo)出原子序數(shù)，這是因?yàn)樵胤?hào)本身就代表著它。 當(dāng)轟擊粒子是帶正電的粒子時(shí)，它必須有很高的動(dòng)能才能克服它們與靶核之間的靜電排斥。為使轟擊粒子具有必需的能量，必須用加速器對(duì)轟擊粒子加速。 用加速的多電荷“重”離子作轟擊粒子