(64)-原子核及其性質(zhì)核化學(xué)與放射化學(xué)

2023/12/30

放射化學(xué)Radiochemistry2023/12/30作業(yè)1.用質(zhì)量虧損計(jì)算2H、40Ca、197Au、252Cf的結(jié)合能和比結(jié)合能.2.計(jì)算1kg235U吸收中子完全發(fā)生裂變釋放的能量(用MeV表示），相當(dāng)于多少噸煤燃燒時(shí)釋放的能量（1噸煤燃燒所放出的熱能為8109cal).3.從13C核中取出一個(gè)中子或質(zhì)子，各需多少能量，解釋兩者有巨大差別的原因。2023/12/30原子核及其性質(zhì)原子核的組成原子核的性質(zhì)2023/12/30UnitsPrefixSymbolMeaningTera-T1012Giga-G109Mega-M106Kilo-k103Deci-d10-1Centi-c10-2Milli-m10-3Micro-m10-6Nano-n10-9Pico-p10-12Symbolstoknow2023/12/30TermstoKnowElectron（電子）Particles（粒子）Elementaryvectorbosons(玻色子）Gamma()（射線）Hadrons(強(qiáng)子）Isobars(同質(zhì)異位素）Isomerictransition（同質(zhì)異能躍遷）2023/12/30TermstoKnowIsotones(同中子素）Isotopes（同位素）Massexcess(質(zhì)量過剩）Massnumber（質(zhì)量數(shù)）Mesons（介子）Neutron(中子）Neutronactivation（中子活化）2023/12/30TermstoKnowNuclearchemistry(核化學(xué)）Nuclearfission(核裂變）NuclearIsomers(同質(zhì)異能素）Nucleons（核子）Nucleus（核）Nuclide（核素）Parent（母體）2023/12/30TermstoKnowPositron（正電子）Proton（質(zhì)子）Quarks（夸克）Radioactive（放射性）Radiochemistry（放射化學(xué)）Radionuclide（放射性核素）Transmutation（嬗變）2023/12/30SymbolsforParticlesandRadiationpproton1HnucleusnneutronparticleofzerochargeandA=1ddeuteron2HnucleusTtriton3Hnucleusalphaparticle4Henucleuse-electronElectronfromatomicorbitals

-negatronNegativeelectronemittedbythenucleus

+positronPositiveelectronemittedbythenucleusGammarayElectromagneticenergy(photon)emittedbythenucleusXrayXrayElectromagneticenergyemittedasaresultofelectrontransitionsintheatomicorbitalsNeutrino（中微子）Emittedin-decayprocesses(2types)2023/12/30StructureoftheAtom+++NucleusNeutronsProtonsElectrons(ElectronClouds)2023/12/30原子核的組成1897年，J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)電子之后，提出了一個(gè)“棗糕式”的原子模型；1911年，E.Rutherford的散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子的正電荷和99.9%以上的質(zhì)量集中在R10-14m的原子中心。1912年，E.Rutherford發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。1913年，N.Bohr將量子學(xué)說應(yīng)用于原子的有核結(jié)構(gòu)，成功地解釋了氫原子光譜。1932年，J.Chadwick發(fā)現(xiàn)了中子。不久，W.Heisenberg提出原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè)。這一假設(shè)得到大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的支持。2023/12/30核素具有相同的質(zhì)子數(shù)Z、相同的中子數(shù)N、處于相同的能量狀態(tài)且壽命可測(cè)的一類原子稱為核素(Nuclide)。238U，鈾-2382023/12/30核素核子數(shù)(質(zhì)量數(shù)）原子序數(shù)若不是表示核反應(yīng)式中的核素時(shí)，可省略中子數(shù)，可省略表示能態(tài)元素符號(hào)2023/12/30同位素(isotope)同位素：質(zhì)子數(shù)相同、中子數(shù)不同的兩個(gè)或多個(gè)核素。2023/12/30同中子異位素(isotone)、同量異位素（isobar)同中子異位素:中子數(shù)相同、質(zhì)子數(shù)不同的核素。同量異位素:質(zhì)量數(shù)相同、質(zhì)子數(shù)不同的核素。2023/12/30C.L.Liu同質(zhì)異能素(isomer)同質(zhì)異能素：處于不同的能量狀態(tài)且其壽命可以用儀器測(cè)量的同一種原子核2023/12/30C.L.Liu等超額中子素(isodiaphere)等超額中子素：核中超額中子數(shù)(N-Z)相同的核素。2023/12/30C.L.Liu鏡像素(mirrornuclei)若兩個(gè)核素的Z、N和A之間存在關(guān)系：

Z1=N2,Z2=N1,A1=A2

稱這兩個(gè)核素為鏡像素2023/12/30C.L.Liu核素的穩(wěn)定性和嬗變2023/12/30C.L.Liu元素周期表2023/12/30C.L.Liu自然界中的元素81種元素（Z=183,除43Tc和61Pm）有穩(wěn)定同位素；10種元素（Z=8494，除93Np）有天然放射性核素；24種元素(Z=43,61,93,95112,114,116,118？)只能人工合成。2023/12/30C.L.Liu核素圖（

2990）穩(wěn)定核素：285（12C、14N、16O，，包括31,t1/2>11011a;7,t1/2:7.1108a4.81010a）;原生天然放射性核素：30（238U、40K、87Rb）；次生天然放射性核素：46（226Ra、234Th）；誘發(fā)天然放射性核素：10（3H、14C）人工放射性核素：2500（60Co、137Cs、237Np、99Tc）2023/12/30C.L.Liu核素圖

Stabilityline

2710

28530002023/12/30C.L.Liu2023/12/30C.L.Liu質(zhì)子滴線中子滴線2023/12/30C.L.Liu發(fā)射正電子或捕獲電子發(fā)射射線發(fā)射粒子

穩(wěn)定線2023/12/30C.L.Liu14C

14N+-32P

32S+-57Ni57Co++2023/12/30C.L.Liu核素的穩(wěn)定性和嬗變P（偶）-N（偶）核：165P（偶）-N（奇）核：55P（奇）-N（偶）核：50P（奇）-N（奇）核：6對(duì)280種穩(wěn)定核素的分析表明：核子更樂意以成對(duì)的方式存在于原子核內(nèi)2023/12/30C.L.Liu核素的穩(wěn)定性和嬗變研究觀察發(fā)現(xiàn)：放射性：發(fā)生衰變的天然放射性核素都是一些重核，（P=Z=83（Bi)，之后）;

穩(wěn)定性核素：Z=偶數(shù);不存在相鄰的穩(wěn)定的同質(zhì)異位素;推斷：原子核結(jié)構(gòu)中存在幻數(shù)（Magicnumbers)(2,8,20,28,50,82,126,184)2023/12/30C.L.Liu2023/12/30C.L.Liu2023/12/30C.L.Liu核素的穩(wěn)定性和嬗變分析表明：當(dāng)元素的質(zhì)子數(shù)為8、20、28、50、82時(shí)，該元素的穩(wěn)定同位素的數(shù)目比相鄰元素的多；當(dāng)元素的中子數(shù)為20、28、50、82時(shí)，該元素的穩(wěn)定同中子異位素的數(shù)目比相鄰元素的多；在中、重元素區(qū)(Z>32)，中子數(shù)為偶數(shù)的穩(wěn)定同位素的數(shù)目較多；2023/12/30C.L.Liu核素的穩(wěn)定性和嬗變分析表明：質(zhì)子或中子數(shù)為幻數(shù)的核素在地殼、隕石或星球中的含量比相鄰核素高；中子數(shù)為幻數(shù)的的最后一個(gè)中子的結(jié)合能（15.668MeV)比的最后一個(gè)中子的結(jié)合能（7.293MeV和4.143MeV）大得多。

2023/12/30C.L.Liu核素的穩(wěn)定性和嬗變推斷：核子數(shù)為幻數(shù)的原子核特別穩(wěn)定；核子的填充會(huì)達(dá)到殼層的閉合；核中存在殼層結(jié)構(gòu)。2023/12/30C.L.Liu幻數(shù)（Magicnumbers)質(zhì)子的幻數(shù)為：2,8,20,28,50,82中子的幻數(shù)為：2,8,20,28,50,82,1262023/12/30C.L.Liu核子、核力、質(zhì)子、中子2023/12/30C.L.Liu核子、核力、質(zhì)子、中子核子：質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱；核力：核子間存在的短程強(qiáng)相互作用（吸引）；質(zhì)子：1H的原子核；中子：不帶電、質(zhì)量與質(zhì)子相近的核子。

質(zhì)子和中子是核子的兩種不同狀態(tài)2023/12/30C.L.Liu原子質(zhì)量單位u單個(gè)原子核的質(zhì)量很小，使用kg或g作單位不便于使用。在原子核物理中引入原子質(zhì)量單位(Atomicmassunit,u)；規(guī)定1u等于一個(gè)12C原子質(zhì)量的1/12。2023/12/30C.L.Liu質(zhì)子、中子主要性質(zhì)性質(zhì)質(zhì)子中子電子質(zhì)量m/u1.0072761.0086655.485810-3電荷q/C1.602210-190-1.602210-19半徑r/m8.310-16(a)7.610-16(a）2.817910-15(b）自旋P1/21/21/2磁矩（

I/

N）2.7928-1.91301838.28平均壽命

穩(wěn)定14.79min穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)費(fèi)米-狄拉克費(fèi)米-狄拉克費(fèi)米-狄拉克(a)磁矩分布半徑(b)電子經(jīng)典半徑2023/12/30C.L.Liu原子核的半徑核力作用半徑：電荷分布半徑2023/12/30C.L.Liu原子核的電荷分布Figure2.1Chargedistributioninnuclei(R=half-densityradius;t=boundarythickness)t=(2.40.3)fm2023/12/30C.L.Liu原子核的體積每個(gè)核子所占的體積近似為常數(shù)各種核的核子密度（單位體積的核子數(shù)）大致相同2023/12/30C.L.Liu核物質(zhì)按每個(gè)核子的質(zhì)量mN為1.6610-24g計(jì)算核物質(zhì)的密度為：

=nmN1.661014(gcm-3)每立方厘米的核物質(zhì)有億噸重，大得驚人。中子星是宇宙中密度最大（1014g/cm3）的一種天體，每個(gè)中子星實(shí)質(zhì)上是由95%的中子、少量質(zhì)子和電子組成的巨大原子核。2023/12/30C.L.Liu原子核的質(zhì)量2023/12/30C.L.Liu原子核的質(zhì)量忽略原子核和核外電子之間的結(jié)合能。m(Z,A)=M(Z,A)-Zmem(Z,A):原子核的質(zhì)量；

M(Z,A):原子的質(zhì)量；

Zme:核外Z個(gè)電子的質(zhì)量。2023/12/30C.L.Liu質(zhì)子（氫原子核）的質(zhì)量m(1,1)=mp=M(1,1)-me=1.67359410-24g-9.10953410-28g=1.67268310-24g氫原子核和電子之間的結(jié)合能為13.6eV,折合成質(zhì)量為2.424410-32g,因此，忽略原子核與電子之間的結(jié)合能引起的誤差極小2023/12/30C.L.Liu質(zhì)量虧損、質(zhì)量過剩、

原子核的結(jié)合能2023/12/30C.L.Liu質(zhì)量虧損(massdefect)m(Z,A)Zmp+(A-Z)mn;m(Z,A)=Zmp+(A-Z)mn-m(Z,A)=ZMH+(A-Z)mn-M(Z,A)m(Z,A):質(zhì)量虧損——組成原子核的Z個(gè)質(zhì)子和(A-Z)個(gè)中子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量m(Z,A)之差。2023/12/30C.L.Liu質(zhì)量過剩(Massexcess)以原子質(zhì)量單位表示的原子質(zhì)量M(Z,A)與原子核的質(zhì)量數(shù)A之差稱為質(zhì)量過剩。

=M(Z,A)-A(12C)=0通常將換算為能量，以MeV表示。2023/12/30C.L.Liu原子核的結(jié)合能2023/12/30C.L.Liu原子核的結(jié)合能B(Z,A)=m(Z,A)c21u=931.5016MeV/c22023/12/30C.L.Liu比結(jié)合能（平均結(jié)合能）2023/12/30C.L.Liu比結(jié)合能（平均結(jié)合能）2023/12/30C.L.Liu2023/12/30C.L.Liu比結(jié)合能曲線8.8MeV;A=50

602023/12/30C.L.LiuTheendofchapter12023/12/30C.L.Liu1897年J.J.Thomson提出的“棗糕式”原子模型2023/12/30C.L.LiuRutherford’sa-particleexperiment:2023/12/30C.L.LiuTheModernViewofAtomicStructure2023/12/30C.L.Liu原子核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)

磁矩任何微觀粒子的自旋量子數(shù)不是半整數(shù)就是整數(shù)。電子、中子、中微子、介子等的自旋為半整數(shù)；光子、粒子、介子等的自旋為整數(shù)。自旋為半整數(shù)的粒子組成的兩個(gè)或兩個(gè)以上的全同粒子系統(tǒng)，遵從費(fèi)米-狄拉克(feimi-Dirac)統(tǒng)計(jì)律。費(fèi)米子。自旋為整數(shù)的粒子組成的兩個(gè)或兩個(gè)以上的全同粒子系統(tǒng)，遵從玻色-愛因斯坦(Bose-Einstein)統(tǒng)計(jì)律。玻色子。2023/12/30C.L.Liu原子核的磁矩原子核是一個(gè)帶電系統(tǒng)，它的自旋運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁矩。核磁子：玻爾磁子：PI:原子核的角動(dòng)量；gI:原子核的g因子。gI>0,核磁矩與核自旋方向相同，gI<0,核磁矩與核自旋方向相反。2023/12/30C.L.Liu核力作用半徑散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在粒子能量足夠高的情況下，它與原子核的作用不僅有庫(kù)侖斥力作用，當(dāng)距離接近時(shí)，還有很強(qiáng)的吸力作用，這種作用力叫核力。核力有一作用半徑，在半徑之外，核力為零。通過中子、質(zhì)子或其它原子核與核的作用所測(cè)得的核半徑就是核力作用半徑。2023/12/30C.L.Liu電荷分布半徑核內(nèi)電荷分布半徑就是質(zhì)子分布半徑。測(cè)量電荷分布半徑比較準(zhǔn)確的方法是利用高能電子在原子核上的散射。電子與原子核的作用實(shí)際上就是電子與質(zhì)子的作用。為了準(zhǔn)確地測(cè)量質(zhì)子分布半徑，電子的波長(zhǎng)必須小于核半徑，因此電子的能量必須足夠高。2023/12/30C.L.Liu核物質(zhì)由無限多等量中子和質(zhì)子組成的、密度均一的物質(zhì)稱為核物質(zhì)（Nuclearmatter);核物質(zhì)有兩個(gè)主要特點(diǎn)（1）每個(gè)核子的平均結(jié)合能與核子的數(shù)目無關(guān)；（2）核物質(zhì)的密度與核子的數(shù)目無關(guān)。有時(shí)泛指由核子組成的、密度與原子核相近的的物質(zhì)2023/12/30C.L.Liu原子核的電荷分布

0=常數(shù)(

0=0.17核子/fm3，A>16）;

R=半密度半徑（密度下降到0一半處到原子核心的距離）；d=表征彌散程度的一個(gè)參量(d=0.54fm,A>16)2023/12/30C.L.Liu比結(jié)合能2H+3H

4He+n235U92Sr+141Xe+2nA<25隨A的變化有明顯起伏；A=4(4He),12(12C),16(16O),20(20Ne)時(shí)，比臨近的核大；

偶-偶>奇-偶>奇-奇

原子核中的質(zhì)子-質(zhì)子及中子-中子有配對(duì)的趨勢(shì)2023/12/30C.L.Liu核素圖位于中子滴線上的核素，其最后一個(gè)中子的結(jié)合能為零；位于質(zhì)子滴線上的核素，其最后一個(gè)質(zhì)子的結(jié)合能為零；2023/12/30C.L.LiuNuclearforceThenuclearforceisastrongforceofattractionbetweennucleonsthatactsonlyatveryshortdistances(about10-15m).Thisforcecanmorethancompensatefortherepulsionofelectricalchargesandtherebygiveastablenucleus(0.82.0)10-15m,strongattractionforce>1010-15m,nuclearforcedisappeared<0.810-15m,strongrepulsionforce2023/12/30C.L.Liu118號(hào)元素本報(bào)訊美國(guó)和俄羅斯科學(xué)家組成的一個(gè)研究小組16日宣布，他們成功制造出了門捷列夫元素周期表中的118號(hào)元素，這也是這個(gè)小組制造出的第5種超重元素。研究小組領(lǐng)導(dǎo)人肯·穆迪16日在新聞發(fā)布會(huì)上宣布，他們用回旋加速器兩次將許多鈣-48離子加速，用來轟擊人造元素锎-249，從而制造出3顆新原子。每顆新原子的原子核包含118個(gè)質(zhì)子和179個(gè)中子。按元素周期表排序規(guī)律，118號(hào)元素排在氡氣之下，歸入惰性元素一族。在元素周期表中，自然界只存在92種，科學(xué)家成功制造出另外18種已經(jīng)得到承認(rèn)和命名的元素。此外，還有一些元素沒有得到承認(rèn)或命名，118號(hào)元素就不在已命名元素之列。研究者說，他們制造出的118號(hào)元素原子存在時(shí)間僅為0.9毫秒。此前，科學(xué)界認(rèn)為，原子序數(shù)超過110之后，隨著序數(shù)增加，原子的壽命會(huì)急劇下降。但研究人員認(rèn)為114號(hào)元素附近存在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域，這一區(qū)域的超重原子核能夠長(zhǎng)時(shí)間存在。研究人員曾成功制造114號(hào)元素，其存在時(shí)間達(dá)到30秒。不過，研究者也承認(rèn)：“到某個(gè)時(shí)候，我們將不再能夠制造新元素，我們將到達(dá)終點(diǎn)?！?/p>

2006-10-18，frombaidu2023/12/30C.L.Liu地球上的鈾資源460萬噸（開采成本<160美元/kgU）

3000萬噸（開采成本>160美元/kgU）2200萬噸（磷酸礦）40億噸（海水）2023/12/30C.L.Liu乏燃料一次通過循環(huán)的處置問題預(yù)計(jì)到2050年全世界乏燃料積存量將達(dá)到100萬噸

?

每年將產(chǎn)生乏燃料為2萬噸

?

如果直接處置，則每3–4年就需建造一座YUCCAMOUNTAIN規(guī)模的處置庫(kù)實(shí)際上根本不可行

?

構(gòu)成長(zhǎng)期放射性危害的Pu、MA和LLFP僅占乏燃料的3-4%左右，乏燃料直接處置不科學(xué)

顯然,乏燃料“一次通過”難以通過2023/12/30C.L.Liu乏燃料一次通過循環(huán)的處置問題2006年2月6日，美國(guó)小布什政府提出：全球核能合作伙伴倡議（GlobalNuclearEnergyPartnership,GNEP)。GNEP從根本上否定了美國(guó)鼓吹了30年的核燃料一次通過循環(huán)的核政策（卡特行政當(dāng)局核能政策）2023/12/30C.L.Liu核燃料“閉式循環(huán)”循環(huán)前段:采礦-水冶-轉(zhuǎn)換-濃縮-燃料加工循環(huán)后段:后處理-MOX燃料加工(熱堆/快堆);

分離-嬗變;

廢物處置循環(huán)后段操作的放射性活度為整個(gè)燃料循環(huán)的

99%，難度極大，本報(bào)告集中分析循環(huán)后段。2023/12/30C.L.Liu核燃料“閉式循環(huán)”可以充分利用鈾資源可以使核廢物的毒性和體積降低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)2023/12/30C.L.Liu常規(guī)鈾儲(chǔ)量在熱堆和快堆中的利用年限

反應(yīng)堆/循環(huán)方式可利用年限

_______________________________________________________

按鈾儲(chǔ)量460萬噸計(jì)

按鈾資源1440萬噸計(jì)*熱堆/一次通過70270

熱堆/钚循環(huán)一次90300

快堆/多次循環(huán)