核化学简介
第 18 章
Chapter 18
Introduction to Nuclear
Chemistry
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1964年 10月 16日 15时,中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹,....
蘑菇云
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本章教学要求
3,了解放射性碳 -14测定年代法；
2,会正确书写核化学方程式；
1,了解有关放射性核素和放射性衰变的
概念；
5,简单了解人工核反应和超铀元素合成
的基本内容 。
4,了解核能和核能利用的基本概念；
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18.1 放射性核素和放射性衰变
Radioactive nuclide and radioactive
decay
18.2 核能和核能利用
Nuclear energy and use of nuclear
energy
18.3 人工核反应和超铀元素的
合成
Artificial nuclear reaction and
syntheses of transuranium elements
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18.1.1 放射性衰变和放射系 Radioactive
decay and radioactivity Series
18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性
活度 Nuclear chemical equation
half-time and radioactivity
18.1.3 放射性碳 -14纪年 Radiocarbon-
14 dating
18.1 放射性核素和放射性衰变
Radioactive nuclide and
radioactive decay
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18.1.1 放射性衰变和放射系
放射性衰变 (radioactive decay)是一种过程,在这种过程
中,原来的核素 (母体 )或者变为另一种核素 (子体 ),或者进
入另一种能量状态 。
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辐射会使细胞的生长 -调节机制受到伤害, 以白血细
胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的 。
辐射造成
的生物
效应
辐射造成
的生物
效应
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β 衰变
α 衰变
γ 衰变
核电荷数减少 2意味着子核在元素
周期表中的位置左移 2格,叫作 α衰变
的位移定则 。
β衰变的位移定则 是，子核在元素周
期表中的位置右移 1格。
放射性衰变
+ γ
（ 高能电子波 ）
*6027Co Co6027
+Ra226
88 Rn22288 H e )α( 4242
+ （ 电子 ）Bi21083 e0
-1Po21084
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在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变
关系 。 母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生
成稳定核素 。
放射系
(radioactive series)
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18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性
活度
1,核化学方程式
书写核化学方程式的规则,(a) 方程式两端的质量
数之和相等； (b) 方程式两端的原子序数之和相等 。
2,半衰期
1个半衰期
2个半衰期
3个半衰期
4个半衰期
放射性核素的衰变速率用 半
衰期 (half-life) 表示,符号为 t1／ 2。
例如,锶 -90的衰变反应
的半衰期为 29 a。
Sr9038 Y9039 e0-1?
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Question 1
Solution
配平下列方程式,
(a) + +?
(b) +?
(c) +?
Cf25398 n310
I12253 Xe12254
Fe5926 e0-1
B105
依据配平规则可知,
(a) + +
(b) +
(c) +
n310 Lw259103Cf25398
e0-1
I12253 Xe12254
Fe5926 Co5927
e0-1
B105
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放射性核素的半衰期短至 10-6 s,长至 1015 a。 衰变反
应半衰期的一个重要特征是,它不受外界条件 (温度, 压力
等 )的影响, 也不受化合状态的影响 。
化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种,
但对放射性造成的毒性却无可奈何 !
切尔诺贝利 4
号反应堆爆炸灾
难后的几年内,
乌克兰 0～ 14岁
儿童中甲状腺癌
的发病人数 。
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3,放射性活度及其单位
放射性活度 (activity)是通过实验观察得到的放射性
物质的衰变速率 。
SI单位, 为 Bq(贝可 ),1 Bq相当于每秒发生 1次衰变 。
旧单位, Ci(居里 ), 1 Ci 相当于每秒发生 3.7× 1010次衰
变 (1 g 镭 -226的衰变速率 )。
1Ci = 3.7× 1010Bq
比活度,指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之
比, 单位为 Bq·g-1或 mCi·g-1等 。
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检测放射性的方法
盖革计数器 (Geiger counter)是根据受辐射气体发
生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的 。
每个被放大了的电脉冲
即代表一次放射性记数
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18.1.3 放射性碳 -14纪年
方 法, 放射性碳 -14测定年代法 (radiocarbon-14 dating)
依 据, 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关
利 比, 获得 1960年诺贝尔化学奖
假 定, 大气中碳 -14与碳 -12的比值是恒定的
碳 -14以 5730 a 的
半衰期发生 β衰变
+C146 N147 e0
1-
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Question 2 埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样
品中,放射性碳 -14的比活度为 432 Bq·g-1 [即
s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织相应的比
活度则为 756 Bq·g-1,试计算该古墓建造的
年代 。
Solution 衰变反应是,
根据一级反应的速率方程和半衰期公式,
lnct( )= -kt ＋ lnc0( ), t1/2 = 0.693/k
得, k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21× 10-4 a-1
t = ln[756 Bq·g-1/432 Bq·g-1]/(1.21× 10-4 a-1) = 4630 a
即该古墓大约是公元前 2625年建造的 。
C146 N147 e0-1?
C146 C146
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18.2 核能和核能利用
Nuclear energy and use of
nuclear energy
18.2.1 核素的平均结合能 Average
binding energy of nuclide
18.2.2 核裂变 Nuclear fission
18.2.3 核聚变 Nuclear fusion
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18.2.1 核素的平均结合能
核子之间靠 核力 (nuclear force)结合成原子核, 核力是
核子之间的短程强吸引力, 作用范围为 2fm(10-15 m) 。
= 0.002 389 3u
减少的质量
质量亏损
(mass defect)
用△ m表示
△ E
= mc2
减少的能量即核
的结合能 (nuclear
binding energy),
符号用 EB
例如,2H核的结合能为,
EB(2H) = △ mc2 = 931.5 MeV·u-1
× 0.002 389 3 u ≈ 2.225 6 MeV
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平均结合能 (average binding energy) 指核子结合为原
子核时每个核子平均释放的能量 (结合能除以质量数 ） 。
例如 2H 核的值为 1.112 8 MeV。
由于重核裂变
为较轻核和轻核聚
变为较重核的过程
都是放能反应,这
种趋势就奠定
了核能利用的
基础 。
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Question 3
Solution
Δm = 59.9529 + 1.00783 ― 58.9332 ― 2.01410
= 0.01343 (g · mol-1)
ΔE =Δ mc2 = 1.343 × 10-5 kg · mol-1 × (3.00 × 108
m · s-1)2
=1.21× 109 kJ · mol-1
计算反应
+ +
的吸收发射能。 原子量, =58.9332，
=2.01410,=59.9529，
=1.00783。
Co6027
H21 H11Co5927
H21
H11
Co6027
Co5927
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18.2.2 核裂变
核裂变 (nuclear fission)是大核分裂为小核的过程, 普通
的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量 。
1,铀 -235的裂变与核武器
发生链反应 爆炸
35
种
元 素
的 200
多种
位素
同
＋ ＋ ＋ 2
＋ ＋ ＋ 3
U23592 n10 Te13752 Zr9740 n10
Kr9136U23592 n10 Ba14256 n10
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足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫 临界质量
(critical mass)。 铀 -235 的临界质量约为 1 kg,质量超过
1 kg 则发生爆炸。
任何有核反
应堆的国家都不
难得到爆炸级的
裂变材料，原子
弹的基本设计又
如此简单，从而
为防止核武器扩
散带来了困难。
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痛苦的回忆
这是美国对日本投掷的两颗原子弹
疮
满
目
痍
全世界第一次知道了什么是原子弹！
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2,核反应堆
通过受控核裂变反应获得核能的装置, 可使裂变产生
的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的 自持
链反应 (self-sustaining chain reaction)。
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前苏联于 1954建成
世界上第一座核电
站；至今已有 30多
个 国 家 和 地 区 的
400多座核电站处
在运行之中 。 右图
列出 1995年一些国
家核电占各自总电
力的百分率 。
第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能的利用
转向和平用途。
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安全方面的担心
核废料处理
核动力发电算得上一种清洁能源
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18.2.3 核聚变
核聚变 (nuclear fusion)
由两个或多个轻核聚合形成较
重核的过程。
热核武器
以聚变反应为基础的核武器
氢弹就是利用装在其内
部的一个小型铀原子弹爆炸
产生的高温引爆的 。
＋ ＋40 000 000 ℃H3
1 H21 He
42 n10
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18.3.1 人工核反应
Artificial nuclear reaction
18.3.2 超铀元素的合成
Syntheses of transuranium
elements
18.3 人工核反应和超铀元素的合成
Artificial nuclear reaction and
syntheses of transuranium
elements
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18.3.1 人工核反应
人工核反应是指原子核受中子, 质子, α粒子, 重粒
子 (例如原子核 )等轰击而形成新核的 核嬗变过程
(nuclear transmutation) 。C
126
通式为,
式中 X为靶核,a为入射粒子,Y为产物核,b为出射粒子，
通常简写为 A1X(a,b)A3Y。
XA1Z1 aA2Z2 YA3Z3 bA4Z4? ?
1919年卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应,
?42147 N ? P+O 11178
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人工核反应的实现,使科学家在实验室合成已
知元素的新核素和新的化学元素成为可能 。
185Hf(1992),208Hg(1992)、
237Th(1993),239Pa(1995)、
175Er(1996),235Am(1996)、
135Gd(1996),121Ce(1997)、
186Hf(1998),209Hg(1998)、
238Th(1999),125Nd(1999)、
128Pm(1999),129Sm(1999)、
139Dy(1999),139Tb(1999)和
137Gd(1999)。
我国科学家合成的 19种新核素：
90Ru(1991)和 202Pt(1992)
分别由中国原子能科学研究
院（北京）和上海原子核研
究所合成。
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18.3.2 超铀元素的合成
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1,第一个“超铀元素”（ transuranium elements)
的合成
1940年
1970年
2,第一个“超锕系元素”（ transactinide elements)
的合成
合成的困难, 随着质子数越来越多，质子间的
库仑引力越来越大，原子核也越来越不稳定。
+ + γ
+
U23892 n10 U23992
U23992 Np23993 β10
+ +4Cf24998 N15
7 Db260105 n10
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放射性的应用
射线疗法
射线疗法 (radiation therapy)是指用
高能射线治疗疾病的方法, 它是
人类战胜癌症的一种重要武器 。
32P
60Co
90Sr
125I
131I
14.3 d
5.26 a
28.8 a
60.25 d
8.06 d
137Cs
192Ir
198Au
222Ra
226Rn
30 a
74.2 d
2.7 d
3.82 d
1 622 a
辐射源 半衰期 辐射源 半衰期
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放射性示踪剂以某种化合物的形式给药,诊断是根据这些
放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。
131I
59Fe
32P
99Tc
23Na
8.1 d
45.1 d
14.3 d
6.0 h
14.8 h
甲状腺
红血细胞
眼,肝,瘤
心脏,骨,肝,肺
循环系统
辐射源 半衰期 检查部位
放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用
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放射性示踪剂用于研究化学
反应机理和化合物的结构
匈牙利化学家海维西（ G Hevesy） 首次将放射性示踪
剂用于化学研究，获得了 1943年诺贝尔化学奖。
亚硫酸盐与硫磺生成硫代硫酸盐, 产物 S2O32-离子中的
两个 S原子是否处于同样的化学环境？
3 H2O (l) + 32SO2 (g) + 35S (s)
结果, 掺入的那个 S原
子 (35S)与 离子中
的那个 S原子 (32S)处于
不同的化学环境 。
?23SO
35S (s) + 32 (aq) 35S32 (aq)
+ 2 H3O+ (aq)
?23SO?23SO
第 18 章
Chapter 18
Introduction to Nuclear
Chemistry
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1964年 10月 16日 15时,中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹,....
蘑菇云
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本章教学要求
3,了解放射性碳 -14测定年代法；
2,会正确书写核化学方程式；
1,了解有关放射性核素和放射性衰变的
概念；
5,简单了解人工核反应和超铀元素合成
的基本内容 。
4,了解核能和核能利用的基本概念；
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18.1 放射性核素和放射性衰变
Radioactive nuclide and radioactive
decay
18.2 核能和核能利用
Nuclear energy and use of nuclear
energy
18.3 人工核反应和超铀元素的
合成
Artificial nuclear reaction and
syntheses of transuranium elements
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18.1.1 放射性衰变和放射系 Radioactive
decay and radioactivity Series
18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性
活度 Nuclear chemical equation
half-time and radioactivity
18.1.3 放射性碳 -14纪年 Radiocarbon-
14 dating
18.1 放射性核素和放射性衰变
Radioactive nuclide and
radioactive decay
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18.1.1 放射性衰变和放射系
放射性衰变 (radioactive decay)是一种过程,在这种过程
中,原来的核素 (母体 )或者变为另一种核素 (子体 ),或者进
入另一种能量状态 。
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辐射会使细胞的生长 -调节机制受到伤害, 以白血细
胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的 。
辐射造成
的生物
效应
辐射造成
的生物
效应
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β 衰变
α 衰变
γ 衰变
核电荷数减少 2意味着子核在元素
周期表中的位置左移 2格,叫作 α衰变
的位移定则 。
β衰变的位移定则 是，子核在元素周
期表中的位置右移 1格。
放射性衰变
+ γ
（ 高能电子波 ）
*6027Co Co6027
+Ra226
88 Rn22288 H e )α( 4242
+ （ 电子 ）Bi21083 e0
-1Po21084
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在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变
关系 。 母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生
成稳定核素 。
放射系
(radioactive series)
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18.1.2 核化学方程、半衰期和放射性
活度
1,核化学方程式
书写核化学方程式的规则,(a) 方程式两端的质量
数之和相等； (b) 方程式两端的原子序数之和相等 。
2,半衰期
1个半衰期
2个半衰期
3个半衰期
4个半衰期
放射性核素的衰变速率用 半
衰期 (half-life) 表示,符号为 t1／ 2。
例如,锶 -90的衰变反应
的半衰期为 29 a。
Sr9038 Y9039 e0-1?
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Question 1
Solution
配平下列方程式,
(a) + +?
(b) +?
(c) +?
Cf25398 n310
I12253 Xe12254
Fe5926 e0-1
B105
依据配平规则可知,
(a) + +
(b) +
(c) +
n310 Lw259103Cf25398
e0-1
I12253 Xe12254
Fe5926 Co5927
e0-1
B105
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放射性核素的半衰期短至 10-6 s,长至 1015 a。 衰变反
应半衰期的一个重要特征是,它不受外界条件 (温度, 压力
等 )的影响, 也不受化合状态的影响 。
化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种,
但对放射性造成的毒性却无可奈何 !
切尔诺贝利 4
号反应堆爆炸灾
难后的几年内,
乌克兰 0～ 14岁
儿童中甲状腺癌
的发病人数 。
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3,放射性活度及其单位
放射性活度 (activity)是通过实验观察得到的放射性
物质的衰变速率 。
SI单位, 为 Bq(贝可 ),1 Bq相当于每秒发生 1次衰变 。
旧单位, Ci(居里 ), 1 Ci 相当于每秒发生 3.7× 1010次衰
变 (1 g 镭 -226的衰变速率 )。
1Ci = 3.7× 1010Bq
比活度,指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之
比, 单位为 Bq·g-1或 mCi·g-1等 。
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检测放射性的方法
盖革计数器 (Geiger counter)是根据受辐射气体发
生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的 。
每个被放大了的电脉冲
即代表一次放射性记数
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18.1.3 放射性碳 -14纪年
方 法, 放射性碳 -14测定年代法 (radiocarbon-14 dating)
依 据, 衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关
利 比, 获得 1960年诺贝尔化学奖
假 定, 大气中碳 -14与碳 -12的比值是恒定的
碳 -14以 5730 a 的
半衰期发生 β衰变
+C146 N147 e0
1-
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Question 2 埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样
品中,放射性碳 -14的比活度为 432 Bq·g-1 [即
s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织相应的比
活度则为 756 Bq·g-1,试计算该古墓建造的
年代 。
Solution 衰变反应是,
根据一级反应的速率方程和半衰期公式,
lnct( )= -kt ＋ lnc0( ), t1/2 = 0.693/k
得, k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21× 10-4 a-1
t = ln[756 Bq·g-1/432 Bq·g-1]/(1.21× 10-4 a-1) = 4630 a
即该古墓大约是公元前 2625年建造的 。
C146 N147 e0-1?
C146 C146
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18.2 核能和核能利用
Nuclear energy and use of
nuclear energy
18.2.1 核素的平均结合能 Average
binding energy of nuclide
18.2.2 核裂变 Nuclear fission
18.2.3 核聚变 Nuclear fusion
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18.2.1 核素的平均结合能
核子之间靠 核力 (nuclear force)结合成原子核, 核力是
核子之间的短程强吸引力, 作用范围为 2fm(10-15 m) 。
= 0.002 389 3u
减少的质量
质量亏损
(mass defect)
用△ m表示
△ E
= mc2
减少的能量即核
的结合能 (nuclear
binding energy),
符号用 EB
例如,2H核的结合能为,
EB(2H) = △ mc2 = 931.5 MeV·u-1
× 0.002 389 3 u ≈ 2.225 6 MeV
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平均结合能 (average binding energy) 指核子结合为原
子核时每个核子平均释放的能量 (结合能除以质量数 ） 。
例如 2H 核的值为 1.112 8 MeV。
由于重核裂变
为较轻核和轻核聚
变为较重核的过程
都是放能反应,这
种趋势就奠定
了核能利用的
基础 。
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Question 3
Solution
Δm = 59.9529 + 1.00783 ― 58.9332 ― 2.01410
= 0.01343 (g · mol-1)
ΔE =Δ mc2 = 1.343 × 10-5 kg · mol-1 × (3.00 × 108
m · s-1)2
=1.21× 109 kJ · mol-1
计算反应
+ +
的吸收发射能。 原子量, =58.9332，
=2.01410,=59.9529，
=1.00783。
Co6027
H21 H11Co5927
H21
H11
Co6027
Co5927
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18.2.2 核裂变
核裂变 (nuclear fission)是大核分裂为小核的过程, 普通
的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量 。
1,铀 -235的裂变与核武器
发生链反应 爆炸
35
种
元 素
的 200
多种
位素
同
＋ ＋ ＋ 2
＋ ＋ ＋ 3
U23592 n10 Te13752 Zr9740 n10
Kr9136U23592 n10 Ba14256 n10
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足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫 临界质量
(critical mass)。 铀 -235 的临界质量约为 1 kg,质量超过
1 kg 则发生爆炸。
任何有核反
应堆的国家都不
难得到爆炸级的
裂变材料，原子
弹的基本设计又
如此简单，从而
为防止核武器扩
散带来了困难。
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痛苦的回忆
这是美国对日本投掷的两颗原子弹
疮
满
目
痍
全世界第一次知道了什么是原子弹！
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2,核反应堆
通过受控核裂变反应获得核能的装置, 可使裂变产生
的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的 自持
链反应 (self-sustaining chain reaction)。
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前苏联于 1954建成
世界上第一座核电
站；至今已有 30多
个 国 家 和 地 区 的
400多座核电站处
在运行之中 。 右图
列出 1995年一些国
家核电占各自总电
力的百分率 。
第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能的利用
转向和平用途。
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安全方面的担心
核废料处理
核动力发电算得上一种清洁能源
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18.2.3 核聚变
核聚变 (nuclear fusion)
由两个或多个轻核聚合形成较
重核的过程。
热核武器
以聚变反应为基础的核武器
氢弹就是利用装在其内
部的一个小型铀原子弹爆炸
产生的高温引爆的 。
＋ ＋40 000 000 ℃H3
1 H21 He
42 n10
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18.3.1 人工核反应
Artificial nuclear reaction
18.3.2 超铀元素的合成
Syntheses of transuranium
elements
18.3 人工核反应和超铀元素的合成
Artificial nuclear reaction and
syntheses of transuranium
elements
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18.3.1 人工核反应
人工核反应是指原子核受中子, 质子, α粒子, 重粒
子 (例如原子核 )等轰击而形成新核的 核嬗变过程
(nuclear transmutation) 。C
126
通式为,
式中 X为靶核,a为入射粒子,Y为产物核,b为出射粒子，
通常简写为 A1X(a,b)A3Y。
XA1Z1 aA2Z2 YA3Z3 bA4Z4? ?
1919年卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应,
?42147 N ? P+O 11178
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人工核反应的实现,使科学家在实验室合成已
知元素的新核素和新的化学元素成为可能 。
185Hf(1992),208Hg(1992)、
237Th(1993),239Pa(1995)、
175Er(1996),235Am(1996)、
135Gd(1996),121Ce(1997)、
186Hf(1998),209Hg(1998)、
238Th(1999),125Nd(1999)、
128Pm(1999),129Sm(1999)、
139Dy(1999),139Tb(1999)和
137Gd(1999)。
我国科学家合成的 19种新核素：
90Ru(1991)和 202Pt(1992)
分别由中国原子能科学研究
院（北京）和上海原子核研
究所合成。
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18.3.2 超铀元素的合成
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1,第一个“超铀元素”（ transuranium elements)
的合成
1940年
1970年
2,第一个“超锕系元素”（ transactinide elements)
的合成
合成的困难, 随着质子数越来越多，质子间的
库仑引力越来越大，原子核也越来越不稳定。
+ + γ
+
U23892 n10 U23992
U23992 Np23993 β10
+ +4Cf24998 N15
7 Db260105 n10
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放射性的应用
射线疗法
射线疗法 (radiation therapy)是指用
高能射线治疗疾病的方法, 它是
人类战胜癌症的一种重要武器 。
32P
60Co
90Sr
125I
131I
14.3 d
5.26 a
28.8 a
60.25 d
8.06 d
137Cs
192Ir
198Au
222Ra
226Rn
30 a
74.2 d
2.7 d
3.82 d
1 622 a
辐射源 半衰期 辐射源 半衰期
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放射性示踪剂以某种化合物的形式给药,诊断是根据这些
放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。
131I
59Fe
32P
99Tc
23Na
8.1 d
45.1 d
14.3 d
6.0 h
14.8 h
甲状腺
红血细胞
眼,肝,瘤
心脏,骨,肝,肺
循环系统
辐射源 半衰期 检查部位
放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用放射性示踪剂在医学中的应用
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放射性示踪剂用于研究化学
反应机理和化合物的结构
匈牙利化学家海维西（ G Hevesy） 首次将放射性示踪
剂用于化学研究，获得了 1943年诺贝尔化学奖。
亚硫酸盐与硫磺生成硫代硫酸盐, 产物 S2O32-离子中的
两个 S原子是否处于同样的化学环境？
3 H2O (l) + 32SO2 (g) + 35S (s)
结果, 掺入的那个 S原
子 (35S)与 离子中
的那个 S原子 (32S)处于
不同的化学环境 。
?23SO
35S (s) + 32 (aq) 35S32 (aq)
+ 2 H3O+ (aq)
?23SO?23SO
