入门化学在线/核化学

  第 11 章 核化学

在当今社会，“放射性”一词唤起了各种各样的图像。核电站产生无碳氢化合物能源，但可能产生危险的副产品，难以安全储存。利用核反应产生毁灭性爆炸的炸弹，对我们已知的地球以及可能居住在其中的幸存人口造成可怕的副作用。利用核化学窥视生物内部以检测疾病的医疗技术以及辐射组织以潜在地治愈这些疾病的能力。聚变反应堆承诺提供无限的能量，且副产品很少。放射性具有丰富多彩的历史，显然呈现出各种社会和科学难题。在本章中，我们将介绍放射性的基本概念、核方程式以及核裂变和核聚变中涉及的过程。

  11.1 放射性

放射性的实际发现通常归功于 1896 年的法国科学家亨利·贝克勒尔。就像大多数发现一样，他正在研究其他东西。在这种情况下，它是磷光的性质；某些物质在暴露于光线下后“在黑暗中发光”的特性。在他的工作过程中，他让照相底片接触铀盐，结果发现铀“使未曝光的底片曝光”（图 11.1）。贝克勒尔和其他人（包括玛丽·居里）的进一步研究导致认识到某些元素自发地产生各种粒子，其中一些带电（正负皆有），还有一类能量更高，但似乎是中性的。这三类基本粒子被表征并确定为“α”，“β”和“γ”粒子（图 11.2）。α 粒子是正电的，相对质量较大，随后的研究表明它们与氦原子核相同，包含两个质子和两个中子。β 粒子质量非常小。它们具有更高的能量，并带负电；质量和电荷与电子相当。γ 粒子（实际上称为γ 射线）具有更高的能量，似乎是中性的，与高能光子相当。虽然没有立即发现，但关于放射性元素的最令人惊讶的观察结果之一是，当它们发射粒子时，元素的同一性会慢慢发生变化；例如，铀会慢慢富含铅。

当 α，β 或 γ 粒子与目标物碰撞时，粒子中的一些能量会转移到目标物，通常会导致电子跃迁到“激发态”。在许多“目标”中，尤其是气体中，这会导致电离，α，β 和 γ 辐射通常被称为电离辐射。盖革计数器（或盖革-米勒计数器）利用这种方法来检测这些粒子。在盖革管中，由俘获气体电离产生的电子行进到阳极，电压的变化被连接的电路检测到。大多数这种类型的计数器设计为响应电压变化发出可听的“咔嗒”声，并在数字或模拟仪表上显示它。盖革计数器的简单示意图如图11.3所示。

如今，我们认识到放射性衰变实际上非常复杂，但 100 多年前建立的基本原理和模式仍然存在。放射性衰变中出现的三个基本亚原子粒子是 α 粒子、β 粒子和 γ 射线。γ 射线具有最高的能量（也许最终的危险最大），但从化学的角度来看，α 和 β 粒子是最重要的。α 粒子由两个质子和两个中子组成。它的质量为 4 amu，电荷为 +2。它与氦核相同，当放射性元素发射 α 粒子时，它会从其核中损失 4 amu，包括两个质子（图 11.4）。因为原子核中质子的数量决定了元素的同一性，所以当它损失一个 α 粒子时，元素的原子序数会降低两个；因此铀（${}_{92}^{238}U$) 损失一个 α 粒子并变成一个钍原子（${}_{90}^{234}Th$）；我们将在下一节进一步讨论这个过程。为了使β 粒子（电子）从原子核中出现，它必须由中子的分解形成（在非常简单的尺度上，可以将中子视为由一个正质子与一个负电子结合而成）。当一个中子衰变并发射一个β 粒子时，它会留下新形成的质子。同样，这会改变所讨论元素的同一性。

  11.2 核方程式：α 粒子发射

在第 1 章中，我们描述了元素原子符号的含义。在原子符号中，原子序数（原子核中质子的数量）作为下标出现在元素符号之前。质量数作为上标出现在元素符号之前。因此，对于质量为 238 的铀（原子序数为 92），符号为${}_{92}^{238}U$。为了在化学方程式中显示放射性衰变，您需要使用原子符号。因此，对于从${}_{92}^{238}U$损失的 α 粒子，您需要在方程式的“反应物”侧显示铀，并在“产物”侧显示钍和 α 粒子。与任何其他化学方程式一样，核方程式必须平衡。反应物侧的质量数之和必须等于产物侧的质量数之和。因为我们从铀-238 开始，在 α 粒子中损失了 4 个质量单位，所以衰变的产物（或产物）必须总质量为 (238 – 4) = 234。我们还从铀核中移除了两个质子，使原子序数降低了两个。因此，新形成的元素是钍-234。

${}_{92}^{238}U$ → ${}_{2}^{4}He$ + ${}_{90}^{234}Th$

在这个方程式中，我们用氦的原子符号 (${}_{2}^{4}He$) 表示了 α 粒子，但这通常用符号 ${}_{2}^{4}\alpha$ 表示 (图 11.5)。尽管 α 粒子的穿透能力很差，但发射 α 粒子的化合物非常有毒。如果吸入或摄入发射元素，则尤其如此。α 发射体 ${}^{210}Po$ 对一个体重 175 磅的人的毒性剂量估计约为 1 微克 (1 × 10^-6 克)。

例 11.1 写核方程

Thorium-230 and polonium-210 both undergo loss of an alpha particle to 
form different elements. For each of these radioactive decay processes, write 
the appropriate nuclear equation and show the nature of the elements that are formed.

练习 11.1 写核方程

Radium-226 and polonium-214 both undergo loss of an alpha particle to form 
different elements. For each of these radioactive decay processes, write the 
appropriate nuclear equation and show the nature of the elements that are formed.

  11.3 β 粒子发射

在一个“过量”中子的元素中，这些中子中的一个可以分解成一个电子和一个质子。在这个过程中，还会产生一个反中微子，但由于它没有质量，因此在这个过程中通常被忽略。中子分解的核方程可以写成

${}_{0}^{1}n$ → ${}_{-1}^{0}\beta$ + ${}_{1}^{1}p$

其中中子用符号 ${}_{0}^{1}n$ 表示，质子用符号 ${}_{1}^{1}p$ 表示，产生的电子被称为β 粒子，符号为 ${}_{-1}^{0}\beta$ (图 11.6)。由于核方程必须在质量和原子数上平衡，因此 β 粒子的“原子数”必须为 -1。将上述方程式右侧的原子数相加得到 {(-1) + (+1) = 0}；与中子 (${}_{0}^{1}n$) 中的“原子数”相同；（即使中子可以分解成产生质子，但中子中没有实际的质子，因此它的原子数为零）。同样，β 粒子的“质量数”必须为零，因为质子（产物）和中子（反应物）的质量均为 1。因此，当原子核失去一个 β 粒子时，原子核中中子的数量减少一个，但质量数不变；中子转化成质子，其质量数也为 1。由于中子转化成质子，因此元素的原子数增加一个单位，将元素的身份改变为元素周期表中下一个更高的元素。例如，钍-234 经过 β 粒子损失，通过以下方程式形成镤-234。

${}_{90}^{234}Th$ → ${}_{-1}^{0}\beta$ + ${}_{91}^{234}Pa$

同样，在 β 粒子发射中，质量数不变，但原子数增加一个单位。

例 11.2 β 粒子发射

Bismuth-210 and lead-214 both undergo loss of a beta particle to form 
different elements. For each of these radioactive decay processes, write the 
appropriate nuclear equation and show the nature of the elements that are formed.

练习 11.2 β 粒子发射

Chlorine-39 and strontium-90 both undergo loss of a beta particle to form different 
elements. For each of these radioactive decay processes, write the appropriate 
nuclear equation and show the nature of the elements that are formed.

  11.4 正电子发射

正电子，也称为反电子，是一种奇异的物质，更准确地说，是反物质的一个例子。正电子是电子的反物质等价物。它具有电子的质量，但电荷为 +1。当质子释放其正电荷并变成中子时，就会形成正电子，如下所示。

${}_{1}^{1}p$ → ${}_{+1}^{0}\beta$ + ${}_{0}^{1}n$

同样，在正电子发射的核方程中，右侧的质子总数（原子序数）等于左侧的质子数，所有质量都等于 1。当元素发射正电子时，元素的标识会改变为周期表中质子数少一个的元素。下面显示了一个显示正电子发射的核方程的示例。

${}_{6}^{11}C$ → ${}_{+1}^{0}\beta$ + [${}_{5}^{11}B$

硼的原子核中比碳少一个质子，但质量不变，因为质子已被中子取代。

${}_{9}^{18}F$ → ${}_{+1}^{0}\beta$ + ${}_{8}^{18}O$

如上所示，来自氟-18的正电子发射已成为重要的医学诊断工具；正电子发射断层扫描 (PET 扫描)(图 11.7，图 11.8，图 11.9)。这项技术的核心基于以下事实：正电子在与电子碰撞时会立即湮灭（物质-反物质湮灭的一个例子）。当这种情况发生时，会产生两个高能伽马射线，并以完全相反的方向离开湮灭现场。在 PET 扫描期间，患者会接受含有氟脱氧葡萄糖 (FDG) 的注射液，FDG 是一种糖类似物。葡萄糖类似物被代谢活跃的细胞吸收，FDG 在那里积累并发生正电子衰变。在短暂等待后，患者使用环形伽马辐射探测器阵列进行扫描。伽马射线以相反方向发射的事实使连接的计算机能够“画一条线”穿过患者，该线穿过湮灭点。由于这种情况发生在许多方向上，因此可以准确计算出发射的确切位置，然后将其成像为三维图片，显示发射的强度。

  11.5 放射性半衰期

像 ${}_{92}^{238}U$ 这样的元素会发射放射性粒子，其发射速率是恒定的，并且对于每种元素都是独特的。放射性元素的衰变速率由其半衰期来衡量；放射性原子的一半衰变所需的时间，发射一个粒子并形成一个新的元素。元素的半衰期差异很大，从数十亿年到几微秒不等。从简单直观的角度来看，如果你最初有 1.00 克放射性元素，经过一个半衰期后，将剩下 0.500 克；经过两个半衰期后，其中的一半会衰变，留下 0.250 克原始元素；经过三个半衰期后，将剩下 0.125 克，等等。对于那些喜欢方程的人来说，经过n 个半衰期后剩余的量可以按如下方式计算

$R=I\left({}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{2}\;\right)^{n}$

其中I 代表元素的初始质量，R 代表剩余的质量。例如，镅-225 的半衰期为 10.0 天。如果你有一个 1.00 克的镅-225 样本，那么 60.0 天后还剩下多少？

半衰期数为 6.00（即n），I = 1.00 克。代入

$R=\left(1.00{\text{ }}gram\right)\left({}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{2}\;\right)^{6.00}{\text{; }}R=\left(1.00{\text{ }}gram\right)\left({\text{0}}{\text{.0156}}\right){\text{; }}R={\text{ 0}}{\text{.0156 }}gram$

练习 11.3 放射性半衰期

The half-life of Antimony-124 is 60.20 days. If you have a 5.00 gram sample of 
Actinium, how much is remaining after 5.0 half-lives?

半衰期计算的一个有趣应用是放射性碳年代测定，其中有机物（曾经活着的物质）中碳-14的含量被用来计算样本的年代。该过程始于高层大气，在那里，氮不断受到来自太阳的高能中子的轰击。偶尔，其中一个中子会与氮原子核发生碰撞，形成的同位素会发生以下核反应

${}_{0}^{1}n$ + ${}_{7}^{14}N$ → ${}_{1}^{1}p$ + ${}_{6}^{14}C$

植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并被动物摄入，因此，只要生物活着，它就会不断地与周围环境交换碳-14。然而，一旦生物死亡，这种交换就会停止，碳-14的含量就会随着放射性衰变逐渐减少，半衰期约为 5730 年，遵循以下核反应式

${}_{6}^{14}C$ → ${}_{-1}^{0}\beta$ + ${}_{7}^{14}N$

因此，通过测量样本中碳-14/碳-12的比例，并将其与活生物体中观察到的比例进行比较，可以计算出物体吸收新的碳-14以来经过的半衰期次数。

  11.6 核裂变

氮转化为碳-14的过程是中子俘获的一个例子，其中粒子被另一个原子的原子核吸收形成新的元素。这种类型的反应在核化学中实际上很常见。在图 11.10中，一个铀-235 核被显示为俘获了一个“慢速”中子，就像氮俘获了一个中子一样，导致碳-14 的形成。最初，铀-236 形成，但这个原子核的中子与质子的比例使其极不稳定。不稳定的原子核会立即分解（发生**裂变**），形成更轻的元素并释放额外的自由中子。当原子核分解时，也会释放大量的能量。以下显示了一个典型的铀-235 裂变的核反应式

${}_{92}^{235}{\text{U}}$+ ${}_{0}^{1}{\text{n}}$ → ${}_{56}^{141}{\text{Ba}}$+ ${}_{36}^{92}{\text{Kr}}$ + 3 ${}_{0}^{1}{\text{n}}$

释放的三个中子现在正高速穿过铀的质量。如果这些中子被另一个原子核俘获，那么这个过程就会再次发生，并且会释放出三个中子。这代表了一个链式反应，为了维持这样的链式反应，铀的质量（或其他易裂变元素）必须足够大，以便每个释放的中子被另一个铀原子核俘获的可能性很高。维持链式反应所需的铀（或其他易裂变元素）的质量被称为**临界质量**。

核裂变过程在裂变炸弹和核电站中最为人所知。设计一个可行的裂变炸弹会遇到很多技术挑战。超过临界质量的裂变物质团块是不稳定的，所以你必须从一个更小的非临界质量开始，并在几微秒内创造出一个临界质量。在最初的设计中，这是通过将两块非临界物质强行结合在一起（以极快的速度）来实现的。这通常被称为“枪式组装”，其中一块裂变铀被发射到武器末端的裂变铀目标，类似于子弹从枪管中发射出去（图 11.11A）。

每个铀碎片都小于临界质量，但当它们碰撞时，它们形成了一个能够维持核链反应的质量。组装体在被裂变释放的能量炸成碎片之前会保持在一起几微秒。设计这种核装置的诀窍是让它们保持足够长的时间，以便释放出足够的能量。中子反射器和“助推器”通常被用来实现这一点，尽管如此，这种基本类型的武器效率低下，虽然设计简单，但具有极强的杀伤力。铀-235 的临界质量是一个直径略小于 7 英寸的球体。

一种效率更高的裂变炸弹不是通过组合较小的碎片来达到临界质量，而是通过提高亚临界质量的密度，使其达到中子俘获率能够维持链反应的程度。这种设计被称为“内爆”炸弹，它基本上由一个被形状炸药包围的裂变物质球体组成，这些炸药必须同时引爆。由此产生的冲击波压缩了裂变物质，使链反应发生。这种类型的设计需要更少的裂变物质，但在技术上更具挑战性。现代装置，例如 图 11.11B 中所示，具有中子反射器、“中子引发器”等，先进的炸弹可以实现高效率、高当量和相对较小的物理尺寸。

在设计用于加热水、产生蒸汽和电力输出的核反应堆中，化学原理相同，但会在裂变物质之间插入控制棒，吸收一些产生的中子，以确保永远不会达到临界质量，并使链反应可控（图 11.12）。在这种设置中，当控制棒被抽出时，链反应加速，而当它们被插入时，反应减慢。即使在“熔毁”条件下，控制棒失效，裂变物质的临界质量也会缓慢形成。由此产生的爆炸将会很糟糕，但无法与精心设计的裂变武器释放的能量相比。

  11.7 核聚变

正如我们在上一节中所看到的，当重原子的原子核分裂时，会释放能量。对于轻原子来说，情况正好相反；当这些原子核结合（聚合）时，会释放能量。这就是核聚变过程。轻元素的聚变，主要是氢，是为太阳和类太阳恒星提供能量释放的动力。想象一下太阳是一个巨大的氢球体。由于恒星的质量非常大，氢原子上的引力足以克服两个原子核之间的排斥力，迫使它们结合在一起形成一个不稳定的 ${}_{2}^{2}{\text{He}}$ 核。这会立即喷射出一个正电子，留下氘，${}_{1}^{2}{\text{H}}$，并释放大量的能量。在 图 11.13 中所示的级联反应中，氘与另一个氢聚合形成 ${}_{2}^{3}{\text{He}}$，两个 ${}_{2}^{3}{\text{He}}$ 结合形成氦，在此过程中喷射出两个高能质子。

在比我们的太阳更大更重的恒星中，“三重α过程”是主要的核反应。在这个过程中，氦核聚变最终形成碳，在此过程中释放大量能量（图 11.14）。

当今物理学和工程学中的一大挑战是在受控条件下复制这种聚变，收集释放的能量，并将其间接地转化为电能。启动和维持聚变反应所需的极高温度和压力，迄今为止阻碍了建造“盈亏平衡”聚变反应堆的尝试，即释放的能量相对于产生聚变事件所需的能量而言。不受控制的聚变当然有可能实现，聚变炸弹也存在，但这些炸弹通常使用先进的裂变炸弹来创造启动轻元素聚变所需的温度和压力。显然，这种方法在实验室中不可行！对聚变反应堆的研究仍在快速进行，包括非中子聚变反应等新方法，该方法利用质子-硼聚变产生带电粒子而不是中子束。这里的优势是产生的中子很少，减少了对屏蔽的需求，并且产生的带电粒子可以直接捕获作为电力。

  学习要点

• 在大多数原子中，包含“过量”中子（中子比质子多）的原子核是不稳定的，原子核会通过放射性衰变分解，在此过程中会发射出粒子，直到达到稳定的原子核。放射性衰变过程中常见的发射粒子包括
  1. α粒子，由两个质子和两个中子组成。这相当于一个氦核，α粒子的电荷为2+。由于它是正电荷，因此它会在电场中被吸引到负电荷。α粒子的原子符号为 ${}_{2}^{4}He$，有时也写成 ${}_{2}^{4}\alpha$。α粒子移动缓慢，很容易被空气或薄纸吸收。当元素发射一个α粒子时，元素的身份会变为原子序数比原来元素少两个的元素。元素的质量数减少四个单位。
  2. β粒子是电子，被认为质量可以忽略不计，并带有一个负电荷。它们会在电场中被吸引到正电荷。β粒子的原子符号为 ${}_{-1}^{0}\beta$，有时也写成 ${}_{-1}^{0}e$。β粒子具有“中等”能量，通常需要薄金属板进行屏蔽。当一个中子“喷射”出它的负电荷（β粒子）留下一个质子时，就会在原子核中形成一个β粒子。当元素发射一个β粒子时，元素的身份会变为下一个更高的原子序数，但质量数不会改变。
  3. γ粒子（伽马射线）是高能光子。它们没有质量，能量很高，需要厚厚的屏蔽。
  4. 正电子是反电子，被认为质量可忽略不计，带有一个正电荷。它们会在电场中被负电荷吸引。正电子的原子符号是符号${}_{+1}^{0}\beta$。正电子具有“中等”能量，通常需要薄金属板来屏蔽。当一个质子“射出”它的正电荷（即正电子）留下一个中子时，原子核中就会形成正电子。当元素射出一个正电子时，元素的标识会变为下一个较低的原子序数，但质量数不会改变。
• 在核方程式中，元素和亚原子粒子由反应箭头连接起来。当您平衡核方程式时，两边质量数和原子序数的总和必须相同。
• 放射性元素的衰变速率是恒定且对每种元素都独一无二的。放射性元素的衰变速率由其半衰期来衡量；即一半放射性原子衰变所需的时间，并发射出一个粒子形成一个新的元素。使用以下公式可以计算经过n个半衰期后剩余的原始元素的量

$R=I\left({}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{2}\;\right)^{n}$

其中I代表元素的初始质量，R代表剩余的质量。

• 在核裂变中，原子核捕获一个中子形成一个不稳定的中间原子核，然后分裂（发生裂变）产生对应于较轻元素的原子核。通常，中子也会在该过程中被射出。对于重同位素，裂变过程还会释放大量的能量。下方显示了一个经典裂变反应的核方程式

${}_{92}^{235}{\text{U}}$+ ${}_{0}^{1}{\text{n}}$ → ${}_{56}^{141}{\text{Ba}}$+ ${}_{36}^{92}{\text{Kr}}$ + 3 ${}_{0}^{1}{\text{n}}$

• 在核聚变中，原子核结合形成一个新的元素。对于轻同位素，聚变过程也会释放大量的能量。下方显示了一个在像我们的太阳一样大的恒星中通常发生的聚变级联的核方程式

2 ${}_{1}^{1}p$ → ${}_{+1}^{0}\beta$ + ${}_{2}^{3}He$ 2 ${}_{2}^{3}He$ → 2 ${}_{1}^{1}p$ + ${}_{2}^{4}He$

  补充习题

请点击此链接...