(64)--原子核及其性质核化学与放射化学.ppt

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1、2023/12/29 放射化学放射化学Radiochemistry2023/12/29作 业1.用质量亏损计算 2H、40Ca、197Au、252Cf的结合能和比结合能.2.计算1kg235U吸收中子完全发生裂变释放的能量(用MeV表示），相当于多少吨煤燃烧时释放的能量（1吨煤燃烧所放出的热能为8109cal).3.从13C核中取出一个中子或质子，各需多少能量，解释两者有巨大差别的原因。2023/12/29原子核及其性质原子核的组成原子核的性质2023/12/29UnitsPrefixSymbolMeaningTera-T1012Giga-G109Mega-M106Kilo-k103Deci-

2、d10-1Centi-c10-2Milli-m10-3Micro-10-6Nano-n10-9Pico-p10-12Symbols to know2023/12/29Terms to KnowElectron （电子）Particles （粒子）Elementary vector bosons(玻色子）Gamma()（射线）Hadrons (强子）Isobars (同质异位素）Isomeric transition（同质异能跃迁）2023/12/29Terms to KnowIsotones(同中子素）Isotopes （同位素）Mass excess(质量过剩）Mass number（质量数

3、）Mesons（介子）Neutron(中子）Neutron activation（中子活化）2023/12/29Terms to KnowNuclear chemistry(核化学）Nuclear fission (核裂变）Nuclear Isomers(同质异能素）Nucleons （核子）Nucleus （核）Nuclide （核素）Parent （母体）2023/12/29Terms to KnowPositron （正电子）Proton （质子）Quarks （夸克）Radioactive （放射性）Radiochemistry （放射化学）Radionuclide （放射性核素）Tr

4、ansmutation （嬗变）2023/12/29Symbols for Particles and Radiationp proton 1H nucleusn neutron particle of zero charge and A=1d deuteron 2H nucleusT triton 3H nucleus alpha particle 4He nucleuse-electron Electron from atomic orbitals-negatron Negative electron emitted by the nucleus+positron Positive ele

5、ctron emitted by the nucleus Gamma ray Electromagnetic energy(photon)emitted by the nucleusX ray X ray Electromagnetic energy emitted as a result of electron transitions in the atomic orbitals Neutrino（中微子）Emitted in-decay processes(2 types)2023/12/29Structure of the Atom+NucleusNucleusNeutronsNeutr

6、onsProtonsProtonsElectronsElectrons(Electron Clouds)(Electron Clouds)2023/12/29原子核的组成18971897年，年，J.J.Thomson J.J.Thomson 发现电子之后，提出了一个发现电子之后，提出了一个“枣糕式枣糕式”的原子模型；的原子模型；19111911年，年，E.RutherfordE.Rutherford的的散射实验散射实验证实，原子的正电证实，原子的正电荷和荷和99.9%99.9%以上的质量集中在以上的质量集中在R R 1010-14-14m m的的原子中心原子中心。19121912年，年，E.R

7、utherfordE.Rutherford发现了质子。发现了质子。19131913年，年，N.BohrN.Bohr将量子学说应用于原子的有核结构，将量子学说应用于原子的有核结构，成功地解释了氢原子光谱。成功地解释了氢原子光谱。19321932年，年，J.ChadwickJ.Chadwick发现了中子。不久，发现了中子。不久，W.HeisenbergW.Heisenberg提出原子核由质子和中子组成的假设。提出原子核由质子和中子组成的假设。这一假设得到大量实验事实的支持。这一假设得到大量实验事实的支持。2023/12/29核 素具有相同的质子数Z、相同的中子数N、处于相同的能量状态且寿命可测的一

8、类原子称为核素(Nuclide)。238U，铀-2382023/12/29核素核子数(质量数）原子序数若不是表示核反应式中的核素时，可省略中子数，可省略表示能态元素符号2023/12/29同位素(isotope)同位素：质子数相同、中子数不同的两个或多个核素。2023/12/29同中子异位素(isotone)、同量异位素（isobar)同中子异位素:中子数相同、质子数不同的核素。同量异位素:质量数相同、质子数不同的核素。2023/12/29C.L.Liu同质异能素(isomer)同质异能素：处于不同的能量状态且其寿命可以用仪器测量的同一种原子核2023/12/29C.L.Liu等超额中子素(i

9、sodiaphere)等超额中子素：核中超额中子数(N-Z)相同的核素。2023/12/29C.L.Liu镜像素(mirror nuclei)若两个核素的Z、N和A之间存在关系：Z1=N2,Z2=N1,A1=A2 称这两个核素为镜像素 2023/12/29C.L.Liu核素的稳定性和嬗变2023/12/29C.L.Liu元素周期表2023/12/29C.L.Liu自然界中的元素81种元素（Z=183,除43Tc和61Pm）有稳定同位素；10种元素（Z=84 94，除93Np）有天然放射性核素；24种元素(Z=43,61,93,95 112,114,116,118？)只能人工合成。2023/12

10、/29C.L.Liu核 素 图（2990）稳定核素：285（12C、14N、16O，包括 31,t1/211011a;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 ）；诱发天然放射性核素：10（3H、14C ）人工放射性核素：2500（60Co、137Cs、237Np、99Tc）2023/12/29C.L.Liu核素图 Stability line 2710 28530002023/12/29C.L.Liu2023/12/29C.L.Liu质子滴线质子滴线中子滴线2023/12/29C.

11、L.Liu发射正电子或捕获电子发射射线发射粒子稳定线2023/12/29C.L.Liu14C14N+-32P 32S+-57Ni 57Co+2023/12/29C.L.Liu核素的稳定性和嬗变P（偶）-N（偶）核：165P（偶）-N（奇）核：55P（奇）-N（偶）核：50P（奇）-N（奇）核：6对对280280种稳定核素的分析表明：种稳定核素的分析表明：核子更乐意以成对的方式存在于原子核内2023/12/29C.L.Liu核素的稳定性和嬗变研究观察发现：放射性：发生衰变的天然放射性核素都是一些重核，（P=Z=83（Bi)，之后）;稳定性核素：Z=偶数;不存在相邻的稳定的同质异位素;推断：原子核

12、结构中存在幻数（Magic numbers)(2,8,20,28,50,82,126,184)2023/12/29C.L.Liu2023/12/29C.L.Liu2023/12/29C.L.Liu核素的稳定性和嬗变分析表明：当元素的质子数为8、20、28、50、82时，该元素的稳定同位素的数目比相邻元素的多；当元素的中子数为20、28、50、82时，该元素的稳定同中子异位素的数目比相邻元素的多；在中、重元素区(Z32)，中子数为偶数的稳定同位素的数目较多；2023/12/29C.L.Liu核素的稳定性和嬗变分析表明：质子或中子数为幻数的核素在地壳、陨石或星球中的含量比相邻核素高；中子数为幻数的

13、 的最后一个中子的结合能（15.668MeV)比 的最后一个中子的结合能（7.293MeV和4.143MeV）大得多。2023/12/29C.L.Liu核素的稳定性和嬗变推断：1.核子数为幻数的原子核特别稳定；2.核子的填充会达到壳层的闭合；3.核中存在壳层结构。2023/12/29C.L.Liu幻数（Magic numbers)质子的幻数为：2,8,20,28,50,82中子的幻数为：2,8,20,28,50,82,1262023/12/29C.L.Liu核子、核力、质子、中子2023/12/29C.L.Liu核子、核力、质子、中子核子：质子和中子的统称；核力：核子间存在的短程强相互作用（吸

14、引）；质子：1H的原子核；中子：不带电、质量与质子相近的核子。质子和中子是核子的两种不同状态2023/12/29C.L.Liu原子质量单位u单个原子核的质量很小，使用kg或g作单位不便于使用。在原子核物理中引入原子质量单位(Atomic mass unit,u)；规定1u等于一个12C原子质量的1/12。2023/12/29C.L.Liu质子、中子主要性质性质质子中子电子质量m/u1.0072761.0086655.485810-3电荷q/C1.6022 10-190-1.6022 10-19半径r/m8.310-16(a)7.610-16(a）2.817910-15(b）自旋P1/21/21

15、/2磁矩（I/N）2.7928-1.91301838.28平均寿命稳定14.79min稳定统计费米-狄拉克费米-狄拉克费米-狄拉克(a)磁矩分布半径 (b)电子经典半径2023/12/29C.L.Liu原子核的半径核力作用半径：电荷分布半径2023/12/29C.L.Liu原子核的电荷分布Figure 2.1 Charge distribution in nuclei(R=half-density radius;t=boundary thickness)t=(2.40.3)fm2023/12/29C.L.Liu原子核的体积每个核子所占的体积近似为常数各种核的核子密度（单位体积的核子数）大致相同

16、2023/12/29C.L.Liu核物质按每个核子的质量mN为1.6610-24g计算核物质的密度为：=nmN1.66 1014(gcm-3)每立方厘米的核物质有亿吨重，大得惊人。中子星是宇宙中密度最大（1014g/cm3）的一种天体，每个中子星实质上是由95%的中子、少量质子和电子组成的巨大原子核。2023/12/29C.L.Liu 原子核的质量2023/12/29C.L.Liu原子核的质量忽略原子核和核外电子之间的结合能。m(Z,A)=M(Z,A)-Zme m(Z,A):原子核的质量；M(Z,A):原子的质量；Zme:核外Z个电子的质量。2023/12/29C.L.Liu质子（氢原子核）的

17、质量m(1,1)=mp=M(1,1)-me =1.67359410-24g-9.10953410-28g =1.67268310-24g氢原子核和电子之间的结合能为13.6eV,折合成质量为2.424410-32g,因此，忽略原子核与电子之间的结合能引起的误差极小2023/12/29C.L.Liu质量亏损、质量过剩、原子核的结合能2023/12/29C.L.Liu质量亏损(mass defect)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):质量亏损组成原子核的Z个质子和(A-Z)个中子的质量与原子核的

18、质量m(Z,A)之差。2023/12/29C.L.Liu质量过剩(Mass excess)以原子质量单位表示的原子质量M(Z,A)与原子核的质量数A之差称为质量过剩。=M(Z,A)-A(12C)=0通常将换算为能量，以MeV表示。2023/12/29C.L.Liu原子核的结合能2023/12/29C.L.Liu原子核的结合能B(Z,A)=m(Z,A)c21u=931.5016MeV/c22023/12/29C.L.Liu比结合能（平均结合能）2023/12/29C.L.Liu比结合能（平均结合能）2023/12/29C.L.Liu2023/12/29C.L.Liu比结合能曲线8.8MeV;A=

19、50602023/12/29C.L.LiuThe end of chapter 12023/12/29C.L.Liu1897年J.J.Thomson提出的“枣糕式”原子模型2023/12/29C.L.LiuRutherfords a-particle experiment:2023/12/29C.L.LiuThe Modern View of Atomic StructureThe Modern View of Atomic Structure2023/12/29C.L.Liu原子核的统计性质 磁矩任何微观粒子的自旋量子数不是半整数就是整数。电子、中子、中微子、介子等的自旋为半整数；光子、粒子

20、、介子等的自旋为整数。自旋为半整数的粒子组成的两个或两个以上的全同粒子系统，遵从费米-狄拉克(feimi-Dirac)统计律。费米子。自旋为整数的粒子组成的两个或两个以上的全同粒子系统，遵从玻色-爱因斯坦(Bose-Einstein)统计律。玻色子。2023/12/29C.L.Liu原子核的磁矩原子核是一个带电系统，它的自旋运动会产生磁矩。核磁子：玻尔磁子：PI:原子核的角动量；gI:原子核的g因子。gI0,核磁矩与核自旋方向相同，gI16）;R=半密度半径（密度下降到0一半处到原子核心的距离）；d=表征弥散程度的一个参量(d=0.54fm,A16)2023/12/29C.L.Liu比结合能2

21、H+3H4He+n235U92Sr+141Xe+2nA奇-偶奇-奇 原子核中的质子-质子及中子-中子有配对的趋势2023/12/29C.L.Liu核素图位于中子滴线上的核素，其最后一个中子的结合能为零；位于质子滴线上的核素，其最后一个质子的结合能为零；2023/12/29C.L.LiuNuclear forceThe nuclear force is a strong force of attraction between nucleons that acts only at very short distances(about 10-15 m).This force can more tha

22、n compensate for the repulsion of electrical charges and thereby give a stable nucleus(0.82.0)10-15m,strong attraction force10 10-15m,nuclear force disappeared0.8 10-15m,strong repulsion force2023/12/29C.L.Liu118号元素 本报讯美国和俄罗斯科学家组成的一个研究小组16日宣布，他们成功制造出了门捷列夫元素周期表中的118号元素，这也是这个小组制造出的第5种超重元素。研究小组领导人肯穆迪16

23、日在新闻发布会上宣布，他们用回旋加速器两次将许多钙-48离子加速，用来轰击人造元素锎-249，从而制造出3颗新原子。每颗新原子的原子核包含118个质子和179个中子。按元素周期表排序规律，118号元素排在氡气之下，归入惰性元素一族。在元素周期表中，自然界只存在92种，科学家成功制造出另外18种已经得到承认和命名的元素。此外，还有一些元素没有得到承认或命名，118号元素就不在已命名元素之列。研究者说，他们制造出的118号元素原子存在时间仅为0.9毫秒。此前，科学界认为，原子序数超过110之后，随着序数增加，原子的寿命会急剧下降。但研究人员认为114号元素附近存在一个稳定区域，这一区域的超重原子核

24、能够长时间存在。研究人员曾成功制造114号元素，其存在时间达到30秒。不过，研究者也承认：“到某个时候，我们将不再能够制造新元素，我们将到达终点。”2006-10-18，from baidu2023/12/29C.L.Liu地球上的铀资源地球上的铀资源460 万吨万吨 （开采成本（开采成本 160美元美元/kgU）2200 万吨万吨 （磷酸矿）（磷酸矿）40 亿吨亿吨 （海水）（海水）2023/12/29C.L.Liu乏燃料一次通过循环的乏燃料一次通过循环的处置问题处置问题预计到预计到2050年年 全世界乏燃料积存量将达到全世界乏燃料积存量将达到 100万吨万吨 每年将产生乏燃料为每年将产生乏

25、燃料为 2万吨万吨 如果直接处置，则每如果直接处置，则每3 4年年 就需建造一座就需建造一座YUCCA MOUNTAIN规模的处置库规模的处置库 实际上根本不可行实际上根本不可行 构成长期放射性危害的构成长期放射性危害的Pu、MA 和和LLFP仅占乏燃料仅占乏燃料 的的3-4%左右，乏燃料直接处置不科学左右，乏燃料直接处置不科学 显然显然,乏燃料乏燃料“一次通过一次通过”难以通过难以通过2023/12/29C.L.Liu乏燃料一次通过循环的乏燃料一次通过循环的处置问题处置问题2006年年2月月6日，美国小布什政府提出：日，美国小布什政府提出：全球核能合作伙伴倡议全球核能合作伙伴倡议 （Glob

26、al Nuclear Energy Partnership,GNEP)。GNEP从根本上否定了美国鼓吹了从根本上否定了美国鼓吹了30年的年的 核燃料一次通过循环的核政策核燃料一次通过循环的核政策 （卡特行政当局核能政策）（卡特行政当局核能政策）2023/12/29C.L.Liu核燃料核燃料“闭式循环闭式循环”循环前段循环前段:采矿采矿-水冶水冶-转换转换-浓缩浓缩-燃料加工燃料加工 循环后段循环后段:后处理后处理-MOX燃料加工燃料加工(热堆热堆/快堆快堆);分离分离-嬗变嬗变;废物处置废物处置 循环后段循环后段操作的放射性活度为整个燃料循环的操作的放射性活度为整个燃料循环的 99%，难度极大

27、，本报告集中分析，难度极大，本报告集中分析循环后段循环后段。2023/12/29C.L.Liu核燃料核燃料“闭式循环闭式循环”可以充分利用铀资源可以充分利用铀资源可以使核废物的毒性和体积降低可以使核废物的毒性和体积降低12个数量级个数量级2023/12/29C.L.Liu常规铀储量在热堆和快堆中的利用年限常规铀储量在热堆和快堆中的利用年限 反应反应 堆堆/循环方式循环方式 可利用年限可利用年限 _ 按铀储量按铀储量460万吨计万吨计 按铀资源按铀资源1440万吨计万吨计*热堆热堆/一次通过一次通过 70 270 热堆热堆/钚循环一次钚循环一次 90 300 快堆快堆/多次循环多次循环 4000

28、 8500-*摘自摘自:IAEA GOV/2004/72023/12/29C.L.Liu与乏燃料一次通过相比不同分离情况的放射性与乏燃料一次通过相比不同分离情况的放射性毒性降低因子毒性降低因子_ 废物废物 103 a 104 a 105 a 106 a 乏燃料乏燃料 1 1 1 1 后处理后处理HLW 10 25 20 4 除去除去(Np+Am)45 35 140 80 除去除去(Np+Am+Cm)160 175 160 1302023/12/29C.L.Liu“先进燃料循环先进燃料循环”(ADVANCE FUEL CYCLES)通过钚的循环利用通过钚的循环利用,充分利用铀资源充分利用铀资源

29、分离分离-嬗变嬗变,焚烧次锕系核素焚烧次锕系核素(MA）和长寿命裂变产物）和长寿命裂变产物 (LLFP）,实现废物最少化实现废物最少化,大大减少需要地质处置的大大减少需要地质处置的 高放废物体积和毒性，改善环境质量高放废物体积和毒性，改善环境质量 简化工艺流程简化工艺流程,降低生产成本降低生产成本 适当降低钚产品裂片去污因子适当降低钚产品裂片去污因子,强化防扩散屏障强化防扩散屏障2023/12/29C.L.Liu先进燃料循环的途径先进燃料循环的途径-实现实现U、Pu多重循环，充分利用铀资源多重循环，充分利用铀资源 （热堆（热堆-快堆）快堆）分离分离-嬗变，彻底焚烧嬗变，彻底焚烧MA 和和LLFP，实现实现HLW 的最少化的最少化 （快堆、快堆、ADS）2023/12/29C.L.Liu先进核燃料循环示意图先进核燃料循环示意图