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第五章 原子核
核能是蕴藏在原子核内部的能量。核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果。人类通过许多方式利用核能，主要的途径是发电，如今，全世界大约有16%的电能是由核反应堆生产的。核能的利用可以有效缓解常规能源的短缺。
图为某核电站核反应堆的本体。它是浸没在水下的(蓝色)。其中含有铀和钚的燃料棒被装进核反应堆的堆芯，用于产生受控核裂变反应，释放出大量的能量。
5.2 放射性元素的衰变
存在能让一种元素变成另一种元素的过程，这就是原子核的衰变过程以及后面要学习的原子核的人工转变.
类似于“点石成金”的事一直就在自然界中进行着这就是伴随着天然放射现象发生的原子核“衰变”过程。
原子核的衰变
衰变
原子核自发地放出 α 粒子或 β 粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变(decay)。
铀238放出一个α粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，成为新核。这个新核就是钍 234 (图5.2-1)。
这种衰变过程叫作 α 衰变。
这个过程可以用下面的衰变方程表示
在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量事实表明，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
U → Th ＋ He
原子核进行 α 衰变时，新核质量数减少4，电荷数减少2，新核相对原核在元素周期表中的位置前移 2 位，其一般衰变规律为：
X→Y＋He.
U 在 α 衰变时产生的 Th 也具有放射性，它能放出个 β 粒子而变为 Pa (镤) (图5.2-2)。
由于电子的质量比核子的质量小得多，因此，我们可以认为电子的质量数为 0、电荷数为 －1，可以把电子表示为 e。这样，原子核放出一个电子后，因为其衰变前后电荷数和质量数都守恒，新核的质量数不会改变但其电荷数应当加 1。其衰变方程为
Th → Pa ＋ He
放出 β 粒子的衰变叫作 β 衰变。
原子核进行 β 衰变时，新核质量数不变，电荷数增加 1，原子序数增加 1，新核相对原核在元素周期表中的位置后移 1 位，其 β 衰变方程为：
X→Y＋e.
β 衰变中的电子来自原子核中的中子.
进一步的研究发现，β 衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子 (图5.2-3)，其转化方程是
n → H＋e
这种转化产生的电子发射到核外，就是 β 粒子；与此同时，新核少了一个中子，却增加了一个质子。所以，新核质量数不变，而电荷数增加1。
研究还表明，在一定条件下，原子核中的两个中子和两个质子会结合起来形成 α 粒子，并被释放出来。此时原子核就发生了α 衰变。
原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此，也存在着能级，同样是能级越低越稳定。
放射性的原子核在发生 α 衰变、β 衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出 γ 光子。因此，γ射线经常是伴随 α 射线和 β 射线产生的。
当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生 α 衰变，有的发生 β 衰变，同时伴随着 γ 射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有 α、β、γ 三种射线。
半衰期
放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如222经过 α 衰变成为钋218。
如图5.2-4，横坐标表示时间，纵坐标表示任意时刻氨的质量 m 与 t＝0 时的质量 m0 的比值。
如果隔一段时间测量一次剩余氛的数量就会发现，每过 38d 就有一半的氨发生了衰变。也就是说，经过第一个 3.8d 剩有一半的氡；经过第二个3.8d，剩有的氡；再经过 3.8d，剩有的······因此，我们可以用“半衰期”来表示放射性元素衰变的快慢。
半衰期
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期 (half life)。
不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。
例如，氡 222 衰变为钋 218 的半衰期是 3.8d，镭 226 衰变为氡 222 的半衰期是 1620 年，铀 238 衰变为钍 234的半衰期竟长达 4.5×109年。
对于一个特定的氡原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。一个特定的核可能在下 1 s 就衰变，也可能在 10 min 之内衰变，也可能在 200 万年之后再衰变。然而，量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。
例如，对于大量氨核，可以准确地预言在 1 s 后、10 min 后，或 200万年后，各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的：跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
注意：
(1) 半衰期的长短由原子核内部自身的因素决定，跟所处的化学状态 (如单质、化合物) 和外部条件 (如温度和压强) 都没有关系。
(2) 半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。
典例探究
例题1：关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是 ( )
A．半衰期是原子核全部衰变所需时间的一半。
B．半衰期是原子核有半数发生衰变所需的时间。
C．半衰期是原子量减少一半所需的时间。
D．半衰期是元素质量减少一半所需的时间。
B
例题2： U 经过一系列 衰变和 衰变后，可以变成稳定的元素铅 206 (Pb)，问这一过程 衰变和 衰变次数？
解：设经过次 α 衰变，次 β 衰变，则：
238＝206＋4
92＝82＋2－
解得：
＝8
＝6
核反应
卢瑟福在实验中发现，往容器C中通入氮气后，在荧光屏S上出现了闪光，这表明，有一种新的能量比粒子大的粒子穿过铝箔，撞击在S屏上，这种粒子肯定是在粒子击中某个氮核而使该核发生变化时放出的。这样，卢瑟福通过人工方法实现了原子核的转变，人类第一次打开了原子核的大门。
粒子
铝箔
荧光屏
氮气
显微镜
衰变是原子核的自发变化，科学家更希望人工控制原子核的变化。当初卢瑟福用 α 粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧 17 和一个质子，即
N＋He → O＋H
这是人类第一次实现的原子核的人工转变。不仅用 α 粒子用质子、中子甚至用 γ 光子去轰击一些原子核，都可以实现原子核的转变，通过这种方式可以研究原子核的结构，还可以发现和制造新元素。
原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程，称为核反应 (nuclear reaction)。与衰变过程一样，在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。
核反应
说明：
1.核反应中质量数与电荷数守恒。
2.核反应是原子核的变化，化学反应是核外电子的变化。
放射性同位素及其应用
很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。天然放射性同位素不过 40 多种，而今天通过核反应生成的人工放射性同位素已达 3000 多种，每种元素都有了自己的放射性同位素。丰富的放射性同位素资源在国民经济和科学研究的各个领域中得到了广泛的应用。
人工放射性同位素和天然放射性同位素相比的优点：
放射强度容易控制
半衰期短，废料易处理
可制成各种所需形状
现实应用中一般使用人工放射性同位素
放射性同位素的应用：
A．利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。
B．由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪。
C．利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。
D．利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等。
射线测厚仪
工业部门可以使用放射性同位素发出的射线来测厚度。
例如，轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪 (图5.2-5)，让 γ 射线穿过钢板，仪器探测到的 γ 射线强度与钢板的厚度有关，轧出的钢板越厚，透过的射线越弱。因此，将射线测厚仪接收到的信号输入计算机，就可以对钢板的厚度进行自动控制。
放射治疗
在医疗方面，患了癌症的病人可以接受放射治疗 (图5.2-6)。为什么射线能够用于治疗癌症呢
一个很重要的原因是人体组织对射线的耐受能力是不同的细胞分裂越快的组织，它对射线的耐受能力就越弱。像癌细胞那样，不断迅速繁殖的、无法控制的细胞组织，在射线照射下破坏得比健康细胞快。
培优、保鲜
利用 γ 射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，经过筛选，可以培育出新品种。用 γ 射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期 (图5.2-7)。
示踪原子
一种放射性元素的原子核，跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子，因此，核外电子的数量也相同。由此可知，一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。这样，我们可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，但却带有“放射性标记”，可以用仪器探测出来。这种原子就是示踪原子。
棉花在开花、结桃的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收。但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究。
如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花的叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就解决了。
人体甲状腺的工作需要碘，碘被吸收后聚集在甲状腺内。如图5.2-8，给人注射碘的放射性同位素碘131，在颈部底部的甲状腺 (红色，部分被遮蔽)，被放射性示踪剂碘131高亮着色。定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的疾病。
近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，几乎都要借助于示踪原子。
辐射与安全
人类一直生活在放射性的环境中。例如，地球上的每个角落都有来自宇宙的射线，我们周围的岩石，其中也有放射性物质。我们的食物和日常用品中，有的也具有放射性，例如，食盐和有些水晶眼镜片中含有钾 40，香烟中含有钋 210，这些也是放射性同位素，不过它们辐射的强度都在安全剂量之内。
然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这些破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉。因此，在使用放射性同位素时，必须严格遵守操作规程，注意人身安全同时，要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染存在射线危险的地方，常能看到如图5.2-9所示的标志。
原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染。
在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈，导致病人因放射性损害而死去。
有些矿石中含有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体造成巨大的危害。
过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用。
遭原子弹轰炸的广岛
放射性的防护
(1)在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄。
(2)用过的核废料要放在很厚的重金属箱内，并埋在深海里。
(3)在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源。
为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏，人们采取了有效的防范措施：
检测辐射装置
辐射源的存放
操作放射性物质的设备
在防护状态下操作放射性物质
碳14测年技术
自然界中的碳主要是碳12，也有少量的碳14。宇宙射线进入地球大气层时，同大气作用产生中子，中子撞击大气中的氦引发核反应产生碳14。核反应方程为
N＋n → C＋H
碳14具有放射性，能够自发地进行 β 衰变而变成氮，核反应方程为
→ N＋e
碳14的半衰期 T1/2 为5 730年。碳14不断产生又不断衰变，达到动态平衡，因此，它在大气中的含量相当稳定，大约每 1012 个碳原子中有一个碳14。活的植物通过光合作用和呼吸作用与环境交换碳元素，体内碳14的比例与大气中的相同。植物枯死后，遗体内的碳14仍在衰变，不断减少，但是不能得到补充。因此，根据放射性强度减小的情况就可以推算植物死亡的时间。
例如，要推断一块古木的年代，可以从中取出一些样品，测量样品中的碳14含量。如果含量是现代植物的，则说明这块古木的历史大概有碳14的一个半衰期T，即5 730年。类似地，如果碳14含量是现代植物的，则古木历史大概是 2T1/2，即11460年…
在经济建设中也会用到碳14测定年代的方法。例如，进行基本建设时，地质基础的力学性质是个重要指标。一般说来，地层形成年代越早，固结程度越高，抗冲击性和承压性越好。北京饭店新楼施工时，在地面以下 13 m 深的位置发现了两棵直径达 1m 的榆树。用碳14测定，这两棵树距今 29 285 ± 1350年。据此数据，建设部门认为这个地层已经足够古老，可以作为地基，于是停止下挖，这样就节约了资金。
练习与应用
1. β射线是电子流。原子核中没有电子，为什么有些放射性元素的原子核会放出 β 粒子 写出放射性元素 Po (钋核)的β衰变方程。
解：β 衰变的实质是原子核内的中子转化成了一个质子和一个电子，其转化方程为 n→H＋e.
钋核的 β 衰变方程为 Po → At＋e.
2. U (铀核)衰变为器 Rn (氨核)要经过几次 α 衰变，几次 β 衰变
解：设 U (铀核) 衰变为 Rn (氨核) 要经过 x 次 α 衰变和y次β 衰变，其衰变的核反应方程为 U→Rn＋xHe＋ye，
根据质量数和电荷数守恒，有 4x＝16，2x－y＝6，
解得 x＝4，y＝2，即要经过4次 α 衰变、2次 β 衰变.
3. 已知钍 234 的半衰期是 24 d，1 g 钍 234 经过 120 d 后还剩多少 若已知铋 210 的半衰期是 5 d，经过多少天后，20 g 铋 210 还剩 1.25 g
解：根据半衰期的定义，剩下的钍 234 的质量为 m1＝m0()＝g.
20g 铋 210 经过时间 t2 后剩余的质量为 m2＝m0′()＝1.25g，
解得 t2＝20 d.
4. 原子核的人工转变与放射性元素的衰变有什么区别
解：原子核的人工转变是指核在其他粒子的轰击下变成新核的过程，而放射性元素的衰变是指核自动转化成新核的变化过程.
5. 写出下列原子核人工转变的核反应方程。
(1) Na (钠核)俘获1个 α 粒子后放出1个质子。
(2) Al (铝核)俘获1个 α 粒子后放出1个中子。
解： Na＋He → H＋Mg
解： Al＋He → n＋P
(3) O (氧核)停获1个中子后放出1个质子。
(4) Si (硅核)俘获1个质子后放出1个中子。
解： O＋n → H＋N
解： Si＋H → n＋P
6. 完成下列核反应方程。
(1) F＋He → H＋( )。
(2) B＋( ) → n＋N。
(3) N＋n → ( )＋H。
Ne
He
C
7. 存在射线危险的地方，常能看到如图5.2-9所示的标志。你在什么地方见过这个标志 为了保护人身安全，在有这样的标志的场所，应该注意什么
解：在医院的放射室看见过这个标志. 一般情况下要远离该标志所处的环境，特殊情况下要在专业人员指导下进出这些场所.

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