第 22 章。核化学
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1. 概述
2. 核反应
3. 应用1.核能发电
4. 应用2.核武器
5. 附录：辐射
1.概述
⑴ 原子的结构
① 原子：原子核+电子
② 原子核：质子+中子
③ 质子：上夸克 × 2、下夸克 × 1
④ 中子：上夸克 × 1、下夸克 × 2
⑤ 电子：轻子 × 1
⑵ 原子质量单位（amu）
① 1 u = 1.6605 × 10^-27 千克
② 12 u：一个碳原子的质量
③ 12 g：碳原子阿伏伽德罗数（NA）的质量
④ 质子：1.0073 u
⑤ 中子：1.0087 u
⑥ 电子：0.0005 u，质子质量的1/1840
2.核反应
⑴ 核裂变反应
① 核裂变：一个原子核分裂成不同的原子核
○（区别概念）核衰变：原子核成分的发射或转变
② 爱因斯坦质能等效原理预测释放能量
○ 裂变前原子核质量总和 > 裂变后原子核质量总和
○（注）核聚变反应中，聚变前的原子核质量总和 > 聚变后的原子核质量总和
③ 核裂变和衰变的原因
○ 轻元素在中子:质子 = 1:1 时稳定
○ 中子:质子 = 1.5:1 时重元素稳定
图 1. 质子-中子图
④ 核裂变反应的类型
图 2. 核裂变反应的类型
○ 一种放射性核素可以以一定概率发生多次反应
○ 类型 1： Beta 衰变
○ 又称β-衰变
○ β粒子通常指β-电子；它有时可以包括正电子 (β+) 和电子
○ 类型 2： 正电子发射
○ 也称为 β+ 衰变
○ 正电子：电子的反粒子
○ 当电子和正电子结合时，它们会产生光并相互湮灭
○ 类型 3： 电子捕获 (EC)
○ EC 中 K 层电子的捕获产生 X 射线、伽马射线、俄歇电子
○ 俄歇电子：由于EC或康普顿效应而发射，能量低
○ 类型4： Alpha衰变：α粒子指氦核
○ 类型 5： 伽马衰变
○ 原子核组成没有变化
○ 仅能量状态改变
○ 辐射穿透力
○ Alpha粒子：不能穿过纸张
○ β粒子：可以穿过纸，但不能穿过铝
○ 伽马射线和 X 射线：可以穿过纸和铝，但不能穿过铅
○ （注）电磁波（伽马射线和X射线）比粒子波更具穿透力
⑵ 核聚变反应
① 概述
○ 定义：小原子核聚变形成更大的原子核
○ 爱因斯坦质能等效原理所预测的能量释放
○ 聚变前原子核质量总和 > 聚变后原子核质量总和
○（注）核裂变反应中，裂变前的原子核质量之和 > 裂变后的原子核质量之和
② 例1：主序星的核聚变反应
○ 主序星核心的氢核聚变形成氦核
○ 质量缺陷造成的能量损失成为太阳能的来源
③ 示例2：托卡马克核聚变：也称为人造太阳
○ 核聚变反应方程
○ 聚变反应堆
图 3. 聚变反应堆
⑶ 核子结合能：用于解释核裂变和核聚变倾向的概念。
① 对于铁来说最大，并且通常随着原子质量增加超过该值而减小。
② 裂变与聚变的倾向：一般来说，进行聚变的元素倾向于聚变，而进行裂变的元素则倾向于裂变（即它们通常不会转换）。
图 4. 质量数结合能图
③ 为什么恒星中最终产生的元素是铁：因为聚变在能量上只对铁之前的元素有利，所以恒星的核合成实际上以铁结束。
⑷ 核反应动力学
① 反应速率方程：一级反应
② 积分速率方程
③ 半衰期：保持不变
④ 连续反应
3.应用1.核能发电
⑴ 定义：利用核裂变发电
① 核能发电
○ 使用2-5%的铀燃料
○ 缓慢的连锁反应
○ 产生的热量足以使水在 310°C 左右沸腾
②（注）原子弹
○ 90%以上由高浓缩铀235组成
○ 快速连锁反应
⑵ 铀核裂变过程
图 5. 铀核裂变过程
(ㄱ)代表中子
① 电荷守恒定律成立。
② 能量守恒定律成立。
③ 裂变后质量守恒定律不适用：释放能量是由于质量缺陷
⑶ 核裂变的必要条件> ① 临界质量：持续裂变所需的足够量的铀
②连锁反应：反应必须连续发生
③ 慢化剂：减慢中子速度以有效吸收铀
④ 控制棒：吸收核反应中释放的中子
⑷ 类型
① 沸水反应堆（BWR）
○ 主持人：连锁反应材料
○ 冷却剂：维持反应堆温度的材料
② 压水堆（PWR）
③石墨慢化水冷堆（RBMK）
○ 使用二氧化碳（冷却剂）和石墨（慢化剂）
○ 无需反应堆停机即可更换燃料
④ 快中子增殖反应堆（FBR）
○ 使用水（冷却剂）和钠（缓和剂）
○ 使用天然铀，有火灾风险
⑸ 轻水和重水
① 淡水：普通水
② 重水：由氘、氚制成的水
③ 价格：重水 > 轻水
④ 慢化效率：重水 > 轻水
⑤ 钚可及性：重水>轻水
⑹ 铀浓缩
① 核能发电燃料：铀235
② 天然铀成分：铀235（0.3%）、铀238（99.7%）
③ 浓缩原因：需要2-5%的铀进行链式反应
④ 富集方法：气体扩散法、离心法、喷嘴法、离子交换法
4.应用 2. 核武器
⑴ 类型1：核裂变武器：也称为原子弹
⑵ 1-1. 铀核武器
① 天然铀
○ U-238 : 最常见的同位素
○ U-235 : 0.7% 的天然铀。用作铀核武器的燃料。
○ U-234 : 0.005%
②原则
图6. 铀核武器的原理
○ 利用铀原子核的核裂变过程 ： 参见 图 5.
○ 步骤 1： 如果铀的密度不够高，则不会发生中子链反应。
○ 步骤2： 两个亚临界质量的铀质量像子弹一样碰撞，达到超临界质量。
○ 第三步： 连锁反应和原子爆炸。
③ 示例1：广岛原子弹（日期：1945.08.06，代号：小男孩）
○ 含有 50 公斤 U-235 : 能量相当于 15,000 吨 TNT
⑶ 1-2. 钚核武器
①原则
○ 步骤 1： 由普通铀 U-238 生成的 Pu-239。
○ 步骤 2： Pu-239 放置在球形核心（钚坑）等特殊装置中。
○ 步骤 3： Pu-239 由于密度增加而达到超临界质量。
○ 第四步： 连锁反应和原子爆炸。
② 示例1：长崎原子弹（日期：1945.08.09，代号：胖子） ：第二钚核武器。
③ 示例2：小玩意：第一个钚核武器。
④ 示例3：朝鲜核武器
⑷ 类型2：聚变武器：又称氢弹或热核弹。
① 裂变武器的威力上限约为500吨TNT。
② 聚变武器可产生高达约50兆吨TNT的威力。
③原理：使用液态氘和氚。
④ 示例1： Ivy Mike
⑸ 核武器现状
① 俄罗斯 : 6,600
② 美国： 6,450
③ 法国： 300> ④ 中国： 290（估计）
⑤ 英国 ： 215
⑥ 巴基斯坦： 130-140（估计）
⑦ 印度 ： 120-130（预计）
⑧ 以色列 ： 80（估计）
⑨ 朝鲜 ： 10-20（预计）
5.附录： 辐射
⑴放射性
①定义：原子核在试图成为稳定原子核时发射辐射的性质，即发射辐射的能力。
② SI 单位 ： Bq（贝克勒尔）
○ 1 dps ： 1秒内衰减的能力。
○ 1 Bq = 每秒 1 次分解 = 1 dps
③ 常规单位： Ci（居里）
○ 1 Ci = 3.7 × 10^10 Bq
○ 1 Bq = 2.7 × 10^-11 Ci
○ 1 Ci 相当于1g 226Ra 的放射性活度。
⑵ 辐射
① 定义： 通过核反应发出的光能。
② 辐射剂量 ： 辐射量，通常表示吸收剂量。
③ 剂量率： 单位时间内的辐射量。
③辐射=人工辐射+自然辐射
④ 人工辐射： 人工使用。
⑤ 自然辐射： 自然存在。分为地面辐射和宇宙辐射。
○ 全球平均暴露： 每人年剂量为 2.4 毫希沃特。
○ 韩国 ： 年剂量约为 3.1 毫希沃特。
⑶ 辐射暴露（X）
① 空气中吸收的辐射量
② SI单位： C/kg
○ 在 1 kg 空气中产生 1 C 离子所需的 γ (X) 辐射量。
③ 常规单位： R（伦琴）
○ 1 R = 2.58 × 10-4 C/kg
⑷ 吸收剂量（D）
① 暴露物质每单位质量吸收的辐射量
② SI单位： Gy、cGy（灰色）
○ 1 戈瑞 = 1 焦耳/公斤
③ 常规单位： rad
○ 1 戈瑞 = 100 拉德
⑸ 当量剂量或剂量当量（H）
① 辐射暴露对人体健康影响的衡量
○ 当量剂量 = 吸收剂量 × 辐射权重因子
○ 辐射权重因子
○ X、γ、β = 1
○ 中子 = 5 ~ 20
○ 核裂变与创造 = 20
② SI单位： Sv、mSv（西沃特）
③ 常规单位： rem
○ 1 Sv = 100 rem
⑹ 有效剂量（E）
①不同人体组织吸收辐射量
○ 有效剂量=等效剂量×组织权重因子
○ 组织权重因子
○ 生殖器官 = 0.2
○ 骨髓、胃、肺 = 0.12
○ 膀胱、乳房、肝脏、食道、甲状腺 = 0.05
○ 骨骼、皮肤 = 0.01
② SI 单位 : Sv
③ 常规单位： rem
⑺ 辐射相关现象
①云室实验：利用绝热膨胀观测辐射轨迹
图 7. 威尔逊云室实验
○ (?): 一个装有空气的盒子充满水蒸气，然后绝热膨胀，而水蒸气保持未凝结状态。
○ (나): 当辐射穿过(?)中绝热膨胀的盒子时，水蒸气沿着辐射轨迹凝结成液滴。
② 俄歇效应
○ 第一第一。特定原子的内电子经外部辐射后发射
○ 第二第二。原子相对外侧的电子填补空位
○ 第三第。发射X射线（特征X射线）
③ 旁观者效应
○ 未受照射的细胞死亡现象
○ 据信是由受辐射细胞发出的信号引起的
⑻ 辐射风险
① 暴露剂量与急性效应之间的关系（来源：ICRP 103）
○ 照射剂量 ≤ 0.1 Gy : 几乎无临床症状
○ 照射剂量 = 0.5 Gy : 造血功能损害
○ 暴露剂量 = 1-2 Gy : 10% 死亡率» ○ 暴露剂量 = 4 Gy : 60 天内死亡率为 50%
○ 暴露剂量 = 5-7 Gy : 90% 死亡率
输入： 2019.03.16 17:06