核化學 The Nucleus and Nuclear Chemistry
原子核的質子數與中子數 A Z A Z X X : A ' Z ' Z : atomic number = # of proton A : mass number = proton neutron 質量數 = 質子數與中子數的和 X, Z=Z',A A' isotope 同位素 : 質子數相同, 質量數不同 nuclide p. n. :nucleons nucleus 原子核
Neutron-proton ratio Neutron-proton ratio and Nuclear stability
質子與中子的比值與原子核的穩定性 輕的元素 n/p= 重的元素 n/p> ~5:3 中子提供原子核結合力使許多帶正電的質子緊密的結合在一起 Z>83 之後, 再多的中子亦無法維持原子核穩定性所以 Z>83 的元素皆為不穩定的放射性元素 (radioactive element) 穩定區以上的元素, 質子轉換成中子 p n 穩定區以下的元素, 中子轉換成質子 n p
穩定的原子核 Stable Nuclide Z A-Z Stable Nuclide Examples 6 Even Even 68 6C 8O 3 47 Even Odd 57 6C Ti Odd Even 5 9 3 9F Na Odd Odd 4 6 H Li B 3 5 4 7 N Magic number (Z):, 8,, 8, 5, 8,6 He O Ca He 4 5 38 9 35 9 Sn :Doubly magic : isotopes U U 6 8 7 8 Pb Pb 3 Th 6 8 Pb
原子核的穩定性與在宇宙中的存量 宇宙存量 cosmic abundance and nuclear stability Light elements are more abundant than heavy elements Even atomic number are more abundant than odd atomic number 假設存量代表穩定性最豐富的元素 (H 除外 ) 均具有偶數的質子, 中子地球內 86% 的原子具有偶數的 mass number Magic number, 8,, 8, 5, 8(6 neutron) He O Ca Pb(4 protons)
原子核的殼層結構 Shell model of the nucleus : p, n exist in levels (shells) Analogous to the shell structure of electron 4 αparticle 放射證明 He { 是 stable nuclei protons neutrons 38 4 34 8 protons 9 U He 9Th 3 4 6 8-8=6 neutrons 9Th He 88 Ra Pb 8 8
Radioactivity 放射線的種類基本的放射線 88 Ra 86Ra 6 n p p n e 4 C He N 4 4 6 7 4 4 p e n K e Ar e 95 95 43 Tc 4Mo 9 8 e e alpha beta positron proton neutron neutrino γemission Antineutrino electron capture 4 4 α He Ζ > 83 β β ρ β β ρ n υ υ n υ υ H hυ ; γ e e N Z N Z N Z Too large Too Small Too small EC Excited state
<γ - Decay #> 原子核粒子經 αβ decay 後還停留在激發態 回到基態會放出 γ ray ~.nm wavelength - m 波長 X-ray 是電子由激發態回到基態放射的輻射 Wavelength > nm (lifetime~ -9 s) A * A Z X Z X hυ Excited Ground state state 99 m 99 43 Tc 43Tc m: metastable γ E A Z X E α α α γ 3 γ γ 3 A 4 z A 4 z X X * Excited state Ground state E-E=αγγ3 =αγ3 =α3
βdecay(electron emission,positron emission, electron capture) 穿透力比 α 大 3Mev => β - 射線需要.5mm 厚的 Al 才能阻擋 α 射線只要.5mm 厚的 Al 板即可阻擋 ()Electron emission neutron proton e - Emitted along a continuous spectrum of energies ~max ( nucleide ) 放射後會再放出 γray 表示有激發態 但為何能階是連續的, 因為有 υ antineutrino particle( 反微中子粒子 ) 的放射 υneutral: massless particle β β 與 與 υ υ Antineutrino 同時發生 Neutrino 同時發生 E ( Q) A Z E A Z 3 9 3 53 X 34 9 Th Th I A Z 3 54 34 9 3 9 X Xe Pa Pa β υ β υ β e γ 4 β γ 3 υ 3 e β β γ 4 υ γ 3 4 A Z Q γ 5 γ 6
γ Ray 穿透力強, 約需 5~cm 的 Al 才能阻斷 ~MeV 的 γray 約為 β 射線的 倍原子在 excited state 的 lifetime 約為 nsec 的範圍, 如果長於 nanosec 則稱為 isomer 而放射現象稱為 iosmeric transition 阿爾發粒子衰變 α decay 在 z > 83 或 A > (nuclide) 的原子核 that is too heavy A A 4 X 4 α α 粒子的原子數 4 原子序 Z Z X α single energy or one of a few specific energy 證明 existence of energy level within the nucleus 穿透力弱, 用紙張即可阻斷 (-MeV α 射線 ) 或 -3 mm 的 Al 板 3 9 3 9 Th Th 8 88 6 88 Ra Ra 4 4 α He ( α ) β particle γ-ray α particle change
核融合的燃料 D H 的來源 水 8 加崙可以提煉 g D 產生融合反應提供 5 加崙汽油能量 T :Radioactive t / =.3 year 可以由 nli 製造 7 3 6 3 ( ) ( 3 H ) Li Li n( fast) 3 n( slow) T 3 T 4 He 4 He n( slow) 4.8MeV Shield:heat exchange Magnet shield:blanket plasma Li n α T
衰變速度與半衰期 放射性同位素的蛻變率 ( 或輻射強度 ) 是一種一級的化學反應 輻射強度會隨時間的增加而遞減 輻射強度每減少一半所需要的時間稱為半衰期 ( 或半生期 ) 各放射性同位素的半衰期都是固定, 而且絕大部分都不相同, 有如人的指紋一般 例如國內發現的輻射鋼筋內所含 6 Co 的半衰期為 5.6 年, 空氣中 Rn( 氛 ) 的半衰期為 3.8 天 而計算放射性元素的衰變速率的方程式與一的一級化學反應方程式類似 衰變速率 =A= Nג ( ג : 衰變常數, N 元素的數目 ) 因此在計算元素半衰期時, 我們可以利用以下方法 : ג.693/ = / 和 t ג- = ) n (N t /N 在考古學鑑定方法中, 常被使用的一種方法是碳十四 (C-4) 定年法 它是利用測量古生物或是生物遺骸內所含有 C-4 同位素的含量, 來鑑定其年代
碳 4 定年法的原理 當宇宙射線在進入地球時, 會與大氣中的氮產生核反應, 因為中子撞擊氮, 使得 4 N 接受一個中子而成為具有放射性的 4 C 而整個生物圈的物質與能量循環, 是依靠初級生產者吸收大氣中的含碳化合物, 將其固定再生物體內, 再轉換成各種形式的物質分佈到生物體內 因此對活著的生物而言, 其 4 C/ C 的比值約為 / 可是當生物死亡或是不再參與整個碳的循環時, 其樣品內 4 C 的衰變速率就會開始下降 因此利用 4 C 的半衰期為 573 年, 以及在活生物體內 4 C 的衰變速率為 5.3 disintegration/min. g 這兩個條件, 加上擬鑑定古生物物質目前的衰變速率, 就可以計算出古生物的年代, 無生命活動跡象時間大略是多久之前
放射線計數器 ± m ± Geiger counter Counter Resistance high voltage Argon gas window particle α β Ar, gas n BE 3 added Ar (g) high energy particle Ar (g) e n 5 B 7 3 Li 4 He
放射線計數器 Geiger counter Ar (g) n 5 high energy particle Ar B 7 3 Li 4 He (g) e
放射線計數器 Scintillation counter photocathode photomultiplier tube window α,γ, β rays Phosphor NaI Electron Beam photocathode: photoelectric-sensitive surface ZnS α NaI ThI γ
原子核的結合能 Nuclear Binding Energy E = mc 原子核密度 :.6x 4 g/cm 3 原子核半徑 (nucleus) : -3 cm 原子半徑 (atom): -8 cm Coulomb force = k (q.q ) / r nuclear force 3~4 x coulomb force( 庫倫力 ) ( 核結合力 ) a distance of about -3 cm Binding Energy per Nucleon: 4 6 4 He: 7.4MeV O: 8.MeV Ca: 8. 55MeV 8
原子核的結合能 Nuclear Binding Energy e p joule= kg m /sec mass of atom 4 Difference in mass amu=.665655 x -7 kg = 93.57 MeV Ca : 39.9659 amu n:.8665 amu p:.785 amu. n
原子核的結合能 Nuclear Binding Energy Δm =39.9659 (x.8665) ( x.785) =.367 amu E =.367 x.665655 x (.9979 x 8 m/sec) x -7 =5.484 x - J = 34.6 MeV MeV =.689 x -3 J amu = 93.57 Me V Binding Energy per nucleon: 34.6 4 8.555 MeV 4~ 之間的元素 (Fe,Co,Ni) -> Highest Binding E/ nucleon nucleon
原子核的結合能 Nuclear Binding Energy 8O : 8 n 8 6 (8x.67493 x -4 )(8 x.676 x -4 g) =.6784x -3 g.65535x -3 g Δm = -.69x -5 g or -.366 g/mol ( 由 x 6. x 3 而來 ) E= mc =(-.366 x -4 kg/mol )(3. x 8 m /s) = -.3 x 3 J/mol = -.4 x - J/nucleus (Mev =.6 x -3 J) = -.8x MeV.8 = 8.MeV 6 nuleon p 6 8 O :
原子核的結合能
核分裂 Nuclear Fission 938 Discovered by Otto Halm Fritz Strassman 發現 U 經中子擊打會產生核分裂, 而生成 Ba 等, 由核分裂而形成 n ~ 3 35 9 % U 4 56 37 5 Ba Te 97 4 9 36 Zr Kr 3 n n 44 55 94 4 43 54 Cs Zr Xe 9 37 4 58 9 38 Kb Ce Sr 3 n n n 6 e enrichment U O 3 8 9 4 36 Kr 56 Ba n over isotopes 35 different elements 平均每個 U 原子生成.4 個中子
核分裂 Nuclear Fission
36 U 分裂成兩個原子核一原子數在 4 左右及另一原子數約 9 及一些中子可以產生連鎖反應中的分支反應 Subcritical, enough n are lost 中子因無法與 U 碰撞 Chain reaction 連鎖反應停止 Critical, maintain a count of fissions 質量密度夠大時, 每個 U 分裂雖然產生.4 個中子但只有一個中子會繼續作用, 維持一持續性的分裂 mass large enough U n (effective) Super critical, n multiplies # of fission 核分裂會因質量密度大而以倍數增加造成連鎖反應並爆炸 4 6 98 Cf 56 Ba 4 Mo 4 5 全球核能發電廠超過 43 座 ( 提供全球約 7% 的電能 ), 其中約 坐在美國 ( 提供美國約 % 的電能 ) 平均每各電廠會產生 metric tons 的放射性廢棄物 n
Light water reactors Control rod Fuel Coolant (water) HO (neutron moderator) Light water::ho coolant and moderator 35 5atm 水作用冷卻劑及中子緩和劑 也可用 DO graphite 石墨.Fuel U 3 O 8 enriched 35 U ~3% 大自然鈾礦中含 35 U 約.7% Zr coating 3.Moderator 緩和劑 HO,graphite.Control System 控制棒 要停止核分裂可以用 B (Boron) or Cd 棒吸收中子 7 5 n 3 Li B U 核分裂出來的中子速度太快, 不能被吸收, 緩和劑可以藉碰撞使中子變慢, 促使核分裂反應可以有效的發生 輕水反應器 Light water 用 HO, 重水反應器 heavy water 用 DO, 石墨反應器用 Graphite C 做緩和劑 4 α
核能發電廠
滋生反應器 Breeder Reactor 38 U n 39 9 38 U 35 U 3 Th 水的臨界點 374. C, 在 5 C 時水以超臨界的狀態存在, 具有很大的腐蝕性 fast breeder 液態金屬鈉做冷卻劑 ( liq. metal Na ) ( 鈉沸點 88 o c) neutron need not be moderated 更好的熱傳導效能 (heat conducting better) U 39 9 39 93 39 94 可以用快中子 fast 4 min U Np Np Pu nucleon Pu n fission 分裂產裂 product ~3 n Energy 39 94 39 93 β β Pu U 滋生更多 Pu Pu U 39 Pu poisonous ( fatal) Th n Th Pa 3 33 min 33 9 9 9 U 33 9 β β 7 天
核融合 Nuclear Fusion 兩個鋰的原子核融合成為較重的原子核也可釋出大量能量 許多星球是進行核融合反應產生能量, 太陽目前是由 73% 氫 6% 氦及 % 其他元素所組成 太陽就是藉由氫融合成氦來釋放巨大的能量 e He H He H He He He He H H e H H H 4 3 4 3 3 3 n H H H 4 3 最具開發價值的融合反應海水中可提煉出氫原子 ( 例如 ) 作為融合的 ( 原 ) 燃料, 原料不虞匱乏 H
核融合 Nuclear Fusion 因此很多研究工作目前都在尋找可行的核融合反應最大的困難 : 引起融合反應需要極高的溫度原因 : 質子間有斥力, 但卻要將兩個質子放到 -3 cm 以下的距離才會融合 兩個 H 要碰撞使距離接近 -3 cm, 至少需要 4 7 K 的高溫 ( 太陽 7 K) 兩種方法達到高溫 Sun : 高功率雷射 用電流加熱 7 溫度 k 4 4 H He β 此時物質已完全解離形成原子核及電子分開的離子態物質稱為電漿 (plasma) 一般容器不能接觸電漿 ( 電漿會迅速失去熱量 ) 故用磁場來作為容器進行核融合反應 => 不會造成放射線污染, 因為產生的放射性同位素的半生期都很短
原子彈與氫彈 Atomic Bomb 氫彈是一種核融合反應, 因爆炸時無法合適的使用其能量, 視為一種無法控制的核融合反應 氫彈先利用核分裂反應達到高溫再引發融合反應
輻射的單位 輻射的單位分為放射活度單位和輻射劑量單位兩大類, 均由國際輻射單位及度量委員會 (ICRU) 所頒布, 稱為國際系統單位 (SI 單位 ) 以下簡述幾個常用的輻射單位 :. 活度 (activity) 一放射性核種於每單位時間內發生自發性蛻變的次數 ( 即蛻變率 ), 稱它活度 活度的單位為 貝克 ( 簡寫為 Bq), 它的定義為 : 貝克 (Bq)= 蛻變 / 秒 因此貝克是用來表示一個輻射源, 如 6Co 的強度 ( 蛻變率 )
輻射的單位. 吸收劑量 (Absorbed dose), D 每單位質量的物質平均吸收的輻射能量 ( 焦耳 ), 稱為吸收劑量 吸收劑量的單位是 戈雷 (Gray, 簡寫為 Gy), 它的定義為 戈雷 (Gy)= 焦耳 / 公斤美制單位為 rad= - 焦耳 / 公斤 每小時平均接受的吸收劑量稱為吸收劑量率, 單位為戈雷 / 小時, 它的千分之一為毫戈雷 / 小時 (mgy/h, 百萬分之一微戈雷 / 小時 (μgy/h) 3. 等效劑量 (dose equivalent),ht 不同種類的輻射 (α β γ n), 照射人體的組織或器官, 雖使人體組織有相同的吸收劑量, 但卻會造成不同程度的傷害現象
輻射的單位 為此, 針對不同種類的輻射訂出射質因數 (Q), 代表不同輻射對人體組織造成不同程度的生物傷害, 它的值列於表. 等效劑量即為人體組織的吸收劑量和射質因數的乘積, 它已含有輻射對組織器官傷害的意義 它的單純是 西弗 ( 簡寫成 Sv), 定義為 : HT( 西弗 )=D( 戈雷 )XQ 千分之一西弗為毫西弗 (msv), 百萬分之一西弗為微西弗 (μsv) 我們拍一張胸部 X 光片, 胸部組織大約接受. 毫西弗劑量 從射質因數 Q 值也可知, α 粒子雖然穿透力很弱但健康效應卻很大, 如把鈾 35 鐳 6 等放射 α 射線的同位素吃進體內, 則會對體內組織器官造成較大的傷害 單位時間內平均所接受的等效劑量稱為等效劑量率, 例如毫西弗 / 年 (msv/y), 微西弗 / 小時 (μsv/h) 都是等效劑量率的單位
4. 有效等效劑量 (effective dose equivalent),h E 由於人體各組織器官對輻射的敏感度不同, 所以雖各接受相同的等效劑量, 但是對造成健康損失 ( 罹患致死癌或不良遺傳 ) 的風險 ( 機率 ) 卻不同, 因此文訂出 組織加權因數 (W T ) 來代表各組織器官對接受輻射對健康損失的機率 若把各組織器官的等效劑量 (H T ) 與其加權因數 (W T ) 的乘積再加以總和, 即成為有效等效劑量 (H E ) H E, 是評估全身的輻射劑量以及輻射可能產生健康效應的風險單位也是西弗 (Sv) 例如台灣地區的民眾, 平均每年接受天然背景輻射劑量 (H E ) 約 毫西弗 (msv), 與全世界的平均值 (.4mSv) 差不多 rad. (radiation absorbed dose) amt of radiation that deposits x - J of energy kg of tissue. α:(rad) 比 β(rad) 造成更多傷害 RBE Relative Biological effectiveness measure the relative biological damage caused by radiation.
輻射線的生物效應 Biological effect of radiation US system: curies (Ci) 居里 Ci=3.7 dps( 每秒分裂電子數 ) SI unit : becquerel (Bq) 貝克 Bq=decomposition per sec. (dps) Amount of energy (damage) in the radiation absorbed by living tissue 活體組織吸收的能量 US : Rads (Radiation absorbed dose)=.j/kg Tissue SI : Gray (Gy) 戈雷 =J/kg of tissue Amount of biological damage /quality factor 射質因素 : (penetrating ability) β- γ-radiation = p- n- (low energy) =5 p- n- (high-energy) = or α-particles Relative Biological Effect (RBE) Relative effectiveness of the radiation in causing damage
輻射的單位 US : rem (roentgen equivalent man) = rads quality factor 常用單位 millirem (mrem) SI : Sv (sievert) = Gray quality factor 以美國的單位計 Background radioactivity : mrem/year 自然界的背景輻射量 表. 輻射的射質因數 X 射線 加馬射線 貝他粒子和電子 中子 質子和靜止質量大於一個原子質量單位的單電荷粒子 阿伐粒子及多電荷粒子 輻射種類 平均射質因數 資料來源 :ICRP-6(977)
RBE for γ,β 隨 dose rate,total dose type of tissue 改變 for α,h fast neutron=5. x-ray γ-ray β. (ions). 5 slow neutron heavy aton. rems (roentgen equilivant for man) rems = rad x RBE relate various kind of radiation in terms of biological destruction. 每人平均接受.-. rem 輻射劑量 background radiation 高此劑量多, 磚造房劑量多 ( 比木造房屋 ) 短期間接受輻射劑量的反應 -5 rem 沒有明顯症狀 5-5 白血球會稍稍減少 - 嘔吐, 噁心, 白血球明顯下降 5 3 天內一半的人數會死亡 3 天內 % 的人數會死亡
X- 光胸部 ~-4 millirem 每年不應超過.5 rem,5 millirem 一 5 rem 最高 air 5 人體 4K mrem 每年 earth (47) 核能發電.3mrem 大自然 cosmic ray 5% mrem (5) Radioactive X- 光 43% 8 mrem (6) Falloni 4 mrem U 礦同等 % 4 核??? 3% 6 核能發電.4%.3 mrem TV.%.4 mrem Building 3 mrem waterial
輻射線的生物效應 γray H O H O e - H O H O H 3 O OH OH radical free radical 自由基 One or more unpaired electron 人體的破壞 Somatic damage :affects the organism During its own lifetime burn,cancer 遺傳性的破壞 Genetic damage :genetic effect Genes 與 chromosones 長越快越易受損
Bone marrow,blood forming tissue Lymph nodes leukemia 白血病 SI unit becquerel nuclear/disintegration/sec Old curie g Ra -6 3.7 disintegration/sec 5. millicurie Co=5. -3 3.7 =.8 8 disintegration/sec γray damaged not limited to the skin penetrating α stop by skin β penetrate ~cm