核化學(xué)

核化學(xué)是用化學(xué)方法或化學(xué)與物理相結(jié)合的方法研究原子核及核反應(yīng)的學(xué)科。

　　核化學(xué)起始于1898年居里夫婦對釙和鐳的分離和鑒定。后來30年左右的時(shí)間內(nèi)，通過大量化學(xué)上的分離和鑒定，以及物理上探測α、β和γ射線等技術(shù)的發(fā)展，確定了鈾、釷和錒的三個(gè)天然放射性衰變系，指數(shù)衰變定律，母子體生長衰變性質(zhì)，明確了一個(gè)元素可能具有不止一個(gè)核素的同位素概念，以及同一核素的不同能態(tài)等事實(shí)。此外，還陸續(xù)找到了其他十幾種天然放射性元素。

　　1919年盧瑟福等發(fā)現(xiàn)由天然放射性核素發(fā)射的α粒子引起的原子核反應(yīng)，導(dǎo)致1934年小居里夫婦制備出第一個(gè)人工放射性核素—磷30。由于中子的發(fā)現(xiàn)和粒子加速器的發(fā)展，通過核反應(yīng)產(chǎn)生的人工放射性核素的數(shù)目逐年增加，而1938年哈恩等發(fā)現(xiàn)原子核裂變更加速了這種趨勢，并且為后來的核能利用開辟了道路。

　　此外，核譜學(xué)的工作也有相應(yīng)的發(fā)展。由于粒子加速器、反應(yīng)堆、各種類型的探測器和分析器、質(zhì)譜儀、同位素分離器及計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，核化學(xué)研究的范圍和成果還在繼續(xù)擴(kuò)展和增加，如質(zhì)量大于氦核的重離子引起的深度非彈性散射反應(yīng)研究，107、108、109號(hào)元素的合成，雙質(zhì)子放射性和碳放射性的發(fā)現(xiàn)等。另外，核化學(xué)與核技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面，已取得了令人矚目的進(jìn)展。

　　核化學(xué)主要研究核性質(zhì)、核結(jié)構(gòu)、核轉(zhuǎn)變的規(guī)律以及核轉(zhuǎn)變的化學(xué)效應(yīng)、奇特原子化學(xué)，同時(shí)還包括有關(guān)研究成果在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。核化學(xué)、放射化學(xué)和核物理，在內(nèi)容上既有區(qū)別卻又緊密地聯(lián)系和交織在一起。

　　核有不穩(wěn)定和穩(wěn)定之分，前者又稱放射性核，放射性核經(jīng)過衰變(如發(fā)射氦核、電子、光子、中子或質(zhì)子，俘獲電子和自發(fā)裂變等)最終成為穩(wěn)定核。任何衰變過程必須遵從能量守恒、動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒和量子力學(xué)方面的一些規(guī)則。核的不穩(wěn)定性有程度上的差別，它表現(xiàn)為壽命或半衰期的長短，壽命越短，不穩(wěn)定性越高，反之亦然。

　　除了衰變方式和穩(wěn)定性外，核的其他性質(zhì)有電荷、質(zhì)量(包括能量)、半徑、自旋、磁矩、電四極矩、宇稱和統(tǒng)計(jì)性質(zhì)等。另外，核不僅可處于相對穩(wěn)定的基態(tài)，還可以處于能量稍高的激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的核也有以上各種性質(zhì)，一般以發(fā)射光子的方式到達(dá)基態(tài)。核性質(zhì)反映了核的結(jié)構(gòu)，通過對核性質(zhì)的研究，可以更深入地認(rèn)識(shí)原子核的本質(zhì)。

　　核的轉(zhuǎn)變包括原子核在其他原子核或粒子作用下發(fā)生的各種變化(即核反應(yīng))和不穩(wěn)定的原子核自發(fā)發(fā)生的核衰變。核反應(yīng)是取得新核的主要途徑。

　　反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子引起的核反應(yīng)是新核的一個(gè)重要來源，它主要包括中子俘獲反應(yīng)和中子裂變反應(yīng)。這些反應(yīng)產(chǎn)生的裂片核(包括目前尚未發(fā)現(xiàn)的新核)都處于β穩(wěn)定線的豐中子的一面，并以發(fā)射電子，或隨后再發(fā)射一個(gè)中子的方式衰變。

　　新核還可以用各類加速器所產(chǎn)生的不同能量的離子和電子，以及由核反應(yīng)所產(chǎn)生的次級粒子轟擊各種靶核來產(chǎn)生。根據(jù)轟擊粒子的不同可將核反應(yīng)分為中子核反應(yīng)帶電粒子核反應(yīng)、光核反應(yīng)和重離子核反應(yīng)等。按轟擊粒子的能量又可將它們分為高、中和低能核反應(yīng)。

　　目前每個(gè)核子的能量高于一百億電子伏的粒子稱為高能粒子，高于一億電子伏的為中能粒子，低于一億電子伏以下的為低能粒子。但是，這類規(guī)定并不絕對，對于各種轟擊粒子如重離子、電子和次級粒子，能量高低的含義有所不同。

　　根據(jù)以上兩種途徑，現(xiàn)已找到2000多種不穩(wěn)定核素，但仍有很多尚待發(fā)現(xiàn)。它們的壽命極短，需要產(chǎn)物核的快速傳輸、快速化學(xué)分離和在線同位素分離技術(shù)才能鑒定它們。重離子核反應(yīng)是發(fā)現(xiàn)新元素的主要途徑。

　　此外，對核反應(yīng)的研究還包括測量各種核反應(yīng)截面及其與轟擊粒子的能量的關(guān)系(稱激發(fā)函數(shù))，測量出射粒子和產(chǎn)物核的質(zhì)量、電荷、能量和角度(方向)的分布情況，并由此探索核反應(yīng)的機(jī)理。這是深入了解核力和核子在核內(nèi)運(yùn)動(dòng)和相互作用規(guī)律的重要方法。

　　在核轉(zhuǎn)變中，產(chǎn)物核由于動(dòng)量守恒獲得反沖動(dòng)能，這一能量足以使起始核所屬原子與周圍原子之間的化學(xué)鍵斷裂，從而形成脫離原來分子的具有一定動(dòng)能的熱原子。在核衰變中，有時(shí)會(huì)因電子震脫或空穴級聯(lián)而引起化學(xué)變化。核轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的熱原了與周圍介質(zhì)之間所起的化學(xué)變化就是熱原子化學(xué)研究的內(nèi)容。

　　核化學(xué)研究成果已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如利用測定由中子俘獲反應(yīng)的中子活化分析，可較準(zhǔn)確地測定樣品中50種以上元素的含量，并且靈敏度一般很高。該法已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地學(xué)、宇宙化學(xué)、考古學(xué)和法醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

　　一些短壽命(特別是發(fā)射正電子)核素的放射性標(biāo)記化合物廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)。熱原子化學(xué)方法可用于制備某些標(biāo)記化合物。正電子湮沒技術(shù)已用于材料科學(xué)及化學(xué)動(dòng)力學(xué)等方面的研究。