核化学研究原子核的性质和反应，包括放射性、核转变和放射性核素的实际应用。核素由其原子序数 Z（质子数）和质量数 A（核子总数）来表征。 Z相同但A不同的核素是同位素。原子核的稳定性取决于中子与质子的比率（N/Z）。对于轻元素 (Z ≤ 20)，稳定的原子核具有 N/Z ≈ 1。随着 Z 的增加，对于重元素，稳定的 N/Z 比值上升到大约 1.5，因为额外的中子提供了强大的吸引力，而不会增加库仑斥力。 N 与 Z 图中的稳定带定义了稳定核素的区域。

放射性衰变的类型

不稳定的原子核通过几种衰变模式获得更高的稳定性。 α 衰变 (α) 涉及发射“⁴He²⁺”核，将 A 减少 4，Z 减少 2。α 衰变对于重元素 (Z > 83) 最常见，并且发射的 α 粒子具有母体核素的离散能量特征。 β-减衰变 (β⁻) 将中子转化为质子，并发射电子和反中微子：n → p + e⁻ + ν̅_e。这会使 Z 增加 1，而 A 保持不变。 Beta-plus 衰变（β⁺，正电子发射）将质子转换为中子：p → n + e⁺ + ν_e。电子俘获 (EC) 是 β⁺ 衰变的替代方案，其中原子核俘获内层电子，将质子转化为中子。当子核在激发态形成时，伽马发射（γ）会遵循其他衰变过程；它以高能光子的形式释放多余的能量，而不改变 Z 或 A。

放射性衰变动力学

放射性衰变遵循一级动力学。衰变率（活度 A）与放射性原子数量 N 成正比：A = λN，其中 λ 是衰变常数。积分速率定律为 N = N₀e^{-λt}，半衰期为 t_{½} = ln2/λ = 0.693/λ。半衰期从几分之一秒到数十亿年不等。平均寿命 τ = 1/λ。对于一系列放射性衰变（衰变链），当长寿命母体的活动等于其短寿命子体的活动时，达到长期平衡。放射性测年法使用已知的半衰期来确定材料的年龄：有机材料的放射性碳测年法（14C，t1/2 = 5730年）可长达约50,000年，而地质样品的铀-铅测年法（23⁸U → 2⁰⁶Pb，t1/2 = 4.47 × 10⁹年）。

核裂变与聚变

核裂变涉及将重原子核（例如 235U 或 239Pu）分裂成两个较小的原子核，同时释放中子和能量。 235U 的裂变可以通过吸收热中子引起：“235U + n → 235U* → 裂变产物 + 2-3 n + ~200 MeV”。发射的中子可以引发进一步的裂变，产生自我维持的链式反应。核反应堆使用吸收中子的控制棒（B、Cd、Hf）和将中子减速为热能的慢化剂（H2O、D2O、石墨）来控制这种链式反应。核聚变将轻核结合成重核，每个核子释放出更多的能量。氘和氚的聚变：“2H + 3H → ⁴He + n + 17.6 MeV”对于能源生产来说是最有希望的，但达到所需的温度（约 1 亿 K）和限制仍然是一项艰巨的工程挑战。

结合能源和核模型

原子核的质量总是小于其组成的质子和中子的质量之和。该质量缺陷 (Δm) 对应于爱因斯坦方程中的核结合能：“E = Δmc²”。对于铁 56（最稳定的原子核），每个核子的结合能峰值约为 8.8 MeV，而轻元素和重元素的结合能均降低。这条曲线解释了为什么裂变（分裂重核）和聚变（结合轻核）都会释放能量。液滴模型将原子核视为不可压缩的带电流体，并通过半经验质量公式再现结合能的总体趋势，并考虑了体积、表面、库仑、不对称性和配对项。壳层模型解释了幻数（2、8、20、28、50、82、126），其中核由于填充的核子壳而增强了稳定性。

放射化学技术

放射化学采用基于放射性检测的灵敏方法。同位素稀释分析向样品中添加已知量的放射性同位素；化学分离后，比活度的降低揭示了最初存在的非放射性分析物的量。中子活化分析 (NAA) 是一种极其灵敏的元素分析技术：用中子照射样品，在存在的元素中诱发放射性。然后测量每种放射性核素发射的特征伽马射线，从而以十亿分之几的水平对多达 70 种元素进行定性识别和定量测定。放射自显影术使用照相胶片或成像板来可视化生物或地质样品中放射性的分布。放射化学分离利用元素之间化学行为的差异；离子交换和溶剂萃取是从复杂混合物中分离特定放射性核素的常用方法。

在医学、约会和环境中的应用

放射性同位素具有变革性的应用。在医学中，锝-99m（t½ = 6 小时，140 keV 的 γ 发射）用于约 85% 的诊断核医学程序，包括骨扫描、心脏成像和脑成像。 Fluorine-18（t½ = 110 分钟，β⁺ 发射体）是正电子发射断层扫描 (PET) 的主力，可与 FDG（氟脱氧葡萄糖）结合用于癌症成像。 Iodine-131（t½ = 8 天，β⁻ 和 γ）用于甲状腺癌治疗。 Cobalt-60（γ 发射体，t½ = 5.27 年）用于癌症治疗的放射治疗。考古文物和地质样品的放射性碳测年依赖于宇宙射线中子在高层大气中恒定产生 14 C 的速率。环境放射性监测追踪核事故（切尔诺贝利、福岛）的放射性尘埃，而 137C 和 ⁹⁰Sr 等放射性核素可作为研究洋流、土壤侵蚀和大气传输过程的示踪剂。