Размещено на http://www.allbest.ru/

13

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ЛИЦЕЙ № 64

РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

2013 - САНКТ-ПЕТЕРБУРГ



Оглавление

Введение

1. Что такое радиоактивность? Виды излучения

2. Виды Ионизирующего излучения

2.1 Альфа-излучение

2.2 Бета-излучение

2.3 Гамма-излучение. Рентгеновское излучение

2.4 Активность радионуклида в источнике (А)

2.5 Экспозиционная доза (X)

2.6 Поглощённая доза (D)

2.7 Эквивалентная доза (H)

3. Радиоактивные элементы, какие они?

3.1 Обратимся к истории

3.2 Кусочек облученного молибдена

3.3 Путь от ильмения до мазурия

3.4 «Запрещенный» элемент и ядерные реакции

3.5 Как же нашли технеций и почему его так назвали

3.6 Строение атома технеция

3.7 Число электронов, протонов, нейтронов в атоме технеция. Заряд ядра

3.8 Количество энергетических уровней. Электронная конфигурация атома технеция

3.9 «Технеций - откуда он берётся...?»

3.9.1 Нахождение в природе

3.10 Способ синтеза технеция

3.11 Чем полезен технеций?

3.12 Чем может быть опасен элемент № 43

3.13 Технеций-99

3.14 Опасность технеция и других его изотопов вообще

4. Прометий, Pm

4.1 «Прометий принадлежит к лантаноидам…» Что это значит?

4.2 История радиоактивного лантаноида. Происхождение названия

4.3 Каково строение атома прометия?

4.3.1 Электроны, протоны, нейтроны в атоме прометия и заряд ядра атома

4.3.2 Электронная конфигурация и количество энергетических уровней

4.4 Получение прометия. Нахождение в природе

4.5 Применение элемента № 61

4.6 Какую опасность прометий представляет?

5. Полоний, Po

5.1 Как открыли полоний. История. Имя

5.1.1 Почему радий, а не полоний?

5.2 Атом полония

5.2.2 Энергетические уровни и электронная конфигурация атома полония

5.3 Добыча полония

5.4 Основы химии

5.4.1 Полоний на Земле и в космосе. Применение

5.5 Чем опасен полоний? Техника безопасности

6. Астат, At

6.1 Откуда такое название?

6.2 Поиски экаиода

6.3 Астат в природе

6.4 Обнаружить, выделить, узнать

6.5 Характеристика атома астата

6.5.1 Электроны, протоны, нейтроны. Заряд ядра

6.5.2 Количество энергетических уровней, электронная конфигурация

6.6 Попытка с годными средствами

6.7 Чем опасен астат?

7. Радон, Rn

7.1 «Благородный Радиоактивный Радон…» О чем это говорит?

7.2 Обращаемся к истории

7.2.1 Открывали изотопы

7.2.2 Свидетельствует физик

7.2.3 Свидетельствует химик

7.2.4 Что к этому следовало бы добавить?

7.2.5 Что есть что. Как получают?

7.3 Характеристика атома

7.3.1 Электроны, протоны, нейтроны. Заряд ядра

7.3.2 Электронная конфигурация атома. Количесвто энергетических уровней

7.4 Бесспорная польза и бесспорный вред

8. Радий, Ra

8.1 История и что обозначает такое название?

8.1.1 История верного служения науке

8.1.2 Количество электронов, протонов, нейтронов. Заряд ядра

8.1.3 Количество энергетических уровней. Электронная формула

8.2 Будни и практика

8.2.1 Радиевые институты

8.3 Чем опасен радий?

9. Торий, Th

9.1 Торий - актиноид. Кто такие актиноиды?

9.2 «История тория», «Название из Скандинавии» и «загадочный торий»

9.3 Характеристика атома

9.4 «С пляжа на комбинат». Получение тория

9.5 Торий и наука о радиоактивности

9.6 Торий радиоактивный и опасный

Список использованной литературы



Введение

Тема радиоактивных элементов особенно актуальна на сегодняшний день. Радиация играет огромную роль в развитии цивилизации на данном историческом этапе. Благодаря явлению радиоактивности был совершен существенный прорыв в области медицины и в различных отраслях промышленности, включая энергетику. Возможности применения различных радиоактивных элементов в самых различных областях очень велики.

А именно:

Ш ядерное оружие.

Ш ядерная энергетика.

Ш новые системы переработки радиоактивного сырья и отходов.

Ш широкое применение в различных областях науки, техники и, как было сказано выше, медицины.

Но одновременно с этим также актуально рассмотреть негативные стороны свойств радиоактивных элементов: ведь воздействие радиационного излучения на организм может иметь очень трагические последствия. Подобный факт никак не мог пройти мимо внимания общественности. И чем больше становилось известно о действии радиации на человеческий организм и окружающую среду, тем противоречивее становились мнения о том, насколько большую роль должна играть радиация в самых разных сферах деятельности человека. Как сказал известный американский писатель Дэн Браун: «…самая смертоносная из всех известных на Земле сил - радиация.»

Радиоактивность следует рассматривать как неотъемлемую часть нашей жизни, так как радиация - естественное явление. Любой житель Земли непрерывно подвергается её воздействию. На Земле есть регионы, где природный радиационный фон превышает среднее по планете значение в разы и в десятки раз: в их число входят некоторые районы Франции, Финляндия, Швеция, Алтайский край, прибрежные территории юго-запада Индии, некоторые курорты Бразилии. Многие районы с повышенным радиационным фоном являются признанными курортами (та же Финляндия, Кавказские Минеральные воды, Карловы Вары и другие).

Но мощная радиация, появляющаяся при использовании радиоактивных элементов в разных областях нашей жизни, приводит к большим дозам облучения.

Итак, любое полезное применение радиоактивных элементов должно быть безопасным.

Для обеспечения радиационной безопасности создаются специальные международные организации, занимающиеся проблемами радиации, в их числе существующая с конца 1920-х годов Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ), а также созданный в 1955 году в рамках ООН Научный Комитет по действию атомной радиации (НКДАР).

Радиационная безопасность является важным элементом национальной безопасности и подразумевает состояние защищённости настоящего и будущих поколений от вредного влияния радиации.

Надо упомянуть, что приступая к знакомству с радиоактивными элементами, наиболее перспективными в использовании на сегодняшний день, автор данной работы, тема которой носит «химический характер», никак не мог пройти мимо понятия самой радиации, образование которой с помощью химических реакций невозможна, так как это полностью физический процесс. Но согласимся, что было бы порядочнее всё-таки сначала у помянуть о самой радиации (иначе зачем нам говорить о радиоактивных элементах, не будучи знакомыми с понятием радиации?) Поэтому в начале работы всё же немного познакомимся с «физической радиацией».

Итак, цели и задачи работы:

· Ознакомиться с понятием радиации.

· Узнать об истории, применении и получении самых выдающихся - ведь каждый из тех, что будут рассмотрены нами ниже, является уникальнейшими в самых разных областях и можно сказать опаснейшими - элементов конца периодической системы (радиоактивных элементов).

· Рассмотреть вопрос влияния радиоактивных элементов на организм человека.



1. Что такое радиоактивность? Виды излучения

Радиоактивностью называют неустойчивость ядер некоторых атомов, которая проявляется в их способности к самопроизвольному распаду, что сопровождается выходом излучения. Любопытно, что энергия такого излучения достаточно велика, поэтому она способна воздействовать на вещество, создавая новые ионы разных знаков.

Вызывать радиацию с помощью химических реакций нельзя, это полностью физический процесс.

Следует упомянуть, что в общем смысле под определение радиации попадает любой вид излучения:

1) инфракрасное (тепловое).

2) ультрафиолетовое (солнечная радиация), видимое световое излучение.

3) ионизирующее излучение - единственный вид, несущий серьёзную опасность, вторгаясь в любую материю на своём пути, ионизируя и тем самым разрушая её.

Ионизирующее излучение - поток заряженных или нейтральных частиц электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды.

Ионизирующее излучение не ведает преград: ни бетон, ни железо, ни другой материал не могут сдержать его распространение.



2. Виды Ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение возникает в результате радиоактивного распада ядер некоторых элементов и, в зависимости от частиц его составляющих, подразделяется на две группы:

1) коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновские лучи и гамма-излучение)

2) корпускулярное излучение, представляющее собой потоки частиц (альфа-частиц и бета-частиц (электронов), нейтронов, протонов, тяжелых ионов и других).

Наибольшее распространение имеют такие виды излучения:

Ш альфа-излучение

Ш бета-излучение

Ш гамма-излучение

Ш рентгеновское излучение

2.1 Альфа-излучение

Альфа частицы (б-частицы) представляют собой часть атома, состоящую из 2-ух протонов и 2-ух нейтронов (см. рисунок 1), имеющую положительный заряд и обладающую большой энергией (и разрушительной силой), но довольно громоздки и потому легко уловимы (даже плотная одежда или лист бумаги является для них преградой, при попадании на кожу частицы, так сказать, застревают в ней). Опасно лишь попадание альфа-частиц с пищей, но и этого, естественно, стоит остерегаться.

Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Эрнест Резерфорд, 1919 г, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами.

Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4 (). Образуется при альфа-распаде ядер.

2.2 Бета-излучение

Это поток мельчайших заряженных частиц (в-частиц, см. рисунок 2), имеет большую проникающую способность. Для защиты от этого вида радиации, понадобится более толстая защита: лист алюминия толщиной в несколько миллиметров, дерево в несколько сантиметров и т.д.

Бета-частица испускается в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение.

Надо упомянуть, что отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (в?), положительно заряженные -- позитронами (в+).



2.3 Гамма-излучение. Рентгеновское излучение

Эти два вида ионизирующего излучения (г-лучи), очень близкие по свойствам, обладают наибольшей проникающей способностью - это высокоэнергетическое коротковолновое электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов, имеет нулевой заряд и поэтому не отклоняется при воздействии магнитным полем. Для защиты от такого вида излучения понадобится толстый слой материала с тяжёлыми ядрами (свинец, обеднённый уран, вольфрам). Есть ряд веществ (бор, графит, кадмий), которые способны нейтрализовать это излучение.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. рисунок 3), при ядерных реакциях, а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц, либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул.



Итак, после ознакомления с видами ионизирующего излучения, надо подвести итоги, с точки зрения воздействия их проникающей способности (см. рисунок 4):

1) Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц. Альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги.

2) Бета-излучение - это поток заряженных частиц, возникающих при бета-распаде. Для защиты от бета-частиц достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров.

3) Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью. Для защиты эффективны тяжёлые элементы, например свинец, толщиной несколько сантиметров.

1. Дозы излучения и единицы измерения.

В начале работы разговор зашёл о действии различных видов излучения на организм человека. Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от:

Ш величины поглощенной дозы

Ш мощности дозы

Ш вида излучения

Ш объема облучения тканей и органов

Для количественной оценки введены специальные единицы, делящиеся на внесистемные единицы и единицы в Системе Интернациональной (СИ). В основном используются единицы системы СИ.

С целью описания влияния ионизирующих излучений на вещество используются следующие понятия и единицы измерения :

1) активность радионуклида в источнике (А)

2) экспозиционная доза (X)

3) поглощенная доза (D)

4) эквивалентная доза (Н)



2.4 Активность радионуклида в источнике (А)

Прежде чем узнать о данной единице, приведём необходимые для этого определения:

ь Нуклид - разновидность атома, характеризуемая числом протонов и нейтронов, а в некоторых случаях энергетическим состоянием ядра.

ь Радионуклид - нуклид, испускающий ионизирующее излучение.

Активность радионуклида в источнике равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений (напомним, что радиоактивность - это неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям - распаду) в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt):

A = dN/dt

o Единица активности в системе СИ - Беккерель (Бк).

Единица названа в честь французского учёного, лауреата Нобелевской премии, одного из первооткрывателя радиоактивности - Антуана Анри Беккереля (1852 -1908 гг.).

o Внесистемная единица - Кюри (Ки).

Единица названа в честь французских учёных - одного из первых исследователей радиоактивности, члена Французской Академии наук, лауреата Нобелевской премии по физике за 1903 год - Пьера Кюри (1859 - 1906 гг.) и дважды лауреата Нобелевской премии по физике, также за 1903 год, и по химии за 1911 год - Марии Склодовской-Кюри (1867 - 1934 гг.).

2.5 Экспозиционная доза (X)

В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm), при полном торможении всех заряженных частиц:

X = dQ/dm

o Единица системы СИ - Кулон/кг.

o Внесистемная единица экспозиционной дозы - Рентген (Р).

Вильгельм Конрад Рентген (1845 - 1923 гг.)- выдающийся немецкий физик, первый в истории физики лауреат Нобелевской премии за 1901 год.

ь Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и -излучения, создающая в 1 воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества.

2.6 Поглощённая доза (D)

Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.
Это основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии (dE), переданной ионизирующим излучением веществу в некотором объеме, к массе (dm) вещества в этом объеме:

D = dE/dm

o Единица поглощенной дозы - Грей (Гр).

Единица названа в честь британского учёного Льюиса Грэя (1905 - 1965 гг.) - одного из родоначальников радиобиологии.

o Внесистемная единица - Рад.

2.7 Эквивалентная доза (H)

Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы, равной произведению поглощенной дозы (Dr), созданной облучением - r и усреднённой по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель (wr) (называемый еще коэффициентом качества излучения):

o Единица измерения в СИ эквивалентной дозы - Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование - Зиверт (Зв).

Единица названа в честь шведского учёного, одного из родоначальников науки радиобиологии Рольфа Зиверта (1896 - 1966 гг.).

o Внесистемная единица - Бэр.

Систематизировав информацию, рассмотрим перечень единиц измерения радиологических величин и сравним единицы системы СИ и внесистемные единицы (см. таблицу 1):

Таблица 1

Основные радиологические величины и единицы
Величина, обозначение	Наименование и обозначение единицы измерения	Формула для нахождения величины
	Внесистемные	СИ
Активность нуклида, А	Кюри (Ки, Ci)	Беккерель (Бк, Bq)	A = dN/dt
Экспозиционная доза, X	Рентген (Р, R)	Кулон/кг (Кл/кг, C/kg)	X = dQ/dm
Поглощенная доза, D	Рад (рад, rad)	Грей (Гр, Gy)	D = dE/dm
Эквивалентная доза, Н	Бэр (бэр, rem)	Зиверт (Зв, Sv)

И вот теперь, когда мы знаем:

· что такое радиация

· что такое ионизирующее излучение и его виды

· разбираемся в дозах излучения и единицах их измерения,

настало время, когда можно перейти, собственно, к «химической сути» работы, самим радиоактивным элементам.



3. Радиоактивные элементы, какие они?

Радиоактивные элементы - химические элементы, все изотопы которых радиоактивны.

ь Изотопы - разновидности атомов с одинаковым зарядом ядра, но с разной массой, то есть с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов.

К числу радиоактивных элементов принадлежат:

Ш технеций, Tc (атомный номер - 43)

Ш прометий, Pm (61)

Ш полоний, Po (84)

Ш и все последующие элементы в Периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева.

Те из них, которые расположены в периодической системе за ураном (нептуний (Np, п. н. 93), плутоний (Pu, п. н. 94), америций (Am, п. н. 95), кюрий (Cm, п.н. 96), берклий (Bk, п. н. 97), калифорний (Cf, п. н. 98), эйнштейний (Es, п. н. 99), фермий (Fm, п. н. 100), менделевий (Md, п. н. 101), нобелий (No, п. н. 102) и лоуренсий (Lr, п. н. 103) называются трансурановыми элементами.

В то же время радиоактивные элементы с атомными номерами 90 - 103 (торий, Th; протактиний, Pa; уран, U; нептуний, Np; плутоний, Pu; америций, Am; кюрий, Сm; берклий, Bk; калифорний, Cf; эйнштейний, Es; фермий, Fm; менделевий, Md; нобелий, No; лоуренсий, Lr) во многом сходны между собой и составляют ещё семейство актиноидов.

Из природных радиоактивных элементов только два - торий (п.н. 90) и уран (п.н. 92) имеют изотопы, периоды полураспада (T1/2) которых сравнимы с возрастом Земли. Это:

Ш 232Th (T1/2 = 1,41Ч1010 лет)

Ш 235U (T1/2 = 7,13Ч108 лет)

Ш 238U (T1/2 = 4,51Ч109 лет)

Поэтому торий и уран сохранились на нашей планете со времён её формирования и являются первичными радиоактивными элементами. Изотопы 232Th, 235U и 238U дают начало естественным радиоактивным рядам, в состав которых входят в качестве промежуточных членов вторичные природные радиоактивные элементы с атомными номерами 84 - 89 (полоний, Po; астат, At; радон, Rn; франций, Fr; радий, Ra; актиний, Ac) и 91 (протактиний, Pa). Периоды полураспадов всех изотопов этих элементов сравнительно невелики, и, если бы их запасы не пополнялись непрерывно за счёт распада долгоживущих изотопов U и Th, они давно бы уже полностью распались.

Обратим внимание на определения:

ь Период полураспада квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) - время TЅ, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2.

ь Радиоактивным рядом (радиоактивным семейством) называется последовательность радиоактивных превращений от некоторого материнского ядра. Членами радиоактивных рядов являются радиоактивные изотопы химических элементов, стоящих в соответствующих клетках периодической системы Менделеева.

Радиоактивные элементы с атомными номерами 43 (технеций, Tc); 61 (прометий, Pm); 93 (нептуний, Np) и все последующие называются искусственными, т.к. их получают с помощью искусственно проводимых ядерных реакций. Это деление радиоактивных элементов на природные и искусственные довольно условно. Например, астат (At, п. н. 85) был сначала получен искусственно, а затем обнаружен среди членов естественных радиоактивных рядов. В природе найдены также ничтожные количества технеция, прометия, нептуния (Np, п. н. 93) и плутония (Pu, п. н. 94), возникающих при делении ядер урана -- либо спонтанном, либо вынужденном (под действием нейтронов космических лучей и др.).

На сегодняшний день известно 25 радиоактивных элементов. Ниже, как мы уже говорили, нами будут рассмотрены наиболее выдающиеся из них.

2. Технеций, Tc.

Технеций - элемент подгруппы-B, 7-ой группы, 5-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер, как было сказано выше - 43. Простое вещество технеций - радиоактивный металл серебристо-серого цвета (см. рисунок 5).

Ш Самый лёгкий элемент, не имеющий стабильных изотопов.

Ш Первый из синтезированных химических элементов.

3.1 Обратимся к истории

В 1936 г. еще совсем молодой итальянский физик Эмилио Сегре (1905 - 1989) женился и уехал из Рима, где прежде учился в университете. Он держал путь в Палермо, древнюю столицу Сицилии, где в местном университете ему были предоставлены кафедра и должность декана физического факультета.

В Риме Сегре работал в лаборатории Энрико Ферми (1901 - 1954) - выдающегося итало-американского физика теоретика и экспериментатора, участвовал в знаменитых нейтронных опытах, в ходе которых впервые в мире уран обстреливали потоком нейтронов (итальянские физики считали, что таким путем можно будет получить новые химические элементы, более тяжелые, чем уран).

3.2 Кусочек облученного молибдена

Конечно, отправляясь в Палермо, Сегре надеялся продолжить работы, связанные с радиоактивностью и поиском новых элементов, несмотря на то, что оснований для таких надежд было немного. Нам достаточно сказать, что во всех странах в те годы радиоактивные материалы представляли большую ценность, а итальянские лаборатории были крайне бедны и на упоминавшиеся уже нейтронные опыты Ферми было отпущено всего 100 долларов.

Но безвыходные положения бывают крайне редко, и Сегре нашел выход. В конце того же 1936 г. он отправился в Америку, в Калифорнийский университет, и смог привезти оттуда кусок облученного молибдена.

Здесь мы должны сделать, опять же, небольшое, чисто «физическое отступление», иначе будет непонятно, почему этот кусок молибдена был так нужен Сегре. Из молибдена был сделан «зуб» отклоняющей пластины первого в мире, маломощного по нынешним масштабам, циклотрона.

ь Циклотрон (см. рисунок 6) - это машина, ускоряющая движение заряженных частиц, например дейтронов - ядер тяжелого водорода, дейтерия. Частицы разгоняются высокачастотным электрическим полем по спирали и с каждым витком приобретают все большую энергию. Поток таких частиц обрушивается на мишень, сделанную из вещества, которое нужно облучить.

Кстати говоря, всем, кто когда-либо работал на циклотроне, хорошо известно, как трудно бывает вести эксперимент, если мишень установлена непосредственно в вакуумной камере циклотрона. Значительно удобнее работать на выведенном пучке, в специальной камере, где можно разместить всю необходимую аппаратуру. Но вытащить пучок из циклотрона далеко не просто. Делается это с помощью специальной отклоняющей пластины, на которую подано высокое напряжение. Пластина устанавливается на пути разогнанного уже пучка частиц и отклоняет его в нужном направлении. Расчет наилучшей конфигурации пластины - целая наука. Но несмотря на то что пластины для циклотронов изготавливают и устанавливают с максимальной точностью, ее лобовая часть, или «зуб», поглощает примерно половину ускоренных частиц. Естественно, «зуб» разогревается от ударов, потому его даже сейчас делают из тугоплавкого молибдена.

Но так же естественно, что частицы, поглощенные материалом зуба, должны вызвать в нем ядерные реакции, более или менее интересные для физиков. Сегре считал, что в молибдене возможна исключительно интересная ядерная реакция, в результате которой может быть, наконец, по-настоящему открыт много раз открывавшийся и неизменно «закрывавшийся» прежде элемент №43.

3.3 Путь от ильмения до мазурия

Элемент №43 искали давно. И долго. Искали его в рудах и минералах, преимущественно марганцевых. Менделеев, оставляя в таблице пустую клетку для этого элемента, называл его экамарганцем. Впрочем, первые претенденты на эту клетку появились еще до открытия периодического закона. В 1846 г. из минерала ильменита был якобы выделен аналог марганца - ильмений. После того как ильмений «закрыли», появились новые кандидаты: дэвий, люций, ниппоний. Но и они оказались «лжеэлементами». Сорок третья клетка таблицы Менделеева продолжала пустовать.

В 20-х годах нашего века проблемой экамарганца и дви-марганца (эка означает «один», дви - «два»), т.е. элементов №43 и, также, № 75 занялись прекрасные экспериментаторы супруги Ида и Вальтер Ноддак. Проследив закономерности изменения свойств элементов по группам и периодам, они пришли к казавшейся крамольной, но по существу верной мысли, что сходство марганца и его эка- и дви-аналогов намного меньше, чем считали раньше, что разумнее искать эти элементы не в марганцевых рудах, а в сырой платине и в молибденовых рудах.

Эксперименты супругов Ноддак продолжались много месяцев. В 1925 г. они объявили об открытии новых элементов - мазурия (элемент №43) и рения (элемент №75). Символы новых элементов заняли пустующие клетки менделеевской таблицы, но впоследствии оказалось, что лишь одно из двух открытий совершилось в действительности. За мазурий Ида и Вальтер Ноддак приняли примеси, не имеющие ничего общего с элементом №43.

Символ Ma стоял в таблице элементов больше 10 лет, хотя еще в 1934 г. появились две теоретические работы, которые утверждали, что элемент №43 нельзя обнаружить ни в марганцевых, ни в платиновых, ни в каких-либо иных рудах. Речь идет о правиле запрета, сформулированном почти одновременно немецким физиком Г. Маттаухом и советским химиком С.А. Щукаревым.



3.4 «Запрещенный» элемент и ядерные реакции

Вскоре после открытия изотопов было установлено и существование изобаров.

ь Изобарами называют атомы с одинаковыми массовыми числами, принадлежащие разным элементам. Пример нескольких изобаров: 93Zr, 93Nb, 93Mo.

Смысл правила Маттауха - Щукарева в том, что у стабильных изотопов с нечетными номерами не может быть стабильных же изобаров.

Не будем забывать об определении:

ь Стабильные изотопы - это изотопы, не подверженные радиоактивному распаду и, как следствие, не дающие радиоактивного излучения; работа с такими изотопами не требует специальных мер предосторожности и защиты.

Разберёмся поподробнее… Так, если изотоп элемента №41 ниобий-93 стабилен, то изотопы соседних элементов - цирконий-93 и молибден-93 - должны быть обязательно радиоактивными. Достаточно интересное обстоятельство, не так ли? Правило распространяется на все элементы, в том числе и на элемент №43.

Этот элемент расположен между молибденом, Mo, (атомная масса 95,92) и рутением, Ru, (атомная масса 101,07). Следовательно, массовые числа изотопов этого элемента не должны выйти за пределы диапазона 96...102. Но все стабильные «вакансии» этого диапазона заняты - у молибдена стабильны изотопы с массовыми числами 96, 97, 98 и 100, у рутения - 99, 101, 102 и некоторые другие. Это значит, что у элемента №43 не может быть ни одного нерадиоактивного изотопа. Впрочем, из этого вовсе не следует, что его нельзя найти в земной коре: существуют же уран, торий.

Напомним, что уран и торий сохранились на земном шаре благодаря огромному времени жизни некоторых их изотопов. Прочие радиоактивные элементы - это продукты их радиоактивного распада. Элемент №43 можно было бы обнаружить только в двух случаях:

Ш если у него есть изотопы, период полураспада которых измеряется миллионами лет

Ш если его долгоживущие изотопы образуются (и достаточно часто) при распаде элементов №90 и 92.

На первое Сегре не рассчитывал: существуй долгоживущие изотопы элемента №43, их бы нашли раньше. Второе тоже маловероятно: большинство атомов тория и урана распадаются, испуская альфа-частицы, и цепочка таких распадов заканчивается стабильными изотопами свинца, элемента с атомным номером 82. Более легкие элементы при альфа-распаде урана и тория образоваться не могут.

Правда, есть другой вид распада - спонтанное деление, при котором тяжелые ядра, самопроизвольно делятся на два осколка примерно одинаковой массы. При спонтанном делении урана ядра элемента №43 могли бы образоваться, но таких ядер было бы очень мало: в среднем спонтанно делится одно ядро урана из двух миллионов, а из ста актов спонтанного деления ядер урана элемент №43 образуется лишь в двух. Впрочем, этого Эмилио Сегре тогда не знал. Спонтанное деление было открыто лишь спустя два года после открытия элемента №43.

3.5 Как же нашли технеций и почему его так назвали

Сегре вез через океан кусок облученного молибдена... Но уверенности, что в нем будет обнаружен новый элемент, не было, да и не могло быть. Были «за», были и «против».

Падая на молибденовую пластину, быстрый дейтрон довольно глубоко проникает в ее толщу. В некоторых случаях один из дейтронов может слиться с ядром атома молибдена. Для этого прежде всего необходимо, чтобы энергии дейтрона хватило для преодоления сил электрического отталкивания. А это, кстати говоря, значит, что циклотрон должен разогнать дейтрон до скорости около 15 тыс. км/сек. Составное ядро, образующееся при слиянии дейтрона и ядра молибдена, неустойчиво. Оно должно избавиться от избытка энергии. Поэтому, едва произошло слияние, из такого ядра вылетает нейтрон, и бывшее ядро атома молибдена превращается в ядро атома элемента №43.

ь Дейтрон - ядро изотопа водорода -- дейтерия. Дейтрон используется как бомбардирующая частица в ускорителях заряженных частиц. Малое сечение захвата нейтронов при одновременной эффективности их замедления (ввиду небольшой массы дейтронов нейтрон быстро теряет энергию при соударениях с ними) позволяет использовать дейтроны (обычно в виде тяжёлой воды, молекула которой содержит два дейтрона) для замедления нейтронов деления в ядерных реакторах.

Природный молибден (Mo, №42) состоит из шести изотопов, значит в принципе в облученном куске молибдена могли быть атомы шести изотопов нового элемента. Это важно потому, что одни изотопы могут быть короткоживущими и оттого неуловимыми химически, тем более что со времени облучения прошло больше месяца. Зато другие изотопы нового элемента могли «выжить». Их-то и надеялся обнаружить Сегре.

Скажем, что на этом, собственно, все «за» кончались. «Против» было значительно больше.

Против исследователей работало незнание периодов полураспада изотопов элемента №43. Могло ведь случиться и так, что ни один изотоп элемента №43 не существует больше месяца. Против исследователей работали и «попутные» ядерные реакции, в которых образовывались радиоактивные изотопы молибдена, ниобия и некоторых других элементов. Выделить минимальное количество неизвестного элемента из радиоактивной многокомпонентной смеси очень сложно. Но именно это предстояло сделать Сегре и его немногочисленным помощникам.

Работа началась 30 января 1937 г. Прежде всего, конечно, выяснили, какие частицы излучает молибден, побывавший в циклотроне и пересекший океан. Он излучал (знакомые нам) бета-частицы - быстрые ядерные электроны. Когда около 200 мг облученного молибдена растворили в царской водке, бета-активность раствора оказалась примерно такой же, как у нескольких десятков граммов урана.

Неизвестная прежде активность была обнаружена, оставалось определить, кто же ее «виновник».

Сначала из раствора химическим путем выделили радиоактивный фосфор-32, образовавшийся из примесей, которые были в молибдене. Затем тот же раствор подвергли «перекрестному допросу» по строке и столбцу менделеевской таблицы. Носителями неизвестной активности могли быть изотопы:

Ш ниобия

Ш циркония

Ш рения

Ш рутения

Ш наконец, самого молибдена

Только доказав, что ни один из этих элементов не причастен к испускаемым электронам, можно было говорить об открытии элемента №43…

Два метода были положены в основу работы:

Ш один - логический, метод исключения

Ш другой - широко применяемый химиками для разделения смесей метод «носителей», когда в раствор, содержащий, по-видимому, тот или иной элемент, «подсовывается» соединение этого элемента или другого, сходного с ним по химическим свойствам. И если вещество-носитель выводится из смеси, оно уносит оттуда «родственные» атомы.

В первую очередь исключили ниобий. Раствор выпарили, и полученный осадок вновь растворили, на этот раз в гидроокиси калия. Некоторые элементы остались в нерастворенной части, но неизвестная активность перешла в раствор. И тогда к нему добавили ниобат калия, чтобы стабильный ниобий «увел» радиоактивный. Если, конечно, тот присутствовал в растворе. Ниобий ушел - активность осталась. Такому же испытанию подвергли цирконий. Но и циркониевая фракция оказалась неактивной.

Затем осадили сульфид молибдена, но активность по-прежнему оставалась в растворе.

После этого началось самое сложное: предстояло разделить неизвестную активность и рений. Ведь примеси, содержавшиеся в материале «зуба», могли превратиться не только в фосфор-32, но и в радиоактивные изотопы рения. Это казалось тем более вероятным, что именно соединение рения вынесло из раствора неизвестную активность. А как выяснили еще супруги Ноддак, элемент №43 должен быть похож на рений больше, чем на марганец или любой другой элемент. Отделить неизвестную активность от рения - значило найти новый элемент, потому что все другие «кандидаты» уже были отвергнуты.

Эмилио Сегре и его ближайший помощник Карло Перье смогли это сделать. Они установили, что в солянокислых растворах (0,4...5-нормальных) носитель неизвестной активности выпадает в осадок, когда через раствор пропускают сероводород. Но одновременно выпадает и рений. Если же осаждение вести из более концентрированного раствора (10-нормального), то рений выпадает в осадок полностью, а элемент, несущий неизвестную активность, лишь частично.

Напоследок, для контроля, Перье поставил опыты по отделению носителя неизвестной активности от рутения и марганца. И тогда стало ясно, что бета-частицы могут излучаться лишь ядрами нового элемента.

ь Новый элемент назвали технецием - от греческого фензьу, что значит «искусственный», имея в виду открытие элемента путём синтеза.

Эти опыты были закончены в июне 1937 г. Так был воссоздан первый из химических «динозавров» - элементов, некогда существовавших в природе, но полностью «вымерших» в результате радиоактивного распада.

Отметим, что позже удалось обнаружить в земле некоторые количества технеция, образовавшегося в результате спонтанного деления урана. То же, кстати, произошло с нептунием и плутонием: сначала элемент получили искусственно, а уже потом, изучив его, сумели найти в природе.

Здесь необходимо сделать вывод. Выше нами был представлен подробный ход работы по искусственному получению учёными долгожданного элемента № 43. Но теперь можно подвести итог в двух словах:

1) кусок облученного в циклотроне молибдена обладал сильной радиоактивностью.

2) Эмилио Сегре и Карло Перье нашли, что эту радиоактивность нельзя приписать ни самому молибдену, ни возможным примесям ниобия и циркония в куске. А вот при работе с рением такая радиоактивность наблюдается.

3.6 Строение атома технеция

Прежде чем дать характеристику атома элемента № 43 и последующих, вспомним несколько простых истин, чтобы наметить некоторый план:

Ш Число электронов, движущихся вокруг ядра атома, равно заряду ядра, который, в свою очередь, равен порядковому номеру элемена в таблице Менделеева.

Ш Общее число протонов и нейтронов в ядре - массовое число атома. Если известны массовое число атома A и его прядковый номер (число протонов равно числу электронов) Z, то можно найти число нейтронов N:

N= A - Z.

Ш Помимо числа электронов, протонов и нейтронов, надо сказать о строении электронных оболочек атома. Электроны в атоме обладают различным запасом энергии, они распределены по энергетическим уровням. Число заполненных электронами энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится химический элемент.

Ш Электроны в атоме, двигаясь вокруг ядра, образуют так называемое электронное облако. Область пространства, где наиболее вероятно нахождение электрона, называют атомной орбиталью. На каждом энергетическом уровне имеются орбитали. Строение электронных оболочек может быть изображено с помощью электронной конфигурации атома, которую нам вскоре предстоит составить для технеция и других элементов.

3.7 Число электронов, протонов, нейтронов в атоме технеция. Заряд ядра

В предыдущем подпункте мы выяснили, о чём вообще нужно говорить, характеризуя строение атома химического элемента. Теперь разберёмся, непосредственно, в атоме технеция:

1) Число электронов - з, порядковый номер элемента технеция в таблице Менделеева - 43.

Отсюда заряд ядра +43, а вокруг ядра атома технеция размещаются 43 электрона с общим отрицательным зарядом - 43.

2) Найдём число нейтронов: N= A - Z. Массовое число атома - 98, число протонов, p - 43.

N= 98 - 43=55.

Число нейтронов - n - 55.



3.8 Количество энергетических уровней. Электронная конфигурация атома технеция

Элемент технеций, Te, находится в 5-м периоде таблицы Менделлеева, о чём мы раньше говорили. Следовательно, количество энергетических уровней - 5. Теперь следует сказать о следующем:

1) Нами не была упомянута важная вещь - а именно то, что на первом энергетическом уровне может находиться 2 электрона; на втором -8; на третьем - 18 и т. д…

2) На каждом энергетическом уровне (кроме первого) имеется несколько орбиталей, отличающихся по форме и энергии. Число орбиталей каждого вида различно: s-орбиталь - одна, p-орбиталей - три, d-орбиталей - пять, f-орбиталей - семь.

3) На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

Приведём строение первых трёх энергетических уровней, указав максимально возможное число электронов на орбиталях:

1-й уровень: s-орбиталь; 2з.

2-й уровень: 1 s-орбиталь + 3 p-орбитали; 2з + 6з = 8з;

3-й уровень: 1 s-орбиталь + 3 p-орбитали + 5 d-орбитали; 2з + 6з + 10з = 18з;

Представим электронную формулу или электронную конфигурацию атома технеция, показывающую распределение электронов по подуровням:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s2.

Как видим, в данном случае количество электронов на уровнях - на первых трёх 2, 8, 18 соответственно, а на четвёртом и пятом - 13 и 2.



Далее проиллюстрируем строение атома на рисунке 7:

Итак, как обычно, полагается подвести итоги:

1) Число электронов в атоме технеция - 43. Число протонов равно числу электронов - 43, а также заряду ядра - + 43. Число нейтронов - 55.

2) Количество энергетических уровней равно номеру периода - 5.

3.9 «Технеций - откуда он берётся...?»

Следы технеция были обнаружены в урановой руде (рисунок 8). Поскольку период полураспада наиболее долгоживущего изотопа технеция - 97Tc составляет 2,6 млн. лет, что существенно меньше времени жизни Земли, то первичного технеция на нашей планете не осталось. Однако, технеций и раньше, и сейчас непрерывно образуется на Земле в результате ядерных реакций.



3.9.1 Нахождение в природе

В 1956 предположили, что в земной коре присутствует технеций вторичного происхождения, образующийся при активации молибдена, ниобия и рутения жестким космическим излучением. Кроме того, технеций - продукт спонтанного деления урана (изотопы 238U и 235U), достаточно широко представленного в минералах. В 1961 Курода, переработав пять килограммов урановой руды (урановая смолка из Конго), смог убедительно доказать присутствие в ней технеция в количестве 10-9 г/кг руды. Следы технеция обнаружены и в других урановых минералах. Естественный ядерный реактор в Окло, Африка, за время своей работы произвел существенное количество 99Тс, который потом распался в 99Ru (рутений).

Технеций встречается в рудах урана, но в весьма незначительных количествах.

В 1951 американский астроном Шарлотта Мур предположила присутствие технеция в небесных телах. Спустя год английский астрофизик Р. Мерилл при изучении спектров космических объектов обнаружил технеций в некоторых звездах из созвездий Андромеды и Кита. Его открытие в дальнейшем было подтверждено независимыми исследованиями, причем количество технеция на некоторых звездах мало отличается от содержания стабильных элементов: циркония, ниобия, молибдена и рутения - соседей технеция по Периодической таблице. Для объяснения этого факта предположили, что технеций образуется в звездах и в настоящее время в результате ядерных реакций. Это наблюдение опровергло все многочисленные теории дозвездного образования элементов и доказало, что звезды (по крайней мере те, что относятся к типу «красных гигантов», типа S, M и N, заканчивающих своё существование) являются современными «заводами» по производству химических элементов, причём тяжёлых элементов. Точный механизм синтеза технеция не известен, но, видимо звёзды формировались нейтронным захватом в s-процессе.

Обратим внимание определение любопытного явления:

ь s-Процесс или медленный процесс захвата нейтронов -- это процесс образования более тяжёлых ядер из более лёгких путём последовательного захвата нейтронов. Характерное время протекания s-процессов много больше периода в-распада, поэтому в них включаются либо стабильные ядра, либо в?радиоактивные ядра, имеющие большие периоды полураспада. Исходным элементом в s-процессе служит изотоп железа 56Fe.

3.10 Способ синтеза технеция

Итак, сейчас технеций получают из осколков деления урана-235 в ядерных реакторах. Но обратим внимание на то, что выделить его из массы осколков непросто. На килограмм осколков приходится около 10 г элемента №43. В основном это изотоп технеций-99, период полураспада которого равен 212 тыс. лет.

Благодаря накоплению технеция в реакторах удалось определить свойства этого элемента, получить его в чистом виде, исследовать довольно многие его соединения. В них технеций проявляет валентность 2+, 3+ и 7+.

Так же, как и рений, технеций - металл тяжелый (плотность 11,5 г/см3), тугоплавкий (температура плавления 2140°C), химически стойкий.

3.11 Чем полезен технеций?

1) Ущерб, наносимый человечеству коррозией, огромен… Обратим внимание на определение:

ь Коррозия (от лат. corrosio -- разъедание) -- это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

В среднем каждая десятая доменная печь работает на «покрытие расходов» от коррозии. Есть вещества-ингибиторы, замедляющие коррозию металлов. Самыми лучшими ингибиторами оказались пертехнаты - соли технециевой кислоты HTcO4. Добавка одной десятитысячной моля HTcO4- предотвращает коррозию железа и малоуглеродистой стали - важнейшего конструкционного материала.

Однако широкому применению пертехнатов препятствуют два обстоятельства:

Ш радиоактивность технеция и

Ш высокая стоимость.

Это особенно досадно потому, что аналогичные соединения рения и марганца не предотвращают коррозии.

2) У элемента №43 есть еще одно уникальное свойство. Температура, при которой этот металл становится сверхпроводником (11,2°К), выше, чем у любого другого чистого металла. Правда, эта цифра получена на образцах не очень высокой чистоты - всего 99,9%. Тем не менее есть основания полагать, что сплавы технеция с другими металлами окажутся идеальными сверхпроводниками. (Обратим внимание, что как правило, температура перехода в состояние сверхпроводимости у сплавов выше, чем у чистых металлов.)

3) Пусть не так утилитарно, но полезную службу сослужил технеций и астрономам. Его, как было сказано выше (да не осудит нас читающий за повторение), обнаружили спектральными методами на некоторых звездах, например на звезде R созвездия Андромеды. Мы хотели бы только ещё добавить, что судя по этим спектрам, элемент №43 распространен там не меньше, чем цирконий, ниобий, молибден, рутений. Это значит, что синтез элементов во Вселенной продолжается и сейчас.

4) Технеций в форме пертехната Na99mTcO4 применяют в медицине. 99mTc в форме различных радиофармпрепаратов используют для:

Ш визуализации внутренних органов

Ш изучения функционального состояния щитовидной железы

Ш сканирования щитовидной железы, слюнных желёз, сердца и крупных сосудов, скелета, опухолей головного мозга и некоторых других органов методами сцинтиграфии.

ь Сцинтиграфия - способ визуализации, заключающийся во введении в организм радиоактивных изотопов и получении изображения путем определения испускаемого ими излучения.

Несмотря на то что технеций - один из самых редких и дорогих металлов (намного дороже золота), он уже принес практическую пользу.

3.12 Чем может быть опасен элемент № 43

Ещё в начале работы мы упоминали об опасности для живых организмов при повышенной радиации о том, что наряду с теми полезными свойствами радиоактивных элементов, которые человек применяет в науке и технике, радиоактивные элементы могут также представлять и опасность для самого человека (немудрено, ведь они же - радиоактивны.) Любое полезное применение радиации должно быть безопасным…

3.13 Технеций-99

Не зря мы решили посвятить изотопу технеций-99 отдельный подпункт. Об этом изотопе мы уже сказали раньше, что он присутствует в осколках деления урана-235. Наша заинтересованность этим изотопом технеция связана с тем, что он имеет наиболее широкое применение среди изотопов тнехнеция (в медицинской диагностике, при исследовании центральной и периферической гемодинамики и др.) и необходимо задуматься и о вреде, который может нанести этот изотоп.

Что из себя представляет изотоп "Технеций -99" и насколько вредно это вещество?

Сам по себе технеций-99 (Technetiwn-99) - изотоп радиоактивного элемента технеция. Это вещество используется в качестве индикатора для рентгенологических исследований.

Само по себе первоначальное излучение может быть весьма опасным для здоровья человека, взаимодействие с ним может иметь губительные последствия. Все зависит от количества вещества и времени, проведенном человеком в зараженном помещении. Период его полураспада составляет всего 6 часов, степень опасности снижается, однако не теряет своего вредного влияния: остается бета-излучение. Оно, в свою очередь, опасно в том случае, если частицы попадут внутрь организма, например, вместе с пищей или водой, подверженной излучению. Бета-лучи не могут проникнуть сквозь одежду (об этом в ходе работы мы сказали), но обувь и одежда, подвергшиеся действию этих частиц, должны быть уничтожены.

3.14 Опасность технеция и других его изотопов вообще

С химической точки зрения технеций и его соединения не токсичны. Опасность Тс - радиотоксичность. Радиологическая токсичность конкретного изотопа технеция (на единицу массы) зависит от вида молекулы, в которую он входит, типа радиации и периода полураспада. Технеций при введении в организм попадает почти во все органы, но в основном задерживается в желудке и щитовидной железе. Поражение органов вызывается в-излучением с дозой до 0,1 р/(часЧмг).

При инъекции технеций попадает почти во все ткани организма и задерживается желудком, кровью, слюной и особенно щитовидной железой (до 12-24%). Концентрирование долгоживущего технеция в организме является крайне опасным, так как может привести к поражениям тканей в-излучением. Хотя удельная активность технеция невелика и составляет 17 мкюри/г, сухие препараты этого элемента дают дозу облучения на их поверхности 0,1 р/часЧмг, что представляет большую радиационную опасность. Следует учитывать также летучесть многих соединений технеция, некоторые из которых ранее мы упоминали (Тс2О7, НТсО4, хлоридов технеция и т. д.).