Радиоактивные металлы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиоактивные металлы

Радиоактивные металлы

Впервые радиоактивный металл радий был открыт французским физиком Пьером Кюри (1859-1906) в 1898 году. Ученый носил пробирку со своим «открытием» в нагрудном кармане, получил роковую дозу облучения и рано умер. За свое открытие вместе с женой Марией Склодовской-Кюри (1867-1934) и ученым Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908) Пьер Кюри получил Нобелевскую премию. Это было в 1903 году.

Итак, что такое радиоактивные металлы, к которым принадлежат уран, радий, торий и нептуний? Это такие металлы, которые обладают способностью превращаться в другие химические элементы, испуская при этом различные частиц t Ученые называют их гамма-квантами.

Невероятную силу радиоактивных элементов люди узнали после взрывов ядерных бомб в японских городах Хиросима и Нагасаки в 1945 году. За считанные минуты было убито и ранено более 200 тысяч человек.

Итальянский городок Орвието однажды облетела сенсационная весть: местные специалисты обнаружили, что внутри католического собора, который был построен в XIII-XIV веках, радиоактивность повышена в 15 раз по сравнению с естественной. «Что такое? Почему? - заволновались жители Орвието. - Куда же нам теперь ходить молиться?» «Все в тот же собор, - ответили ученые. - Ничего страшного с вами не случится, вы же находитесь в соборе не круглые сутки, а довольно короткое время, пока длится служба. Во всем же виноват мрамор, из которого построили в свое время собор. Он содержит много радиоактивных элементов: урана, тория и других...»

Уран - металл с удивительными свойствами, ключ к раскрытию тайн атомной энергии. Это естественный источник радиоактивного излучения, которое широко используется в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.

Внешне слитки чистого урана очень напоминают слитки серебра или стали. Но уран очень тяжелый металл, один из самых тяжелых химических элементов в природе. Один кубический сантиметр урана весит 19 граммов.

Отличительные свойства урана таковы. Во-первых, это радиоактивный металл, а значит, в нем постоянно протекают определенные структурные изменения, сопровождающиеся выделением энергии в виде радиоактивного излучения. Некоторые атомы урана подвержены процессу распада, то есть атомы могут расщепляться на две части, высвобождая огромное количество энергии. Процесс распада атомов урана лежит в основе работы ядерных электростанций, ядерного оружия.

Во-вторых, уран - химически активный элемент. Он вступает в реакцию со многими химическими элементами. Если уран соприкасается с воздухом, то на его поверхности быстро образуется черная пленка. Она состоит из соединений урана и кислорода.

В небольших количествах уран достаточно часто встречается в природе, но не в чистом виде. Процесс получения чистого урана из урановой руды длительный и трудоемкий. Из тонны переработанной руды получают всего лишь несколько граммов урана. Сначала урановую руду дробят, просеивают и обрабатывают различными химическими вещества--ми, для того чтобы очистить ее от посторонних примесей. Затем руду в несколько этапов очищают до получения желтой, похожей на пластилин массы.

В одном килограмме урана потенциально заложено столько же энергии, сколько в трех миллионах килограммов угля. В ядерных реакторах в результате цепной реакции распада атомов урана выделяется огромное количество энергии, которая приводит в движение турбины - основные звенья в электрических генераторах.

Большая часть запасов урана США сосредоточена в грубо- и тонкозернистых карнотитовых песчаниках с настураном, разработка которых ведется в штатах Аризона, Колорадо, Нью-Мексико, Техас, Юта, Вашингтон и Вайоминг. В Юте имеется крупное месторождение урановой смолки (Мэрисвейл). В США в 1995 общий объем добычи урана составлял 2360 т (в 1980 - 20 тыс. т). Почти 22% электроэнергии в США вырабатывается атомными электростанциями, на которых действуют 110 ядерных реакторов, что гораздо выше соответствующих показателей в других странах. К примеру, в СССР в 1987 имелось 56 действующих реакторов и 28 - на стадии проектирования. Ведущее место в мире по уровню потребления атомной энергии занимает Франция, где АЭС вырабатывают ок. 76% электроэнергии (1995).

Наибольшими разведанными запасами урана (1995) обладают Австралия (ок. 466 тыс. т, более 20% мировых запасов), Казахстан (18%), Канада (12%), Узбекистан (7,5%), Бразилия и Нигер (по 7%), ЮАР (6,5%), США (5%), Намибия (3%), Украина (3%), Индия (ок. 2%). Крупное месторождение уранита Шинколобве находится в Демократической Республике Конго. Значительными запасами располагают также Китай (провинции Гуандун и Цзянси), Германия и Чехия.

После недавнего открытия богатых урановых месторождений в Канаде эта страна по запасам уранита заняла первое место в мире. В России промышленные запасы урана сосредоточены в основном в пределах Стрельцовской кальдеры в Восточном Забайкалье. Недавно разведано крупное месторождение в Бурятии.

Торий применяется для легирования сплавов и является потенциальным источником получения ядерного топлива - легкого изотопа урана-233. Единственный источник тория - желтые полупрозрачные зерна монацита (фосфата церия), содержащие до 10% тория и встречающиеся в прибрежно-морских и аллювиальных отложениях. Россыпные месторождения монацита известны в Австралии, Индии и Малайзии. "Черные" пески, насыщенные монацитом в ассоциации с рутилом, ильменитом и цирконом, распространены на восточном и западном (более 75% добычи) побережьях Австралии. В Индии месторождения монацита сосредоточены вдоль юго-западного побережья (Траванкор). В Малайзии монацит добывают из аллювиальных оловоносных россыпей. США располагают небольшими запасами тория в прибрежно-морских россыпях монацита во Флориде.

Радиоактивный элемент -- химический элемент, все изотопы которого радиоактивны. На практике этим термином часто называют всякий элемент, в природной смеси которого присутствует хотя бы один радиоактивный изотоп, то есть если элемент проявляет радиоактивность в природе. Кроме того, радиоактивными оказываются все изотопы любого из синтезированных на сегодняшний день искусственных элементов.

Основные сведения

Радиоактивными элементами в строгом смысле являются все элементы, идущие в таблице Менделеева после свинца (включая висмут), а также элементы технеций и прометий. Следующие элементы содержат в природных смесях хотя бы один радиоактивный изотоп: калий, кальций, ванадий, германий селен, рубидий, цирконий, молибден, кадмий, индий, теллур, лантан, неодим, самарий, гадолиний, лютеций, гафний, вольфрам, рений, осмий, платина, висмут, торий, уран (в список не включены дочерние элементы из рядов урана итория, такие как радий, радон и астат, а также образующиеся в атмосфере под действием космических лучей, такие как углерод-14).

Все элементы, идущие за ураном, называются трансурановыми элементами. Есть предположения, что некоторые далёкие трансурановые элементы могут быть не радиоактивными или, во всяком случае, иметь достаточно долгоживущие изотопы, чтобы присутствовать в природе.

Многие радиоактивные элементы имеют важное практическое значение. Уран и плутоний используют как делящийся материал в атомных реакторах и в ядерном оружии. Некоторые радиоактивные элементы применяют для изготовления атомных электрических батареек со сроком непрерывной работы до нескольких лет. Долгоживущие изотопы природных радиоактивных элементов используются в геохронологии.

Радиоактимвный распамд (от лат. Radius «луч» и activus «действенный») -- спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов[1]. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактимвностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность -- самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность -- самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующиеядерные реакции.

Энергетические спектры ?-частиц и ?-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр ?-частиц -- непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или -распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

История радиоактивности началась с того, как в 1896 году А. Беккерель занимался люминесценцией и исследованием рентгеновских лучей.

Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он случайно взял одну из солей урана, фосфоресцирующего желто-зеленым светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в темном шкафу на фотопластинку, тоже завернутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом. В конце февраля 1896 г. на заседании Французской Академии наук он сделал сообщение о рентгеновском излучении фосфоресцирующих веществ.

Через некоторое время в лаборатории Беккереля была случайно проявлена не облученная Солнцем пластинка, на которой лежала урановая соль. Она, естественно, не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился! Тогда Беккерель стал испытывать разные соли урана (в том числе годами лежащие в темноте). Пластинка неизменно засвечивается. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, не являющиеся рентгеновскими.

Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу -- урану.

Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.

Они устанавливают, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же возвращается к интересующим его люминофорам. Правда, ему суждено сделать ещё одно крупное открытие в атомной физике. Как-то для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри, и пробирку положил в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул владельцам радиоактивный препарат, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказывает об этом Пьеру Кюри, тот ставит на себе опыт: в течение десяти часов носит привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже наблюдается покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.

Но и после этого супруги Кюри мужественно делали свое дело. Достаточно сказать, что Мария Кюри умерла от лучевой болезни.

В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают благодаря радиоактивному загрязнению, внесенному при их заполнении. На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.

Виды лучей радиоактивного распада

Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

- лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали ?-лучами;

- лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали ?-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);

- лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали ?-излучением.

Альфа-распад

Основная статья: ?-распад

?-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и ?-частицу (ядро атома 4He).

?-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А?140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные ?-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся ?-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно ?-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для ?-распада:

.

Пример:

.

В результате ?-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

Основная статья: ?-распад

Беккерель доказал, что ?-лучи являются потоком электронов. ?-распад -- это проявление слабого взаимодействия.

?-распад (точнее, бета-минус-распад, -распад) -- это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

?-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для -распада:

Пример:

радиоактивность уран атомный энергетика

После -распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускает позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом -- электронным захватом (когда ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу). Однако обратное неверно: многие нуклиды, для которых позитронный распад запрещён, испытывают электронный захват.

Наиболее редким из известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для десяти нуклидов, и периоды полураспадов превышают 1019 лет. Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра.

Гамма-распад (изомерный переход)

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра 1H, 2H, 3H и 3He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

Размещено на Allbest.ru