До конца XIX века все химические элементы казались постоянными и неделимыми. Не возникало вопроса о том, как можно преобразовать неизменяемые элементы. Но открытие радиоактивности перевернуло известный нам мир и проложило путь к открытию новых веществ.
Открытие радиоактивности
Честь открытия превращения элементов принадлежит французскому физику Антуану Беккерелю. Для одного химического опыта ему понадобились кристаллы сульфата уранил-калия. Он завернул вещество в черную бумагу и положил пакет возле фотопластинки. После проявления пленки ученый увидел на снимке очертания кристаллов уранила. Несмотря на плотный слой бумаги, они были хорошо различимы. Беккерель несколько раз повторял этот опыт, но результат оказывался тем же: очертания кристаллов, содержащих уран, четко просвечивались на фотографических пластинках.
Результаты открытия Беккерель обнародовал на очередном совещании, которое проводила Парижская академия наук. Его доклад начинался словами о «невидимой радиации». Так он описывал результаты своих экспериментов. После этого в обиход физиков и вошло понятие радиации.
Опыты Кюри
Результаты наблюдений Беккереля заинтересовали французских ученых Марию и Поля Кюри. Они справедливо посчитали, что радиоактивными свойствами мог обладать не только уран. Исследователи заметили, что остатки руды, из которых добывается это вещество, все еще обладают высокой радиоактивностью. Поиски элементов, отличающихся от исходных, привели к открытию вещества со свойствами, аналогичными урану. Новый радиоактивный элемент получил наименование полоний. Такое название Мария Кюри дала веществу в честь своей родины - Польши. Вслед за этим был открыт радий. Радиоактивный элемент оказался продуктом распада чистого урана. После этого в химии началась эра новых, ранее не встречающихся в природе химических веществ.
Элементы
Большая часть известных на сегодняшний день ядер химических элементов нестабильна. Со временем такие соединения самопроизвольно распадаются на иные элементы и различные мельчайшие частицы. Более тяжелый элемент-родитель в сообществе физиков получил название исходного материала. Продукты, образующиеся при разложении вещества, именуются дочерними элементами или продуктами распада. Сам процесс сопровождается выбросом различных радиоактивных частиц.
Изотопы
Нестабильность химических элементов можно объяснить существованием различных изотопов одного и того же вещества. Изотопы - это разновидности некоторых элементов периодической системы с одинаковыми свойствами, но с разным числом нейтронов в ядре. Очень многие рядовые химические вещества имеют хотя бы один изотоп. То, что эти элементы широко распространены и хорошо изучены, подтверждает, что они находятся в стабильном состоянии сколь угодно долго. Но каждый из этих «долгоживущих» элементов содержит изотопы. Ядра их ученые получают в процессе проводимых в лабораторных условиях реакций. Искусственный радиоактивный элемент, получаемый синтетическим путем, в стабильном состоянии долго существовать не может и со временем распадается. Процесс этот может идти тремя путями. По названию элементарных частиц, которые являются побочными продуктами термоядерной реакции, все три вида распада получили свои имена.
Альфа-распад
Радиоактивный химический элемент может преобразоваться по первой схеме распада. В этом случае из ядра вылетает альфа-частица, энергия которой достигает 6 млн эВ. При детальном изучении результатов реакции было установлено, что эта частица представляет собой атом гелия. Она уносит из ядра два протона, поэтому получившийся радиоактивный элемент будет иметь в периодической системе атомный номер на две позиции ниже, чем у вещества-родителя.
Бета-распад
Реакция бета-распада сопровождается излучением одного электрона из ядра. Появление этой частицы в атоме связано с распадом нейрона на электрон, протон и нейтрино. Поскольку электрон покидает ядро, радиоактивный химический элемент увеличивает свой атомный номер на одну единицу и становится тяжелее своего родителя.
Гамма-распад
При гамма-распаде ядро выделяет пучок фотонов с различной энергией. Эти лучи и принято называть гамма-излучением. При этом процессе радиоактивный элемент не видоизменяется. Он просто теряет свою энергию.
Сама по себе нестабильность, которой обладает тот или иной радиоактивный элемент, совершенно не означает, что при наличии некоторого количества изотопов наше вещество вдруг исчезнет, выделив при этом колоссальную энергию. В реальности распад ядра напоминает приготовление попкорна - хаотичное движение зерен кукурузы на сковородке, причем совершенно неизвестно, какое из них раскроется первым. Закон реакции радиоактивного распада может гарантировать только то, что за определенный отрезок времени из ядра вылетит количество частиц, пропорциональное числу оставшихся в ядре нуклонов. На языке математики этот процесс может быть описан такой формулой:
Здесь на лицо пропорциональная зависимость числа нуклонов dN, покидающих ядро за период dt, от числа всех имеющихся в ядре нуклонов N. Коэффициент λ представляет собой константу радиоактивности распадающегося вещества.
Число нуклонов, оставшихся в ядре в момент времени t, описывается формулой:
N = N 0 e -λt ,
в которой N 0 - число нуклонов в ядре в начале наблюдения.
Например, радиоактивный элемент галоген с атомным номером 85 был открыт лишь в 1940 году. Период полураспада его довольно велик - 7,2 часа. Содержание радиоактивного галогена (астата) на всей планете не превышает одного грамма чистого вещества. Таким образом, за 3,1 часа количество его в природе должно, по идее, уменьшиться вдвое. Но постоянные процессы распада урана и тория дают начало новым и новым атомам астата, хотя и в очень маленьких дозах. Поэтому количество его в природе остается стабильным.
Период полураспада
Константа радиоактивности служит для того, чтобы с ее помощью можно было определить, насколько быстро распадется исследуемый элемент. Но для практических задач физики чаще используют величину, называемую периодом полураспада. Этот показатель сообщает, за какое время вещество потеряет ровно половину своих нуклонов. Для различных изотопов этот период варьируется от крохотных долей секунды до миллиардов лет.
Важно понимать, что время в этом уравнении не складывается, а умножается. Например, если за промежуток времени t вещество потеряло половину своих нуклонов, то за срок в 2t оно потеряет еще половину от оставшихся - то есть одну четвертую от первоначального количества нуклонов.
Возникновение радиоактивных элементов
Естественным образом радиоактивные вещества образуются в верхних слоях атмосферы Земли, в ионосфере. Под действием космического излучения газ на большой высоте претерпевает различные изменения, которые превращают стабильное вещество в радиоактивный элемент. Газ, наиболее распространенный в нашей атмосфере - N 2 , к примеру, из устойчивого изотопа азот-14 превращается в радиоактивный изотоп углерода-14.
В наше время гораздо чаще радиоактивный элемент возникает в цепи рукотворных реакций атомного деления. Так называют процессы, в которых ядро вещества-родителя распадается на два дочерних, а после - на четыре радиоактивных «внучатых» ядра. Классический пример - изотоп урана 238. Его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет. Практически столько же существует наша планета. После десяти этапов распада радиоактивный уран превращается в стабильный свинец 206. Искусственно полученный радиоактивный элемент по свои свойствам ничем не отличается от своего природного собрата.
Практическое значение радиоактивности
После Чернобыльской катастрофы многие всерьез заговорили о свертывании программ развития атомных электростанций. Но в бытовом плане радиоактивность приносит человечеству огромную пользу. Изучением возможностей ее практического применения занимается наука радиография. Например, радиоактивный фосфор вводится пациенту для получения полной картины костных переломов. Ядерная энергия служит также для выработки тепла и электроэнергии. Возможно, в дальнейшем нас ждут новые открытия и в этой удивительной области науки.
Радиация, радиоактивность и радиоизлучение - понятия, которые даже звучат достаточно опасно. В этой статье вы узнаете, почему некоторые вещества радиоактивные, и что это значит. Почему все так боятся радиации и насколько она опасна? Где мы можем встретить радиоактивные вещества и чем нам это грозит?
Понятие радиоактивности
Радиоактивностью называю «умение» атомов некоторых изотопов расщепляться и создавать этим излучения. Термин «радиоактивность» появился не сразу. Изначально такое излучение называли лучами Беккереля, в честь ученого, открывшего его в работе с изотопом урана. Уже теперь мы называем этот процесс термином «радиоактивное излучение».
В этом достаточно сложном процессе изначальный атом превращается в атом совсем другого химического элемента. За счет выбрасывания альфа- или бета-частиц, массовое число атома изменяется и, соответственно, это перемещает его по таблице Д. И. Менделеева. Стоит заметить, что массовое число изменяется, но сама масса остается практически такой же.
Опираясь на данную информацию, можем немного перефразировать определение понятия. Итак, радиоактивность - это также способность неустойчивых ядер атомов самостоятельно превращаться в другие, более стабильные и устойчивые ядра.
Вещества - что это такое?
Перед тем как говорить о том, что такое вещества радиоактивные, давайте вообще определим, что называется веществом. Итак, в первую очередь, это разновидность материи. Логичным есть и тот факт, что эта материя состоит из частиц, и в нашем случае это чаще всего электроны, протоны и нейтроны. Здесь уже можно говорить об атомах, которые состоят из протонов и нейтронов. Ну а из атомов получаются молекулы, ионы, кристаллы и так далее.
Понятие химического вещества основывается на этих же принципах. Если в материи невозможно выделить ядро, то ее нельзя причислить к химическим веществам.
О радиоактивных веществах
Как уже говорилось выше, чтобы проявлять радиоактивность, атом должен самопроизвольно распадаться и превращаться в атом совсем другого химического элемента. Если все атомы вещества нестабильны до такой степени, чтобы распасться таким образом, значит перед вами радиоактивное вещество. Более техническим языком определение прозвучало бы так: вещества радиоактивные, если они содержат радионуклиды, причем в высокой концентрации.
Где в таблице Д. И. Менделеева находятся радиоактивные вещества?
Довольно простой и легкий способ узнать, относиться ли вещество к радиоактивным, это посмотреть в таблицу Д. И. Менделеева. Все, что находится после элемента свинец - это радиоактивные элементы, а также еще прометий и технеций. Важно помнить, какие вещества радиоактивные, ведь это может спасти вам жизнь.
Существует также ряд элементов, которые имеют хотя бы один радиоактивный изотоп в своих природных смесях. Вот их неполный список, где указаны одни из самых распространенных элементов:
- Калий.
- Кальций.
- Ванадий.
- Германий.
- Селен.
- Рубидий.
- Цирконий.
- Молибден.
- Кадмий.
- Индий.
К радиоактивным веществам относятся те, которые содержат любые радиоактивные изотопы.
Виды радиоактивного излучения
Радиоактивное излучение бывает нескольких типов, о которых сейчас и пойдет речь. Уже упоминалось альфа- и бета-излучение, но это не весь список.
Альфа-излучение - это самое слабое излучение, которое представляет опасность в том случае, если частицы попадают непосредственно в тело человека. Такое излучение реализуется тяжелыми частицами, и именно поэтому легко останавливается даже листом бумаги. По этой же причини альфа-лучи не пролетают больше 5 см.
Бета-излучение более сильное, чем предыдущее. Это излучение электронами, которые намного легче альфа-частиц, поэтому могут проникать на несколько сантиметров в кожу человека.
Гамма-излучение реализуется фотонами, которые достаточно легко проникают еще дальше к внутренним органам человека.
Самое мощное по проникновению излучение - это нейтронное. От него спрятаться достаточно сложно, но в природе его, по сути, и не существует, разве что в непосредственной близости к ядерным реакторам.
Воздействие радиации на человека
Радиоактивно опасные вещества часто могут быть смертельными для человека. К тому же радиационное облучение имеет необратимый эффект. Если вы подверглись облучению, значит, вы обречены. В зависимости от масштабов повреждения, человек погибает в течение нескольких часов или на протяжении многих месяцев.
Вместе с этим нужно сказать, что люди непрерывно подвергаются радиоактивному излучению. Слава Богу, оно достаточно слабое, чтобы иметь летальный исход. Например, посмотрев футбольный матч по телевиденью, вы получаете 1 микрорад радиации. До 0,2 рад в год - это вообще естественный радиационный фон нашей планеты. 3 дар - ваша порция радиации при рентгене зубов. Ну а облучение свыше 100 рад уже является потенциально опасным.
Вредные радиоактивные вещества, примеры и предостережения
Самое опасное радиоактивное вещество - это Полоний-210. Из-за излучения вокруг него даже видно своеобразную светящуюся «ауру» голубого цвета. Стоит сказать о том, что существует стереотип, будто все радиоактивные вещества светятся. Это совсем не так, хотя и встречаются такие варианты, как Полоний-210. Большинство радиоактивных веществ внешне совсем не подозрительные.
Самым радиоактивным металлом на данный момент считают ливерморий. Его изотопу Ливерморию-293 достаточно 61 миллисекунды, чтобы распасться. Это выяснили еще в 2000 году. Немного уступает ему унунпентий. Время распада Унунпентия-289 составляет 87 миллисекунды.
Также интересный факт состоит в том, что одно и то же вещество может быть как безвредным (если его изотоп стабильный), так и радиоактивным (если ядра его изотопа вот-вот разрушатся).
Ученные, которые изучали радиоактивность
Вещества радиоактивные долгое время не считались опасными, и потому из свободно изучали. К сожалению, печальные смерти научили нас тому, что с такими веществами нужна осторожность и повышенный уровень безопасности.
Одним их первых, как уже упоминалось, был Антуан Беккерель. Это великий французский физик, которому и принадлежит слава первооткрывателя радиоактивности. За свои заслуги он удостоился членства в Лондонском королевском обществе. Из-за своего вклада и эту сферу он скончался достаточно молодым, в возрасте 55 лет. Но его труд помнят по сей день. В его честь были названа сама единица радиоактивности, а также кратеры на Луне и Марсе.
Не менее великим человеком была Мария Склодовская-Кюри, которая работала с радиоактивными веществами вместе со своим мужем Пьером Кюри. Мария также была француженкой, хоть и с польскими корнями. Кроме физики она занималась преподаванием и даже активной общественной деятельностью. Мария Кюри - первая женщина лауреат Нобелевской премии сразу в двух дисциплинах: физика и химия. Открытие таких радиоактивных элементов, как Радий и Полоний, - это заслуга Марии и Пьера Кюри.
Заключение
Как мы видим, радиоактивность - достаточно сложный процесс, который не всегда остается подконтрольным человеку. Это один из тех случаев, когда люди могут оказаться абсолютно бессильными перед лицом опасности. Именно поэтому важно помнить, что действительно опасные вещи могут быть внешне очень обманчивыми.
Узнать вещество радиоактивное или нет, чаще всего можно уже попав под его воздействие. Поэтому будьте осторожны и внимательны. Радиоактивные реакции во многом нам помогают, но также не стоит забывать, что это практически не подконтрольная нам сила.
К тому же стоит помнить вклад великих ученных в изучение радиоактивности. Они передали нам невероятно много полезных знаний, которые теперь спасают жизни, обеспечивают целые страны энергией и помогаю лечить страшные заболевания. Радиоактивные химические вещества - это опасность и благословение для человечества.
Уран, торий и некоторые другие элементы обладают свойством непрерывно и без каких-либо внешних воздействий (т. е. под влиянием внутренних причин) испускать невидимое излучение, которое подобно рентгеновскому излучению способно проникать сквозь непрозрачные экраны и оказывать фотографическое и ионизационное действия.
Свойство самопроизвольного испускания подобного излучения получило название радиоактивности. Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоактивными элементами, а испускаемое ими излучение - радиоактивным излучением. Радиоактивные свойства были впервые обнаружены в 1896 г. у урана французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908).
Открытие радиоактивности произошло вслед за открытием рентгеновского излучения. Испускание рентгеновского излучения впервые было замечено при бомбардировке стеклянных стенок разрядной трубки катодными лучами. Наиболее эффективным результатом такой бомбардировки является интенсивное зеленое свечение стекла, люминесценция (см. том II, § 102). Это обстоятельство навело на мысль, что рентгеновское излучение есть продукт люминесценции и сопровождает всякую люминесценцию, и сопровождает «осужденную светом.
Опытной проверкой этого предположения занялся Беккерель. Он возбуждал люминесцирующие вещества светом, а затем подносил их к обёрнутой в черную бумагу фотопластинке. Испускание проникающего излучения должно было бы обнаружиться по почернению фотопластинки после проявления. Из всех испытанных Беккерелем люминесцирующих веществ почернение пластики сквозь черную бумагу вызывала лишь соль урана. Но при этом оказалось, что образец, предварительно возбужденный сильным освоением, давал такое же почернение, как и невозбужденный образец. Отсюда следовало, что испускаемое урановой солью излучение не связано с люминесценцией, а испускается независимо от внешних воздействий. Этот вывод подтвердился опытами с нелюминесцирующими соединениями урана - они все давали проникающие излучение.
После открытия радиоактивности урана Беккерелем польский и французский физик Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), которая основные научные работы выполняла в сотрудничестве со своим мужем Пьером Кюри (1859-1906), исследовала большую часть известных элементов и многие их соединения с целью установить, не обладают ли какие-либо из них радиоактивными свойствами. В своих опытах М. Кюри использовала в качестве признака радиоактивности способность радиоактивных веществ ионизовать воздух. Этот признак гораздо более чувствителен, чем способность радиоактивных веществ действовать на фотопластинку. Ионизующее действие радиоактивного препарата легко обнаруживается с помощью опыта, изображенного на рис. 376 (ср. том II, § 92). Опыты М. Кюри привели к следующим результатам.
Рис. 376. Измерение ионизационного тока: 1
– корпус ионизационной камеры, 2 – электрод, отделенный от 1 изолирующей
пробкой 3,4 – изучаемый препарат, 5 – электрометр. Сопротивление 
. При достаточно
высоком напряжении батареи все ионы, образуемые в объеме камеры ионизующим
излучением, собираются на электроды, и через камеру точек ток, пропорциональный
ионизационному действию препарата. В отсутствие ионизующих агентов воздух в
камере является непроводником, и ток равен нулю
1. Радиоактивность обнаруживают не только уран, но и все его химические соединения. Кроме того, радиоактивные свойства были обнаружены еще у одного элемента - тория и у всех его химических соединений.
2. Радиоактивность препарата с любым химическим составом равна радиоактивности чистых урана или тория, взятых в количестве, в котором они содержатся в этом препарате.
Последний результат означает, что свойства молекулы, в состав которой входит радиоактивный элемент, не влияют на радиоактивность. Таким образом, радиоактивность представляет собой не молекулярное явление, а внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.
Помимо чистых элементов и их соединений, Кюри исследовала также различные природные минералы. Радиоактивность минералов оказалась обусловленной присутствием в них урана или тория. При этом, однако, некоторые минералы обнаружили неожиданно большую радиоактивность. Так, урановая смоляная руда давала в четыре раза большую ионизацию, чем содержащийся в ней уран.
Повышенную активность смоляной руды можно было объяснить только примесью неизвестного радиоактивного элемента в количестве настолько малом, что он ускользал от химического анализа. Несмотря на малое содержание, этот элемент испускал больше радиоактивного излучения, чем присутствующий в большом количестве уран. Следовательно, радиоактивность этого элемента должна быть во много раз сильнее радиоактивности урана.
Исходя из этих соображений, Пьер и Мария Кюри предприняли химическое выделение гипотетического элемента из урановой смоляной руды. Контролем успешности проводимых химических операций служила радиоактивность на единицу массы получаемого продукта, которая должна была расти по мере увеличения в нем содержания нового элемента. После нескольких лет напряженной работы действительно удалось получить несколько десятых долей грамма чистого элемента, радиоактивность которого более чем в миллион раз превосходила радиоактивность урана. Элемент этот получил название радий (т. е. лучистый).
По своим химическим свойствам радий относится к щелочно-земельным металлам. Атомная масса его оказалась равной 226. На основании химических свойств и атомной массы радий был помещен в дотоле пустовавшую клетку № 88 периодической системы Менделеева.
Радий является постоянным спутником урана в рудах, но содержится в ничтожных количествах - примерно радия на урана; ввиду этого добыча радия представляет собой весьма трудоемкий процесс. Радий - один из самых редких и дорогих металлов. Он ценится как концентрированный источник радиоактивных излучений.
Дальнейшие исследования Кюри и других ученых значительно расширили число известных радиоактивных элементов.
Все элементы с порядковым номером, превышающим 83, оказались радиоактивными. Они были найдены в виде небольших примесей к урану, радию и торию.
Таким же образом были найдены радиоактивные изотопы элементов таллия , свинца и висмута . Следует отметить, что радиоактивны только редкие изотопы этих элементов, примешанные к урану, радию и торию. Обычные таллий, свинец и висмут нерадиоактивны.
Помимо элементов, образующих коней периодической системы Менделеева, радиоактивными оказались также элементы: самарий, калий, рубидий. Радиоактивность этих элементов слаба и обнаруживается с трудом.
Все известные радиоактивные элементы следует разделить на 2 группы (таблица 2.1): естественные и искусственные (техногенные) .
Среди естественных радиоактивных элементов выделяются долгоживущие (U, Th, K-40, Rb-87 и др.), короткоживущие продукты распада долгоживущих изотопов (радий, радон и т.д.) и нуклиды, постоянно образующиеся в природной среде за счет ядерных реакций (C-14, H-3, Be-7 и др.).
Искусственные радионуклиды могут быть подразделены на:
- осколочные (продукт деления ядер урана-235 под воздействием тепловых нейтронов по схеме):
90 Sr, 134 Cs, 137 Cs, 140 La, 131 I, 129 I, 99 Tc, 106 Ru, 141 Ce
- трансурановые радиоактивные элементы
- продукты активации – за счет взаимодействия нейтронов, гамма - квантов и т.д. с веществом:
56 Fe, 22 Na, 60 Co, 65 Zn, 32 P
8 Предельно допустимые дозы облучения на организм человека. Каковы основные тенденции в изменении этих нормативов?
Предельно допустимая доза (ПДД) ионизирующего излучения - гигиенический норматив, регламентирующий наибольшее допустимое значение индивидуальной эквивалентной дозы во всем теле человека или в отдельных органах, которое не вызовет в состоянии здоровья лиц, работающих с источниками ионизированного излучения, неблагоприятных изменений. Применяется в области радиационной безопасности, устанавливается законодательно. В Российской Федерации законодательным документом являются "Нормы радиационной безопасности". ПДД зависит от облучения всего тела, тех или иных групп т. н. критических органов и составляет от 5 до 30 бэр (50-300 мЗв) в год.
По отношению к облучению население делится на 3 категории.
Категория А
облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.
Категория Б
облучаемых лиц или ограниченная часть населения - лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.
Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.
Устанавливается три группы критических органов:
1 группа - все тело, гонады и красный костный мозг.
2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.
3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.
Помимо основных дозовых пределов для оценки влияния излучения используют производные нормативы и контрольные уровни. Нормативы рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы). Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.
Предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания;
Допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС А;
Допустимая мощность дозы излучения ДМД А;
Допустимая плотность потока частиц ДПП А;
Допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК А;
Допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ А.
Предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения;
Допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК Б в атмосферном воздухе и воде;
Допустимая мощность дозы ДМД Б;
Допустимая плотность потока частиц ДПП Б;
Допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ Б.
Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в "Нормах радиационной безопасности".
Пределы допустимых экспозиционных доз с годами менялись, и в целом, по мере того, как увеличивающиеся знания о рисках заболевания раком в результате облучения указывали на то, что угроза, которую представляет облучение, -значительно больше, чем предполагалось ранее, наблюдалась тенденция к их понижению. Для того чтобы гарантировать, что персонал не подвергается вредному воздействию свыше нормы, необходимо должным образом контролировать наиболее важные пути этого воздействия. Необходимо также учитывать, что ионизирующее излучение оказывает воздействие на людей различными путями.
9 Трансурановые элементы – как радиационно-опасный фактор
Трансурановые радиоактивные элементы - химические элементы с атомным номером, больше чем у урана-92:
240 Pu, 239 Pu, 239 U, 239 Np, 247 Cm, 241 Am
Википедия:
Элементы с атомным номером более 100 называются трансфермиевыми элементами. Одиннадцать из известных трансурановых элементов (93-103) принадлежит к числу актиноидов. Трансурановые элементы с атомным номером более 103 называются трансактиноидами.
Все известные изотопы трансурановых элементов имеют период полураспада значительно меньший, чем возраст Земли. Поэтому трансурановые элементы практически отсутствуют в природе и получаются искусственно посредством различных ядерных реакций. Элементы до фермия включительно образуются в ядерных реакторах в результате захвата нейтронов и последующего бета-распада. Трансфермиевые элементы образуются только в результате слияния ядер.
Первый из трансурановых элементов нептуний Np (п. н. 93) был получен в 1940 г. бомбардировкой урана нейтронами. За ним последовало открытие плутония (Pu, п. н. 94), америция (Am, п. н. 95), кюрия (Cm, п.н. 96), берклия (Bk, п. н. 97), калифорния(Cf, п. н.98), эйнштейния (Es, п.н.99), фермия (Fm, п.н. 100), менделевия (Md, п. н. 101), нобелия (No, п. н. 102) и лоуренсия (Lr, п. н. 103). Получены также трансактиноиды с порядковыми номерами 104-118; в этом ряду имена присвоены элементам 104-112: резерфордий (Rf, 104), дубний (Db, 105), сиборгий (Sg, 106), борий (Bh, 107), хассий (Hs, 108), мейтнерий (Mt, 109), дармштадтий (Ds, 110), рентгений (Rg, 111), коперниций (Cn, 112). Элементы 113-118 пока имеют временные названия, производные от соответствующих латинских числительных: унунтрий (Uut, 113), унунквадий (Uuq, 114), унунпентий (Uup, 115), унунгексий (Uuh, 116), унунсептий (Uus, 117), унуноктий (Uuo, 118).
Химические свойства лёгких трансурановых актиноидов, получаемых в весовых количествах, изучены более или менее полно; трансфермиевые элементы (Md, No, Lr и так далее) изучены слабо в связи с трудностью получения и короткими временами жизни. Кристаллографические исследования, изучение спектров поглощения растворов солей, магнитных свойств ионов и других свойств показали, что элементы с п. н. 93-103 - аналоги лантаноидов. Из всех трансурановых элементов наибольшее применение нашёл нуклид плутония 239Pu как ядерное топливо.
Трансурановые элементы (ТУЭ).
все эти радионуклиды испытывают α-распад и все долгоживущие.
Трансурановые радионуклиды (элементы) образуются в результате последовательно повторяющихся актов захвата нейтронов (n,γ) и последующим β-распадом:
1. 235 U(n,γ) 236 U(n,γ) 237 U 237 Np(n,γ) 238 Np 238 Pu
2. 238 U(n,γ) 239 U 239 Np 239 Pu
3. 239 Pu(n,γ 240 Pu
4. 240 Pu(n,γ) 241 Pu 241 Am
5. 241 Pu(n,γ) 242 Pu
Здесь приведены только основные превращения, в результате которых образуются значимые для радиоэкологии радионуклиды.
С увеличением Z и A синтезируемого ядра его выход резко уменьшается. В отличие от ядерного взрыва, при котором синтез ТУЭ происходит за время 10 -6 ÷ 10 -8 с при очень высоком интегральном нейтронном потоке (до 10 23 ÷ 10 23 нн/см 2), в ядерном реакторе время синтеза может продолжаться в течение многих лет при меньшей интенсивности нейтронного потока. Наибольший выход имеет реакция 2. – выход 239 Np и 239 Pu при плотности потока нейтронов в реакторе 10 13 нн/см 2 с составляет 0,1 Ки/1 г U.
Реакция 238 U(n,γ) 239 U → 239 Np → 239 Pu может происходить и в природных условиях под действием нейтронов спонтанного деления U(s,f) и нейтронов из (α,n) реакции на уране, содержащемся в урановых рудах. Выход ядер 239 Pu в этом случае порядка (0,4 ÷ 15)·10 -12 относительно содержания ядер 238 U в рудах.
Трансурановые элементы наиболее интенсивно нарабатываются в ядерных реакторах (в том числе и энергетических) и являются одним из самых ценных продуктов переработки выгоревшего ядерного топлива. Кроме ЯТЦ и ЯВ источником выбросов ТУЭ явилась авария ЧАЭС.
Все трансурановые элементы химически очень активны. Характерная их особенность – способность образовывать соединения с водородом, азотом, кислородом, галогенами, а также комплексные соединения. Степени окисления их от 2 + до 7 + .
Валентность радионуклидов плутония от 2 + до 7 + (2 + наименее характерна). В большинстве случаев радионуклиды плутония образуют нерастворимые соединения. Окислы плутония PuO, Pu 2 O 3 ,PuO 2 и фазы переменного состава от Pu 2 O 3 до Pu 4 O 7 . В водных растворах образует ионы (от 3 + до 7 +), причем все ионы могут находиться в растворе одновременно (кроме 7 +). Они подвержены гидролизу (эта способность возрастает в ряду PuO Валентность 241 Am от 2 + до 7 + , причем наименее характерны 2 + и 7 + , а устойчивые 3 + , в твердом состоянии и в виде комплексов в растворе – 4 + . Окислы AmO, Am 2 O 3 , и AmO 2 . Образует нитридAmN, сульфид Am 2 S, а также металлоорганическое соединение Am(C 5 H 5) 3 . Америций образует растворимые соединения с галогенами (AmCl 2 , AmBr, AmJ 3). Образует комплексные соединения с минеральными и органическими кислотами. В отличие от плутония соединения америция обладают бóльшей растворимостью и, следовательно, бóльшей миграционной способностью. В степени окисления 3 + свойства ТУЭ подобны свойствам лантаноидов, но обладают более сильно выраженной способностью к комплексообразованию (она возрастает в ряду U В степени окисления 4 + образуют оксиды, фториды, устойчивы в водных растворах (U, Np, Pu), в водных растворах образуют комплексы. Соединения (гидрооксиды, фториды, иодиды, фосфаты, карбонаты) труднорастворимые. Сильные комплексообразователи (склонность возрастает от U к Am). В степени окисления 5 + существуют в виде диокислов MeO 2 + . Эта ионная форма определяет химические свойства – малую склонность к гидролизу и комплексообразованию. В степени окисления 6 + находятся в форме ионов MeO 2 2+ . Известно значительное число комплексных соединений. В степени окисления 7 + наиболее устойчив Pu. В твердом состоянии существует в виде ионов MeO 5 5- , MeO 5 3- , 4- и MeO 4 - , а в растворах – в гидратированной форме аниона MeO 5 3+ . В общем, закономерности миграции плутония и америция подобны. Поэтому достаточно рассмотреть особенность миграции радионуклидов плутония. Они определяются растворимостью соединений плутония в природных средах и, особенно, первоначальная химическая форма. При ядерных взрывах такой формой являются практически нерастворимые окислы и, в основном, отдельные атомы, которые с глобальными выпадениями поступают на земную поверхность и только здесь могут образовывать растворимые соединения. В выбросах ЯТЦ преобладают растворимые соединения плутония, а также его комплексные соединения с органическими лигандами. Особо сложным составом отличались выбросы при аварии ЧАЭС. Их можно разделить на 4 группы
: А
- механически выброшенные из активной зоны тонкодисперсные частицы топлива, близкие по радионуклидному составу к отработанному топливу; осели на земную поверхность в ближней зоне (R ≤ 60 – 70 км). Б
– мелкодисперсное топливо и другие продукты, умеренно обогащенные летучими радионуклидами; содержание радионуклидов плутония в ~ 2 раза больше ожидаемого; осели на земную поверхность в зоне R ≤ 100 км. В
– выбросы, сильно обогащенные летучими радионуклидами, в том числе плутонием; осели на земную поверхность в зоне R ≤ 150 км и далее. Г
– выбросы, обогащенные радионуклидами плутония до 200 раз, в том числе частично растворимые соединения плутония; осели на земную поверхность в дальней зоне. Различия в этих группах выбросов обусловлены главным образом различием температур в аварийном реакторе к моменту взрыва. Содержание кислорастворимых форм плутония возрастает от группы А и Б к группам В, Г в 4 – 15 раз и доходит до 55 ÷ 85%. В настоящее время основным резервуаром радионуклидов плутония и 241 Am являются поверхность почв и донные отложения (более 99% поступивших и поступающих от глобальных и чернобыльских выпадений и от выбросов предприятий ЯТЦ). В биологических объектах этих трансурановых элементов не более 1% (в основном в растениях, а в животных еще в 5 ÷ 10 4 раз меньше). Радионуклиды плутония находятся преимущественно в 4 + нерастворимой форме. Коэффициент диффузии в почве ~ 10 -9 см/с. Только около ~ 10% этих радионуклидов может быть в растворимой доступной для растений форме. Из растений наибольшую концентрацию радионуклидов плутония имеют низкорастущие растения (травы, мхи, лишайники). Это следствие того, что радионуклиды плутония перераспределяются на земной поверхности в основном за счет ветрового переноса и эрозии. Коэффициент накопления трансурановых элементов растениями очень низкий (10 -1 ÷ 10 -3). Изотопные отношения радионуклидов плутония, содержащихся в почве различных регионов, существенно различаются из-за различия источников их поступления (глобальный, от ЯТЦ, авария ЧАЭС). Так, отношение 240 Pu/ 239 Pu от ядерных взрывов – (0,05 ÷ 0,06); от глобальных выпадений - около 0,176; от выбросов ЯТЦ вместе с глобальными выпадениями – (0,049 ÷ 0,150), а от чернобыльских выпадений – (0,30 ÷ 0,35). Изотопные отношения для различных регионов варьируют в следующих пределах: Видно, что основным радионуклидом плутония в выбросах является 239 Pu. Очень малы выбросы 238 Pu и 242 Pu. Несмотря на относительно низкие выбросы 241 Pu, они играют особую роль, так как в результате распада этого радионуклида образуется долгоживущий 241 Am. Поэтому содержание 241 Am в окружающей среде непрерывно возрастает. Так, в период 1940 – 1990 гг. содержание 241 Am в атмосфере увеличилось в 2 раза. Абсолютное содержание радионуклидов плутония в почвах и атмосферных аэрозолях очень сильно варьирует, особенно в зависимости от расстояния от ЧАЭС. Так в атмосферных аэрозолях содержание плутония уменьшается в 10 4 раз при переходе от ближней к дальней зоне (в которой содержание плутония находится на уровне 19 Бк/л), плотность выпадений уменьшается в ~ 170 раз (до уровня 1,25·10 5 Бк/м 2), содержание на поверхности почвы уменьшается в ~ 370 раз (до уровня ~ 10 Бк/м 2). В целом по мере удаления от ЧАЭС уровень загрязнения приближается к фону глобального загрязнения – для земной поверхности (10 ÷ 60) Бк/м 2 . Средняя удельная активность радионуклидов плутония в почвах для европейской части России ~ 140 Бк/кг при фоне глобального загрязнения около 60 Бк/кг.