Kuni 19. sajandi lõpuni tundusid kõik keemilised elemendid püsivad ja jagamatud. Polnud kahtlust, kuidas muutumatuid elemente saab teisendada. Kuid radioaktiivsuse avastamine muutis meie teadaoleva maailma revolutsiooni ja sillutas teed uute ainete avastamisele.
Radioaktiivsuse avastamine
Elementide teisenemise avastamise au kuulub prantsuse füüsikule Antoine Becquerelile. Ühe keemilise katse jaoks vajas ta uranüül-kaaliumsulfaadi kristalle. Ta mähkis aine musta paberisse ja asetas paki fotoplaadi lähedusse. Pärast filmi ilmutamist nägi teadlane fotol uraanikristallide piirjooni. Vaatamata paksule paberikihile olid need selgelt eristatavad. Becquerel kordas seda katset mitu korda, kuid tulemus oli sama: uraani sisaldavate kristallide piirjooned olid fotoplaatidel selgelt näha.
Becquerel teatas avastuse tulemustest Pariisi Teaduste Akadeemia korralisel koosolekul. Tema aruanne algas sõnadega "nähtamatu kiirguse" kohta. Nii kirjeldas ta oma katsete tulemusi. Pärast seda hakati füüsikute seas kasutama kiirguse mõistet.
Curie katsed
Becquereli vaatluste tulemused huvitasid prantsuse teadlasi Marie ja Paul Curie. Nad uskusid õigustatult, et mitte ainult uraanil võib olla radioaktiivseid omadusi. Teadlased märkasid, et maagi jäänused, millest see aine ekstraheeritakse, on endiselt kõrge radioaktiivsusega. Algsetest erinevate elementide otsimine viis uraanile sarnaste omadustega aine avastamiseni. Uus radioaktiivne element sai nimeks poloonium. Selle nime andis ainele Marie Curie oma kodumaa - Poola auks. Pärast seda avastati raadium. Radioaktiivne element osutus puhta uraani lagunemissaaduseks. Pärast seda algas keemias uute keemiliste ainete ajastu, mida varem looduses ei leitud.
Elemendid
Enamik tänapäeval tuntud keemiliste elementide tuumadest on ebastabiilsed. Aja jooksul lagunevad sellised ühendid spontaanselt teisteks elementideks ja mitmesugusteks väikesteks osakesteks. Raskemat lähteelementi nimetatakse füüsikakogukonnas lähtematerjaliks. Aine lagunemisel tekkivaid saadusi nimetatakse tütarelementideks ehk lagunemissaadusteks. Protsessiga kaasneb erinevate radioaktiivsete osakeste eraldumine.
Isotoobid
Keemiliste elementide ebastabiilsus on seletatav sama aine erinevate isotoopide olemasoluga. Isotoobid on perioodilisuse tabeli mõne elemendi variandid, millel on samad omadused, kuid tuumas on erinev neutronite arv. Paljudel tavalistel keemilistel ainetel on vähemalt üks isotoop. Asjaolu, et need elemendid on laialt levinud ja hästi uuritud, kinnitab, et nad püsivad stabiilses olekus lõputult. Kuid kõik need "pikaealised" elemendid sisaldavad isotoope. Teadlased saavad oma tuumad laboritingimustes läbiviidud reaktsioonide kaudu. Sünteetiliselt toodetud kunstlik radioaktiivne element ei saa stabiilses olekus pikka aega eksisteerida ja aja jooksul laguneb. See protsess võib toimuda kolmel viisil. Kõik kolm lagunemistüüpi said oma nimed elementaarosakestest, mis on termotuumareaktsioonide kõrvalsaadused.
Alfa lagunemine
Radioaktiivset keemilist elementi saab teisendada vastavalt esimesele lagunemisskeemile. Sel juhul eraldub tuumast alfaosake, mille energia ulatub 6 miljoni eV-ni. Reaktsioonitulemuste üksikasjalik uurimine näitas, et see osake oli heeliumi aatom. See kannab tuumast ära kaks prootonit, nii et saadud radioaktiivse elemendi aatomnumber on perioodilisuse tabelis kaks positsiooni madalam kui lähteainel.
Beeta lagunemine
Beeta-lagunemisreaktsiooniga kaasneb ühe elektroni emissioon tuumast. Selle osakese ilmumine aatomisse on seotud neuroni lagunemisega elektroniks, prootoniks ja neutriinoks. Kui elektron tuumast lahkub, suurendab radioaktiivne keemiline element oma aatomarvu ühe võrra ja muutub raskemaks kui tema lähteaine.
Gamma lagunemine
Gamma lagunemise käigus eraldub tuum erineva energiaga footonikiire. Neid kiiri nimetatakse tavaliselt gammakiirguseks. Selle protsessi käigus radioaktiivset elementi ei muudeta. Ta lihtsalt kaotab oma energia.
Ebastabiilsus ise, mis konkreetsel radioaktiivsel elemendil on, ei tähenda sugugi seda, et teatud koguse isotoopide juuresolekul kaob meie aine ootamatult, vabastades kolossaalse energia. Tegelikkuses meenutab tuuma lagunemine popkorni valmistamist - maisiterade kaootilist liikumist pannil ja pole teada, kumb neist esimesena avaneb. Radioaktiivse lagunemisreaktsiooni seadus võib garanteerida vaid selle, et teatud aja jooksul lendab tuumast välja hulk osakesi, mis on võrdeline tuuma allesjäänud nukleonide arvuga. Matemaatilises keeles saab seda protsessi kirjeldada järgmise valemiga:
Siin on proportsionaalne sõltuvus tuumast perioodi dt väljuvate nukleonide dN arvul kõigi tuumas esinevate nukleonide arvust N. Koefitsient λ on laguneva aine radioaktiivsuse konstant.
Ajahetkel t tuumasse jäänud nukleonide arvu kirjeldatakse järgmise valemiga:
N = N 0 e -λt,
milles N 0 on nukleonite arv tuumas vaatluse alguses.
Näiteks radioaktiivne element halogeen aatomnumbriga 85 avastati alles 1940. aastal. Selle poolväärtusaeg on üsna pikk - 7,2 tundi. Radioaktiivse halogeeni (astatiini) sisaldus kogu planeedil ei ületa ühte grammi puhast ainet. Seega 3,1 tunniga peaks selle kogus looduses teoreetiliselt vähenema poole võrra. Kuid uraani ja tooriumi pidevad lagunemisprotsessid tekitavad uusi ja uusi astiini aatomeid, kuigi väga väikestes annustes. Seetõttu jääb selle kogus looduses stabiilseks.
Pool elu
Radioaktiivsuse konstanti kasutatakse uuritava elemendi lagunemise kiiruse määramiseks. Kuid praktiliste probleemide jaoks kasutavad füüsikud sagedamini kogust, mida nimetatakse poolestusajaks. See indikaator näitab, kui kaua kulub ainel täpselt poole oma nukleonitest kaotamiseks. Erinevate isotoopide puhul varieerub see periood väikestest sekundi murdosadest miljardite aastateni.
Oluline on mõista, et selles võrrandis aega ei liideta, vaid korrutatakse. Näiteks kui ajaperioodi t jooksul on aine kaotanud pooled oma nukleonidest, siis 2t jooksul kaotab ta veel pooled ülejäänud nukleonidest – see tähendab ühe neljandiku algsest nukleonide arvust.
Radioaktiivsete elementide tekkimine
Radioaktiivsed ained tekivad looduslikult Maa atmosfääri ülemistes kihtides, ionosfääris. Kosmilise kiirguse mõjul toimub suurel kõrgusel olev gaas mitmesuguseid muutusi, mis muudavad stabiilse aine radioaktiivseks elemendiks. Meie atmosfääris levinuim gaas on N2, näiteks stabiilsest isotoobist muutub lämmastik-14 radioaktiivseks isotoobiks süsinik-14.
Tänapäeval esineb radioaktiivne element palju sagedamini inimtegevusest tingitud aatomi lõhustumisreaktsioonide ahelas. See on protsesside nimetus, mille käigus lähteaine tuum laguneb kaheks tütartuumaks ja seejärel neljaks radioaktiivseks "lapselapse" tuumaks. Klassikaline näide on uraani isotoop 238. Selle poolestusaeg on 4,5 miljardit aastat. Meie planeet on eksisteerinud peaaegu sama kaua. Pärast kümmet lagunemisetappi muutub radioaktiivne uraan stabiilseks pliiks 206. Kunstlikult toodetud radioaktiivne element ei erine oma omaduste poolest oma looduslikust analoogist.
Radioaktiivsuse praktiline tähendus
Pärast Tšernobõli katastroofi hakkasid paljud tõsiselt rääkima tuumaelektrijaamade arendusprogrammide kärpimisest. Kuid igapäevaelus toob radioaktiivsus inimkonnale tohutult kasu. Radiograafiateadus uurib selle praktilise rakendamise võimalusi. Näiteks süstitakse patsiendile radioaktiivset fosforit, et saada täielik pilt luumurdudest. Tuumaenergiat kasutatakse ka soojuse ja elektri tootmiseks. Võib-olla leiame tulevikus selles hämmastavas teadusvaldkonnas uusi avastusi.
Kiirgus, radioaktiivsus ja raadioemissioon on mõisted, mis kõlavad isegi üsna ohtlikult. Sellest artiklist saate teada, miks mõned ained on radioaktiivsed ja mida see tähendab. Miks kõik kardavad kiirgust ja kui ohtlik see on? Kust leida radioaktiivseid aineid ja millega see meid ähvardab?
Radioaktiivsuse kontseptsioon
Radioaktiivsuse all pean silmas teatud isotoopide aatomite "võimet" lõhestada ja seeläbi kiirgust tekitada. Mõiste "radioaktiivsus" ei ilmunud kohe. Esialgu nimetati sellist kiirgust Becquereli kiirteks teadlase auks, kes avastas selle uraani isotoobiga töötades. Nüüd nimetame seda protsessi terminiks "radioaktiivne kiirgus".
Selle üsna keerulise protsessi käigus muudetakse algne aatom täiesti erineva keemilise elemendi aatomiks. Alfa- või beetaosakeste väljutamise tõttu muutub aatomi massiarv ja vastavalt sellele liigub see mööda D.I. Mendelejevi tabelit. Väärib märkimist, et massiarv muutub, kuid mass ise jääb peaaegu samaks.
Selle teabe põhjal saame mõiste definitsiooni veidi ümber sõnastada. Seega on radioaktiivsus ka ebastabiilsete aatomituumade võime iseseisvalt muutuda teisteks, stabiilsemateks ja stabiilsemateks tuumadeks.
Ained – mis need on?
Enne kui räägime sellest, mis on radioaktiivsed ained, defineerime üldiselt, mida nimetatakse aineks. Nii et esiteks on see teatud tüüpi aine. Samuti on loogiline, et see aine koosneb osakestest ja meie puhul on need enamasti elektronid, prootonid ja neutronid. Siin saab juba rääkida aatomitest, mis koosnevad prootonitest ja neutronitest. Noh, molekulid, ioonid, kristallid ja nii edasi on valmistatud aatomitest.
Keemilise aine mõiste põhineb samadel põhimõtetel. Kui tuuma ei ole võimalik ainest eraldada, siis ei saa seda liigitada keemiliseks aineks.
Radioaktiivsete ainete kohta
Nagu eespool mainitud, peab aatom radioaktiivsuse avaldamiseks spontaanselt lagunema ja muutuma täiesti erineva keemilise elemendi aatomiks. Kui kõik aine aatomid on piisavalt ebastabiilsed, et sel viisil laguneda, siis on teil radioaktiivne aine. Tehnilisemas keeles kõlaks määratlus nii: ained on radioaktiivsed, kui need sisaldavad radionukliide ja seda suures kontsentratsioonis.
Kus on D.I. Mendelejevi tabelis radioaktiivsed ained?
Üsna lihtne ja lihtne viis teada saada, kas aine on radioaktiivne, on vaadata D.I. Mendelejevi tabelit. Kõik, mis tuleb pärast pliielementi, on radioaktiivsed elemendid, samuti promeetium ja tehneetsium. Oluline on meeles pidada, millised ained on radioaktiivsed, sest see võib päästa teie elu.
Samuti on mitmeid elemente, mille looduslikes segudes on vähemalt üks radioaktiivne isotoop. Siin on nende osaline loend, mis näitab mõningaid levinumaid elemente:
- Kaalium.
- Kaltsium.
- Vanaadium.
- Germaanium.
- Seleen.
- Rubiidium.
- Tsirkoonium.
- Molübdeen.
- Kaadmium.
- Indium.
Radioaktiivsete ainete hulka kuuluvad need, mis sisaldavad mis tahes radioaktiivseid isotoope.
Radioaktiivse kiirguse tüübid
Radioaktiivset kiirgust on mitut tüüpi, mida arutatakse nüüd. Alfa- ja beetakiirgust on juba mainitud, kuid see pole kogu nimekiri.
Alfakiirgus on kõige nõrgem kiirgus ja on ohtlik, kui osakesed satuvad otse inimkehasse. Sellist kiirgust tekitavad rasked osakesed ja seetõttu peatab selle kergesti isegi paberileht. Samal põhjusel ei liigu alfakiired kaugemale kui 5 cm.
Beetakiirgus on tugevam kui eelmine. See on elektronide kiirgus, mis on palju kergem kui alfaosakesed, mistõttu võivad nad tungida mitme sentimeetri kaugusele inimese nahka.
Gammakiirgust realiseerivad footonid, mis tungivad üsna kergesti veelgi kaugemale inimese siseorganitesse.
Kõige võimsam läbitungimisvõimega kiirgus on neutronkiirgus. Selle eest on üsna raske varjata, kuid tegelikult seda looduses ei eksisteeri, välja arvatud ehk tuumareaktorite vahetus läheduses.
Kiirguse mõju inimesele
Radioaktiivselt ohtlikud ained võivad sageli inimestele surmaga lõppeda. Lisaks on kiirgusega kokkupuutel pöördumatu mõju. Kui puutute kokku kiirgusega, olete hukule määratud. Olenevalt kahjustuse ulatusest sureb inimene mõne tunni või mitme kuu jooksul.
Samas tuleb öelda, et inimesed puutuvad radioaktiivse kiirgusega pidevalt kokku. Jumal tänatud, et see on piisavalt nõrk, et olla surmav. Näiteks televiisorist jalgpallimatši vaadates saate 1 mikroraad kiirgust. Meie planeedi loomulik kiirgusfoon on üldiselt kuni 0,2 rad aastas. 3. kingitus – teie osa kiirgusest hambaröntgeni ajal. Noh, kokkupuude üle 100 radiga on juba potentsiaalselt ohtlik.
Kahjulikud radioaktiivsed ained, näited ja hoiatused
Kõige ohtlikum radioaktiivne aine on poloonium-210. Seda ümbritseva kiirguse tõttu on näha isegi omamoodi helendav sinine “aura”. Tasub öelda, et on stereotüüp, et kõik radioaktiivsed ained hõõguvad. See pole sugugi tõsi, kuigi on selliseid variante nagu Polonium-210. Enamik radioaktiivseid aineid pole välimuselt sugugi kahtlased.
Livermoriumi peetakse praegu kõige radioaktiivsemaks metalliks. Selle isotoobi Livermorium-293 lagunemine võtab aega 61 millisekundit. See avastati juba 2000. aastal. Ununpentium on sellest veidi halvem. Ununpentia-289 lagunemisaeg on 87 millisekundit.
Huvitav fakt on ka see, et sama aine võib olla nii kahjutu (kui selle isotoop on stabiilne) kui ka radioaktiivne (kui selle isotoobi tuumad hakkavad kokku kukkuma).
Teadlased, kes uurisid radioaktiivsust
Radioaktiivseid aineid ei peetud pikka aega ohtlikeks ja seetõttu uuriti neid vabalt. Kahjuks on kurvad surmad meile õpetanud, et selliste ainete puhul on vaja olla ettevaatlik ja suurem ohutus.
Üks esimesi, nagu juba mainitud, oli Antoine Becquerel. See on suurepärane prantsuse füüsik, kellele kuulub radioaktiivsuse avastaja kuulsus. Teenete eest pälvis ta Londoni Kuningliku Seltsi liikmelisuse. Oma panuse tõttu sellesse valdkonda suri ta üsna noorelt, 55-aastaselt. Kuid tema tööd mäletatakse tänapäevani. Tema auks nimetati nii radioaktiivsuse ühik ise kui ka Kuu ja Marsi kraatrid.
Sama suur inimene oli Marie Skłodowska-Curie, kes töötas koos oma abikaasa Pierre Curie'ga radioaktiivsete ainetega. Maria oli ka prantslane, kuigi Poola juurtega. Lisaks füüsikale tegeles ta õpetamise ja isegi aktiivse ühiskondliku tegevusega. Marie Curie on esimene naine, kes võitis Nobeli preemia kahel erialal: füüsikas ja keemias. Selliste radioaktiivsete elementide nagu raadium ja poloonium avastamine on Marie ja Pierre Curie teene.
Järeldus
Nagu näeme, on radioaktiivsus üsna keeruline protsess, mis ei jää alati inimese kontrolli alla. See on üks juhtumeid, kus inimesed võivad end ohu ees täiesti jõuetuks leida. Seetõttu on oluline meeles pidada, et tõeliselt ohtlikud asjad võivad olla välimuselt väga petlikud.
Kõige sagedamini saate teada, kas aine on radioaktiivne või mitte, kui see on sellega kokku puutunud. Seetõttu olge ettevaatlik ja tähelepanelik. Radioaktiivsed reaktsioonid aitavad meid mitmel viisil, kuid me ei tohiks ka unustada, et see on jõud, mida me praktiliselt ei kontrolli.
Lisaks tasub meenutada suurte teadlaste panust radioaktiivsuse uurimisse. Nad andsid meile edasi uskumatul hulgal kasulikke teadmisi, mis päästavad nüüd elusid, varustavad terveid riike energiaga ja aitavad ravida kohutavaid haigusi. Radioaktiivsed kemikaalid on inimkonnale ohtlikud ja õnnistused.
Uraanil, tooriumil ja mõnedel teistel elementidel on omadus pidevalt ja ilma igasuguste väliste mõjudeta (st sisemiste põhjuste mõjul) kiirata nähtamatut kiirgust, mis sarnaselt röntgenikiirgusega võib tungida läbi läbipaistmatute ekraanide ning avaldada fotograafilist ja ionisatsiooniefekti.
Sellise kiirguse spontaanse emissiooni omadust nimetatakse radioaktiivsuseks. Elemente, millel on see omadus, nimetatakse radioaktiivseteks elementideks ja nende poolt tekitatavat kiirgust nimetatakse radioaktiivseks kiirguseks. Radioaktiivsed omadused avastas uraanis esmakordselt 1896. aastal prantsuse füüsik Antoine Henri Becquerel (1852-1908).
Radioaktiivsuse avastamine järgnes röntgenikiirte avastamisele. Röntgenkiirte emissiooni täheldati esmakordselt, kui tühjendustoru klaasseinu pommitati katoodkiirtega. Sellise pommitamise kõige tõhusam tulemus on klaasi intensiivne roheline sära, luminestsents (vt II köide, § 102). See asjaolu viitas sellele, et röntgenkiirgus on luminestsentsi produkt ja kaasneb kogu luminestsentsiga ning saadab "valguse hukkamõistu".
Becquerel alustas selle eelduse eksperimentaalset testimist. Ta ergutas valgusega luminestseeruvaid aineid ja viis need seejärel musta paberisse pakitud fotoplaadile. Läbitungiv kiirguse emissioon tuleks tuvastada fotoplaadi mustaks muutumisega pärast väljatöötamist. Kõigist Becquereli testitud luminestseeruvatest ainetest põhjustas ainult uraanisool plastiku mustaks muutumist läbi musta paberi. Kuid selgus, et varem tugevast arengust erutatud proov andis samasuguse mustamise kui ergastamata proov. Sellest järeldub, et uraanisoola kiirgav kiirgus ei ole seotud luminestsentsiga, vaid eraldub sõltumata välismõjudest. Seda järeldust kinnitasid katsed mitteluminestseeruvate uraaniühenditega – need kõik andsid läbitungivat kiirgust.
Pärast seda, kui Becquerel avastas uraani radioaktiivsuse, uuris Poola ja Prantsuse füüsik Marie Skłodowska-Curie (1867-1934), kes tegi koostöös oma abikaasa Pierre Curie'ga (1859-1906) peamised teaduslikud tööd, enamikku teadaolevatest elementidest. ja paljud nende ühendid, et luua Kas mõnel neist on radioaktiivsed omadused? M. Curie kasutas oma katsetes radioaktiivsuse märgina radioaktiivsete ainete võimet õhku ioniseerida. See märk on palju tundlikum kui radioaktiivsete ainete võime fotoplaadil toimida. Radioaktiivse ravimi ioniseeriv toime on hõlpsasti tuvastatav joonisel fig. 376 (vrd II kd, p 92). M. Curie katsed viisid järgmiste tulemusteni.
Riis. 376. Ionisatsioonivoolu mõõtmine: 1 – ionisatsioonikambri korpus, 2 – elektrood eraldatud 1-st isoleeriva pistikuga 3.4 – uuritav ravim, 5 – elektromeeter. Vastupidavus 
. Piisavalt kõrge akupinge korral kogutakse elektroodidele kõik kambri mahus ioniseeriva kiirgusega moodustunud ioonid ning läbi punktikambri kulgeb ravimi ioniseeriva toimega võrdeline vool. Ioniseerivate ainete puudumisel on kambris olev õhk mittejuhtiv ja vool on null
1. Radioaktiivsust ei tuvasta mitte ainult uraan, vaid ka kõik selle keemilised ühendid. Lisaks avastati radioaktiivsed omadused veel ühes elemendis - tooriumis ja kõigis selle keemilistes ühendites.
2. Mis tahes keemilise koostisega ravimi radioaktiivsus on võrdne puhta uraani või tooriumi radioaktiivsusega selles ravimis sisalduvas koguses.
Viimane tulemus tähendab, et radioaktiivset elementi sisaldava molekuli omadused ei mõjuta radioaktiivsust. Seega ei ole radioaktiivsus molekulaarne nähtus, vaid radioaktiivse elemendi aatomite sisemine omadus.
Curie uuris lisaks puhastele elementidele ja nende ühenditele ka erinevaid looduslikke mineraale. Mineraalide radioaktiivsus osutus tingitud uraani või tooriumi olemasolust neis. Samal ajal näitasid mõned mineraalid aga ootamatult kõrget radioaktiivsust. Seega andis uraanivaigu maak neli korda suurema ionisatsiooni kui selles sisalduv uraan.
Vaigumaagi suurenenud aktiivsust sai seletada ainult tundmatu radioaktiivse elemendi segunemisega nii väikeses koguses, et see jäi keemilisest analüüsist kõrvale. Vaatamata madalale sisaldusele eraldas see element rohkem radioaktiivset kiirgust kui ohtralt uraan. Järelikult peaks selle elemendi radioaktiivsus olema kordades tugevam kui uraani radioaktiivsus.
Nendele kaalutlustele tuginedes võtsid Pierre ja Marie Curie ette hüpoteetilise elemendi keemilise isoleerimise uraanivaigu maagist. Kontroll keemiaoperatsioonide õnnestumise üle oli radioaktiivsus saadud toote massiühiku kohta, mis pidi uue elemendi sisalduse suurenedes selles suurenema. Pärast mitmeaastast rasket tööd õnnestus neil tegelikult saada paar kümnendikku grammi puhast elementi, mille radioaktiivsus oli üle miljoni korra suurem kui uraanil. Seda elementi nimetatakse raadiumiks (st kiirgavaks).
Oma keemiliste omaduste järgi kuulub raadium leelismuldmetallide hulka. Selle aatommass osutus võrdseks 226. Keemiliste omaduste ja aatommassi alusel paigutati raadium Mendelejevi perioodilisuse süsteemi seni tühja lahtrisse nr 88.
Raadium on maakides sisalduva uraani pidev kaaslane, kuid seda leidub tühistes kogustes – ligikaudu raadium uraani kohta; Seda silmas pidades on raadiumi ekstraheerimine väga töömahukas protsess. Raadium on üks haruldasemaid ja kallimaid metalle. Seda hinnatakse kontsentreeritud radioaktiivse kiirguse allikana.
Curie ja teiste teadlaste edasised uuringud suurendasid märkimisväärselt teadaolevate radioaktiivsete elementide hulka.
Kõik elemendid, mille seerianumber oli suurem kui 83, osutusid radioaktiivseteks. Neid leiti väikeste lisanditena uraanist, raadiumist ja tooriumist.
Samamoodi leiti elementide talliumi, plii ja vismuti radioaktiivsed isotoobid. Tuleb märkida, et ainult nende elementide haruldased isotoobid, mis on segatud uraani, raadiumi ja tooriumiga, on radioaktiivsed. Tavaline tallium, plii ja vismut ei ole radioaktiivsed.
Lisaks Mendelejevi perioodilisuse tabeli hobuseid moodustavatele elementidele osutusid radioaktiivseteks ka järgmised elemendid: samarium, kaalium, rubiidium. Nende elementide radioaktiivsus on nõrk ja raskesti tuvastatav.
Kõik teadaolevad radioaktiivsed elemendid tuleks jagada kahte rühma (tabel 2.1): loomulik Ja kunstlik (tehnogeenne).
hulgas looduslikud radioaktiivsed elemendid pikaealised (U, Th, K-40, Rb-87 jt), pikaealiste isotoopide (raadium, radoon jt) lühiealised lagunemissaadused ja tuumareaktsioonide tõttu pidevalt looduskeskkonnas moodustunud nukliidid (C-14) eristatakse , H-3, Be-7 jne).
Kunstlikud radionukliidid võib jagada:
- killustatus(Uraan-235 tuumade lõhustumise saadus termiliste neutronite mõjul vastavalt skeemile):
90 Sr, 134 Cs, 137 Cs, 140 La, 131 I, 129 I, 99 Tc, 106 Ru, 141 Ce
- transuraansed radioaktiivsed elemendid
- aktiveerimistooted– neutronite, gamma kvantide jne vastasmõju tõttu. ainega:
56 Fe, 22 Na, 60 Co, 65 Zn, 32 P
8 Maksimaalsed lubatud kiirgusdoosid inimkehale. Millised on peamised suundumused nende standardite muutmisel?
Ioniseeriva kiirguse maksimaalne lubatud doos (MAD).- hügieenistandard, mis reguleerib individuaalse ekvivalentdoosi kõrgeimat lubatud väärtust kogu inimkehas või üksikutes organites, mis ei põhjusta ioniseeritud kiirgusallikatega töötavate inimeste tervisele kahjulikke muutusi. Seda kasutatakse kiirgusohutuse valdkonnas ja see on seadusega kehtestatud. Vene Föderatsioonis on seadusandlik dokument "Kiirgusohutuse standardid". SDA sõltub kogu keha kiiritusest, teatud rühmadest nn. kriitilistes elundites ja jääb vahemikku 5–30 rem (50–300 mSv) aastas.
Seoses kiirgusega kokkupuutega jagatakse elanikkond kolme kategooriasse.
A-kategooria eksponeeritud isikud või personal (professionaalsed töötajad) - isikud, kes püsivalt või ajutiselt töötavad vahetult ioniseeriva kiirguse allikatega.
B kategooria kokkupuutuvad isikud või piiratud osa elanikkonnast - isikud, kes ei tööta otseselt ioniseeriva kiirguse allikatega, kuid oma elutingimuste või töökoha asukoha tõttu võivad kokku puutuda ioniseeriva kiirgusega.
Sest kategooria A Kasutusele võetakse suurimad lubatud doosid - individuaalse ekvivalentdoosi suurimad väärtused kalendriaasta kohta, mille juures ühtlane kokkupuude üle 50 aasta ei saa põhjustada kaasaegsete meetoditega tuvastatavaid kahjulikke tervisemuutusi. Sest B kategooria doosi piirmäär määratakse.
Moodustatakse kolm kriitiliste elundite rühma:
1 rühm- kogu keha, sugunäärmed ja punane luuüdi.
2. rühm- lihased, kilpnääre, rasvkude, maks, neerud, põrn, seedetrakt, kopsud, silmaläätsed ja muud organid, välja arvatud 1. ja 3. rühma kuuluvad organid.
3 grupp- nahk, luukude, käed, käsivarred, jalad ja labajalad.
Kiirguse mõju hindamiseks kasutatakse lisaks peamistele doosipiiridele ka tuletisstandardeid ja referentstasemeid. Normide arvutamisel võetakse arvesse doosipiiride MDA (maksimaalne lubatud doos) ja PD (dooslimiit) mitteületamist. Radionukliidi lubatud sisalduse arvutamine organismis toimub, võttes arvesse selle radiotoksilisust ja kriitilises elundis lubatud piirnormide mitteületamist. Võrdlustasemed peaksid tagama nii madalad kokkupuutetasemed, kui on võimalik saavutada põhidoosi piirmäärades.
Radionukliidi maksimaalne lubatud aastane kogus hingamisteede kaudu;
Lubatud radionukliidide sisaldus kriitilises elundis DS A;
Lubatud kiirgusdoosi kiirus DMD A;
Lubatud osakeste voo tihedus DPP A;
Radionukliidi lubatud mahuline aktiivsus (kontsentratsioon) DK A tööpiirkonna õhus;
DZ A vastuvõetav naha, kaitseriietuse ja tööpindade saastumine.
GWP radionukliidi aastase tarbimise piirang hingamisteede või seedeelundite kaudu;
Radionukliidi DK B lubatud mahuline aktiivsus (kontsentratsioon) atmosfääriõhus ja -vees;
Lubatud doosikiirus DMD B;
Lubatud osakeste voo tihedus DPP B;
Naha, riiete ja DZ B pindade vastuvõetav saastumine.
Lubatud tasemete arvväärtused sisalduvad täielikult "Kiirgusohutuse standardites".
Aastate jooksul on talutavad kiirgusdoosi piirmäärad muutunud ja üldiselt, kuna teadmised kiirgusest tulenevate vähiriskide kohta on näidanud, et kiirgusest tulenev oht on palju suurem, kui seni arvati, on olnud tendents neid alandada. Tagamaks, et töötajad ei puutuks kokku normaalsetest piiridest kaugemale, tuleb kõige olulisemad kokkupuuteviisid korralikult kontrollida. Arvestada tuleb ka sellega, et ioniseeriv kiirgus mõjutab inimesi erinevalt.
9 Transuraadielemendid – kiirgusoht
Transuraani radioaktiivsed elemendid- keemilised elemendid, mille aatomnumber on suurem kui uraan-92 oma:
240 Pu, 239 Pu, 239 U, 239 Np, 247 cm, 241 Am
Wikipedia:
Elemente, mille aatomnumber on suurem kui 100, nimetatakse transfermiumelementideks. Üksteist teadaolevatest transuraani elementidest (93-103) kuuluvad aktiniidide hulka. Transuraani elemente, mille aatomnumber on suurem kui 103, nimetatakse transaktinoidideks.
Kõigi teadaolevate transuraanielementide isotoopide poolestusaeg on oluliselt lühem kui Maa vanus. Seetõttu transuraanielemendid looduses praktiliselt puuduvad ja neid saadakse kunstlikult erinevate tuumareaktsioonide kaudu. Elemendid kuni fermiumini (kaasa arvatud) tekivad tuumareaktorites neutronite püüdmise ja sellele järgneva beeta-lagunemise tulemusena. Transfermiumi elemendid tekivad ainult tuumasünteesi tulemusena.
Esimene transuraanielementidest, neptuunium Np (bp 93), saadi 1940. aastal uraani neutronitega pommitades. Sellele järgnes plutooniumi (Pu, bn 94), ameriitsiumi (Am, bn 95), kuuriumi (Cm, bn 96), berkeliumi (Bk, bn 97), kaliforniumi (Cf, bp 98), einsteiniumi (Es) avastamine. , bp 99), fermium (Fm, bp 100), mendelevium (Md, bp 101), nobeelium (ei, bp 102) ja Lawrencia (Lr, bp 103). Samuti saadi transaktinoide seerianumbritega 104-118; selles sarjas on elementidele 104-112 antud nimetused: rutherfordium (Rf, 104), dubnium (Db, 105), seaborgium (Sg, 106), bohrium (Bh, 107), hassium (Hs, 108), meitnerium ( Mt, 109 ), darmstadtium (Ds, 110), roengenium (Rg, 111), koperitsium (Cn, 112). Elementidel 113-118 on veel ajutised nimed, mis on tuletatud vastavatest ladina numbritest: ununtrium (Uut, 113), ununquadium (Uuq, 114), ununpentium (Uup, 115), unungexium (Uuh, 116), ununseptium (Uus, 117), ununoktium (Uuo, 118).
Kaalukogustes saadud kergete transuraanaktiniidide keemilisi omadusi on enam-vähem täielikult uuritud; transfermiumi elemente (Md, No, Lr ja nii edasi) on saamise raskuste ja lühikese eluea tõttu vähe uuritud. Kristallograafilised uuringud, soolalahuste neeldumisspektrite, ioonide magnetiliste omaduste ja muude omaduste uuringud on näidanud, et p.n. 93-103 - lantaniidide analoogid. Kõigist transuraanielementidest on tuumakütusena kõige rohkem kasutatud plutooniumi nukliid 239Pu.
Transuraansed elemendid(TUE).
kõik need radionukliidid läbivad α-lagunemise ja on kõik pikaealised.
Transuraansed radionukliidid (elemendid) moodustuvad järjestikuste korduvate neutronite püüdmise (n, γ) ja sellele järgneva β-lagunemise tulemusena:
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
Siin on toodud vaid peamised teisendused, mille tulemusena tekivad radioökoloogia seisukohalt olulised radionukliidid.
Sünteesitud tuuma Z ja A suurenemisega väheneb selle saagis järsult. Erinevalt tuumaplahvatusest, kus TUE süntees toimub väga suure integraalse neutronvoo juures (kuni 10 23 ÷ 10 23 nn/cm 2 ) ajaga 10 -6 ÷ 10 -8 s, toimub tuumareaktoris sünteesiaeg võib kesta mitu aastat väiksema neutronvoo intensiivsusega. Suurima saagisega on reaktsioon 2. Saagis 239 Np ja 239 Pu neutronvoo tiheduse juures reaktoris 10 13 nn/cm 2 s on 0,1 Ci/1 g U.
Reaktsioon 238 U(n,γ) 239 U(n,γ) 239 U → 239 Np → 239 Pu võib toimuda ka looduslikes tingimustes iseenesliku lõhustumise neutronite U(s,f) ja (α,n) reaktsiooni neutronite mõjul sisalduva uraani suhtes. uraanimaakides. 239 Pu tuuma saagis on sel juhul suurusjärgus (0,4 ÷ 15) · 10 -12 238 U tuuma sisalduse suhtes maakides.
Transuraanelemente toodetakse kõige intensiivsemalt tuumareaktorites (sealhulgas jõureaktorites) ja need on põletatud tuumkütuse töötlemisel ühed väärtuslikumad tooted. Lisaks tuumakütusetsüklile ja tuumalõhkeainetele oli Tšernobõli avarii kütuseheite allikaks.
Kõik transuraani elemendid on keemiliselt väga aktiivsed. Nende iseloomulik tunnus on võime moodustada ühendeid vesiniku, lämmastiku, hapniku, halogeenidega, aga ka kompleksühendeid. Nende oksüdatsiooniaste on vahemikus 2+ kuni 7+.
Plutooniumi radionukliidide valentsus on 2 + kuni 7 + (2 + on kõige vähem iseloomulik). Enamasti moodustavad plutooniumi radionukliidid lahustumatuid ühendeid. Plutooniumoksiidid PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 ja muutuva koostisega faasid Pu 2 O 3 kuni Pu 4 O 7. Vesilahustes moodustab see ioone (3 + kuni 7 +) ja kõik ioonid võivad lahuses olla korraga (välja arvatud 7 +). Nad on vastuvõtlikud hüdrolüüsile (see võime suureneb PuO seerias 241 Am valents on 2 + kuni 7 +, kusjuures kõige vähem iseloomulik on 2 + ja 7 + ning stabiilne 3 + tahkes olekus ja komplekside kujul lahuses - 4 +. Oksiidid AmO, Am 2 O 3 ja AmO 2. Moodustab AmN-nitriidi, Am2S-sulfiidi ja ka metallorgaanilise ühendi Am(C5H5)3. Americium moodustab lahustuvaid ühendeid halogeenidega (AmCl 2, AmBr, AmJ 3). Moodustab kompleksseid ühendeid mineraalsete ja orgaaniliste hapetega. Erinevalt plutooniumist on ameriitsiumiühenditel suurem lahustuvus ja seetõttu suurem migratsioonivõime. Oksüdatsiooniastmes 3+ on TUE omadused sarnased lantaniidide omadustega, kuid neil on rohkem väljendunud võime moodustada komplekse (see suureneb U seerias Oksüdatsiooniastmes 4 + moodustavad nad oksiide, fluoriide, on stabiilsed vesilahustes (U, Np, Pu) ja moodustavad vesilahustes komplekse. Ühendid (hüdroksiidid, fluoriidid, jodiidid, fosfaadid, karbonaadid) lahustuvad halvasti. Tugevad kompleksimoodustajad (kalduvus suureneb U-lt Am-le). Oksüdatsiooniastmes 5 + eksisteerivad dioksiidide kujul MeO 2 +. See ioonne vorm määrab keemilised omadused – madal kalduvus hüdrolüüsile ja komplekside moodustumisele. Oksüdatsiooniastmes on 6+ MeO 2 2+ ioonide kujul. Tuntud on märkimisväärne hulk kompleksühendeid. Oksüdatsiooniastmes 7+ on Pu kõige stabiilsem. Tahkes olekus esineb see MeO 5 5-, MeO 5 3-, 4- ja MeO 4 - ioonide kujul ning lahustes - MeO 5 3+ aniooni hüdraatunud kujul. Üldiselt on plutooniumi ja ameriitsiumi rändemustrid sarnased. Seetõttu piisab, kui arvestada plutooniumi radionukliidide migratsiooni iseärasusi. Neid määrab plutooniumiühendite lahustuvus looduskeskkonnas ja eelkõige algne keemiline vorm. Tuumaplahvatuste käigus on selleks praktiliselt lahustumatud oksiidid ja peamiselt üksikud aatomid, mis jõuavad maapinnale globaalse sademega ja ainult siin võivad moodustada lahustuvaid ühendeid. Tuumakütusetsükli heitkogustes domineerivad lahustuvad plutooniumiühendid, aga ka selle kompleksühendid orgaaniliste ligandidega. Tšernobõli avarii heitkogused olid eriti keerulise koostisega. Neid saab jagada 4 rühma
: A- tuumast mehaaniliselt väljapaisatud peendisperssed kütuseosakesed, mis on radionukliidse koostiselt sarnased kasutatud tuumkütusega; settinud maapinnale lähivööndis (R ≤ 60 – 70 km). B– peenkütus ja muud lenduvate radionukliididega mõõdukalt rikastatud tooted; plutooniumi radionukliidide sisaldus on oodatust ~ 2 korda suurem; settinud maapinnale tsoonis R ≤ 100 km. IN– lenduvate radionukliididega, sealhulgas plutooniumiga väga rikastatud heitkogused; asunud maapinnale tsoonis R ≤ 150 km ja kaugemalgi. G– kuni 200 korda plutooniumi radionukliididega rikastatud heitkogused, sealhulgas osaliselt lahustuvad plutooniumiühendid; asus maapinnale kauges vööndis. Erinevused nendes emissioonirühmades tulenevad peamiselt plahvatuse ajal avariireaktori temperatuuride erinevusest. Plutooniumi hapnikus lahustuvate vormide sisaldus suureneb rühmast A ja B rühmadesse C, D 4–15 korda ja ulatub 55 ÷ 85% -ni. Praegu on plutooniumi ja 241 Am radionukliidide peamiseks reservuaariks pinnase pind ja põhjasetted (rohkem kui 99% neist, mis pärinevad ülemaailmsest ja Tšernobõli sademetest ning tuumakütusetsükli ettevõtete heitkogustest). Bioloogilistes objektides on neid transuraanielemente mitte rohkem kui 1% (peamiselt taimedes ja loomadel veel 5 ÷ 10 4 korda vähem). Plutooniumi radionukliidid on valdavalt 4+ lahustumatul kujul. Difusioonikoefitsient pinnases on ~ 10 -9 cm/s. Ainult umbes 10% neist radionukliididest võib olla lahustuvas taimses vormis. Taimedest on madalakasvulistel taimedel (kõrrelised, samblad, samblikud) kõrgeim plutooniumi radionukliidide kontsentratsioon. See on tingitud asjaolust, et plutooniumi radionukliidid jaotuvad maapinnal ümber peamiselt tuule ülekande ja erosiooni tõttu. Taimede transuraani elementide akumulatsiooni koefitsient on väga madal (10 -1 ÷ 10 -3). Erinevate piirkondade pinnases sisalduvate plutooniumi radionukliidide isotoopide suhted erinevad oluliselt nende tarneallikate erinevuste tõttu (ülemaailmne, tuumakütuse tsüklist, Tšernobõli avarii). Seega on tuumaplahvatuste suhe 240 Pu/239 Pu (0,05 ÷ 0,06); globaalsest sademetest - umbes 0,176; tuumakütusetsükli heitkogustest koos globaalsete sademetega – (0,049 ÷ 0,150) ja Tšernobõli sademetest – (0,30 ÷ 0,35). Isotoopide suhted eri piirkondades varieeruvad järgmistes piirides: On näha, et peamine plutooniumi radionukliid emissioonides on 239 Pu. 238 Pu ja 242 Pu heitkogused on väga väikesed. Vaatamata 241 Pu suhteliselt madalale emissioonile on neil eriline roll, kuna selle radionukliidi lagunemisel tekib pikaealine 241 Am. Seetõttu suureneb 241 Am sisaldus keskkonnas pidevalt. Niisiis, perioodil 1940–1990. 241 Am sisaldus atmosfääris suurenes 2 korda. Plutooniumi radionukliidide absoluutsisaldus pinnases ja atmosfääri aerosoolides on väga erinev, eriti sõltuvalt kaugusest Tšernobõli tuumaelektrijaamast. Nii väheneb atmosfääriaerosoolides plutooniumisisaldus lähitsoonist kaugemasse tsooni liikudes (milles plutooniumisisaldus on tasemel 19 Bq/l) 10 4 korda, sadestumise tihedus väheneb ~ 170 korda (kuni tasemeni 1,25 10 5 Bq/m2), väheneb sisaldus mullapinnal ~ 370 korda (tasemeni ~ 10 Bq/m2). Üldiselt läheneb Tšernobõli tuumaelektrijaamast eemaldudes saastetase globaalse reostuse foonile – maapinnale (10 ÷ 60) Bq/m 2. Plutooniumi radionukliidide keskmine eriaktiivsus muldades Venemaa Euroopa osas on ~ 140 Bq/kg, globaalse reostuse taustal ligikaudu 60 Bq/kg.