Do końca XIX wieku wszystkie pierwiastki chemiczne wydawały się stałe i niepodzielne. Nie było wątpliwości, w jaki sposób można dokonać konwersji elementów niezmiennych. Jednak odkrycie radioaktywności zrewolucjonizowało świat, jaki znamy i utorowało drogę do odkrycia nowych substancji.
Odkrycie promieniotwórczości
Zaszczyt odkrycia przemian pierwiastków należy do francuskiego fizyka Antoine'a Becquerela. Do jednego eksperymentu chemicznego potrzebował kryształów siarczanu uranylopotasowego. Zawinął substancję w czarny papier i umieścił paczkę obok kliszy fotograficznej. Po wywołaniu filmu naukowiec zobaczył na zdjęciu zarysy kryształów uranu. Pomimo grubej warstwy papieru, były one wyraźnie rozróżnialne. Becquerel powtórzył to doświadczenie kilka razy, ale wynik był ten sam: zarysy kryształów zawierających uran były wyraźnie widoczne na kliszach fotograficznych.
Becquerel ogłosił wyniki odkrycia na regularnym spotkaniu odbywającym się w Paryskiej Akademii Nauk. Jego raport zaczął się od słów o „niewidzialnym promieniowaniu”. Tak opisał wyniki swoich eksperymentów. Następnie wśród fizyków zaczęto używać pojęcia promieniowania.
Eksperymenty Curie
Wyniki obserwacji Becquerela zainteresowały francuskich naukowców Marię i Pawła Curie. Słusznie wierzyli, że nie tylko uran może mieć właściwości radioaktywne. Naukowcy zauważyli, że pozostałości rudy, z której wydobywa się tę substancję, nadal charakteryzują się wysoką radioaktywnością. Poszukiwania pierwiastków innych niż oryginalne doprowadziły do odkrycia substancji o właściwościach podobnych do uranu. Nowy pierwiastek radioaktywny nazwano polonem. Maria Curie nadała tę nazwę substancji na cześć swojej ojczyzny – Polski. Następnie odkryto rad. Pierwiastek promieniotwórczy okazał się produktem rozpadu czystego uranu. Następnie w chemii rozpoczęła się era nowych substancji chemicznych, które wcześniej nie występowały w naturze.
Elementy
Większość znanych dziś jąder pierwiastków chemicznych jest niestabilna. Z czasem takie związki samoistnie rozpadają się na inne pierwiastki i różne drobne cząstki. Cięższy pierwiastek macierzysty nazywany jest w społeczności fizyków materiałem macierzystym. Produkty powstające podczas rozkładu substancji nazywane są elementami potomnymi lub produktami rozkładu. Samemu procesowi towarzyszy uwalnianie różnych cząstek radioaktywnych.
Izotopy
Niestabilność pierwiastków chemicznych można wytłumaczyć istnieniem różnych izotopów tej samej substancji. Izotopy to odmiany niektórych pierwiastków układu okresowego o tych samych właściwościach, ale różnej liczbie neutronów w jądrze. Wiele zwykłych substancji chemicznych ma co najmniej jeden izotop. Fakt, że pierwiastki te są szeroko rozpowszechnione i dobrze zbadane, potwierdza, że pozostają one w stanie stabilnym przez czas nieokreślony. Ale każdy z tych „długowiecznych” pierwiastków zawiera izotopy. Naukowcy uzyskują swoje jądra w drodze reakcji przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych. Sztuczny pierwiastek promieniotwórczy wytwarzany syntetycznie nie może długo istnieć w stanie stabilnym i z czasem ulega rozpadowi. Proces ten może przebiegać na trzy sposoby. Wszystkie trzy rodzaje rozpadu mają swoje nazwy od cząstek elementarnych, które są produktami ubocznymi reakcji termojądrowych.
Rozpad alfa
Radioaktywny pierwiastek chemiczny można przekształcić zgodnie z pierwszym schematem rozpadu. W tym przypadku z jądra emitowana jest cząstka alfa, której energia sięga 6 milionów eV. Szczegółowe badanie wyników reakcji ujawniło, że cząstką tą był atom helu. Odbiera dwa protony z jądra, dzięki czemu powstały pierwiastek promieniotwórczy będzie miał w układzie okresowym liczbę atomową o dwie pozycje mniejszą niż liczba atomowa substancji macierzystej.
Rozpad beta
Reakcji rozpadu beta towarzyszy emisja jednego elektronu z jądra. Pojawienie się tej cząstki w atomie wiąże się z rozpadem neuronu na elektron, proton i neutrino. Gdy elektron opuszcza jądro, radioaktywny pierwiastek chemiczny zwiększa swoją liczbę atomową o jeden i staje się cięższy od swojego macierzystego pierwiastka.
Rozpad gamma
Podczas rozpadu gamma jądro uwalnia wiązkę fotonów o różnych energiach. Promienie te są powszechnie nazywane promieniowaniem gamma. Podczas tego procesu pierwiastek promieniotwórczy nie ulega modyfikacji. Po prostu traci energię.
Sama niestabilność, jaką posiada dany pierwiastek promieniotwórczy, wcale nie oznacza, że w obecności określonej liczby izotopów nasza substancja nagle zniknie, uwalniając kolosalną energię. W rzeczywistości rozpad ziaren przypomina robienie popcornu – chaotyczny ruch ziaren kukurydzy na patelni i zupełnie nie wiadomo, które z nich otworzy się jako pierwsze. Prawo reakcji rozpadu promieniotwórczego może jedynie zagwarantować, że po pewnym czasie z jądra wyleci liczba cząstek proporcjonalna do liczby nukleonów pozostałych w jądrze. W języku matematycznym proces ten można opisać następującym wzorem:
Zachodzi tu proporcjonalna zależność liczby nukleonów dN opuszczających jądro w okresie dt od liczby wszystkich nukleonów N obecnych w jądrze. Współczynnik λ jest stałą radioaktywności rozpadającej się substancji.
Liczbę nukleonów pozostałych w jądrze w chwili t opisuje wzór:
N = N 0 mi -λt ,
gdzie N 0 jest liczbą nukleonów w jądrze na początku obserwacji.
Na przykład radioaktywny pierwiastek halogenowy o liczbie atomowej 85 został odkryty dopiero w 1940 roku. Jego okres półtrwania jest dość długi - 7,2 godziny. Zawartość radioaktywnego halogenu (astatyny) na całej planecie nie przekracza jednego grama czystej substancji. Zatem w ciągu 3,1 godziny jego ilość w przyrodzie powinna teoretycznie zmniejszyć się o połowę. Jednak ciągłe procesy rozpadu uranu i toru powodują powstawanie nowych i nowych atomów astatu, choć w bardzo małych dawkach. Dlatego jego ilość w przyrodzie pozostaje stabilna.
Pół życia
Stała radioaktywności służy do określenia, jak szybko badany pierwiastek ulegnie rozpadowi. Jednak w przypadku problemów praktycznych fizycy częściej używają wielkości zwanej okresem półtrwania. Wskaźnik ten informuje, ile czasu zajmie substancji utrata dokładnie połowy swoich nukleonów. W przypadku różnych izotopów okres ten waha się od drobnych ułamków sekundy do miliardów lat.
Ważne jest, aby zrozumieć, że czas w tym równaniu nie jest dodawany, ale mnożony. Przykładowo, jeśli w czasie t substancja utraciła połowę swoich nukleonów, to w okresie 2t straci kolejną połowę pozostałych, czyli jedną czwartą pierwotnej liczby nukleonów.
Pojawienie się pierwiastków promieniotwórczych
Substancje radioaktywne powstają naturalnie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w jonosferze. Pod wpływem promieniowania kosmicznego gaz na dużych wysokościach ulega różnym przemianom, które przekształcają stabilną substancję w pierwiastek radioaktywny. Gazem najczęściej występującym w naszej atmosferze jest N2, na przykład ze stabilnego izotopu azotu-14 zamienia się w radioaktywny izotop węgla-14.
Obecnie znacznie częściej pierwiastek radioaktywny pojawia się w łańcuchu wywołanych przez człowieka reakcji rozszczepienia atomu. Tak nazywa się proces, w którym jądro substancji macierzystej rozpada się na dwa jądra potomne, a następnie na cztery radioaktywne jądra „wnuków”. Klasycznym przykładem jest izotop uranu 238. Jego okres półtrwania wynosi 4,5 miliarda lat. Nasza planeta istnieje niemal tak długo. Po dziesięciu etapach rozpadu radioaktywny uran zamienia się w stabilny ołów 206. Sztucznie wytworzony pierwiastek promieniotwórczy nie różni się swoimi właściwościami od swojego naturalnego odpowiednika.
Praktyczne znaczenie promieniotwórczości
Po katastrofie w Czarnobylu wiele osób zaczęło poważnie mówić o ograniczeniu programów rozwoju elektrowni jądrowych. Jednak w życiu codziennym radioaktywność przynosi ludzkości ogromne korzyści. Nauka o radiografii bada możliwości jej praktycznego zastosowania. Na przykład pacjentowi wstrzykuje się radioaktywny fosfor, aby uzyskać pełny obraz złamań kości. Energia jądrowa służy również do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Być może w przyszłości znajdziemy nowe odkrycia w tej niesamowitej dziedzinie nauki.
Promieniowanie, radioaktywność i emisja radiowa to pojęcia, które nawet brzmią dość niebezpiecznie. W tym artykule dowiesz się, dlaczego niektóre substancje są radioaktywne i co to oznacza. Dlaczego wszyscy tak bardzo boją się promieniowania i jak niebezpieczne jest ono? Gdzie możemy znaleźć substancje radioaktywne i czym nam to grozi?
Koncepcja radioaktywności
Przez radioaktywność rozumiem „zdolność” atomów określonych izotopów do rozszczepiania się i w ten sposób wytwarzania promieniowania. Termin „radioaktywność” nie pojawił się od razu. Początkowo takie promieniowanie nazwano promieniami Becquerela na cześć naukowca, który odkrył je podczas pracy z izotopem uranu. Obecnie nazywamy ten proces terminem „promieniowanie radioaktywne”.
W tym dość złożonym procesie pierwotny atom przekształca się w atom zupełnie innego pierwiastka chemicznego. W wyniku wyrzucenia cząstek alfa lub beta zmienia się liczba masowa atomu, co powoduje jego przeniesienie zgodnie z tabelą D.I. Mendelejewa. Warto zauważyć, że zmienia się liczba masowa, ale sama masa pozostaje prawie taka sama.
Na podstawie tych informacji możemy nieco przeformułować definicję tego pojęcia. Zatem radioaktywność to także zdolność niestabilnych jąder atomowych do niezależnego przekształcania się w inne, bardziej stabilne i stabilne jądra.
Substancje – czym są?
Zanim porozmawiamy o tym, czym są substancje radioaktywne, zdefiniujmy ogólnie, co nazywa się substancją. Jest to więc przede wszystkim rodzaj materii. Logiczne jest również, że materia ta składa się z cząstek, a w naszym przypadku są to najczęściej elektrony, protony i neutrony. Tutaj możemy już mówić o atomach, które składają się z protonów i neutronów. Cóż, cząsteczki, jony, kryształy i tak dalej składają się z atomów.
Koncepcja substancji chemicznej opiera się na tych samych zasadach. Jeśli nie da się wyizolować jądra w materii, to nie można jej sklasyfikować jako substancji chemicznej.
O substancjach radioaktywnych
Jak wspomniano powyżej, aby atom wykazywał radioaktywność, musi samoistnie rozpaść się i przekształcić w atom zupełnie innego pierwiastka chemicznego. Jeśli wszystkie atomy substancji są na tyle niestabilne, że ulegają rozpadowi w ten sposób, mamy do czynienia z substancją radioaktywną. W bardziej technicznym języku definicja brzmiałaby tak: substancje są radioaktywne, jeśli zawierają radionuklidy i to w wysokich stężeniach.
Gdzie w tabeli D.I. Mendelejewa znajdują się substancje radioaktywne?
Dość prostym i łatwym sposobem sprawdzenia, czy substancja jest radioaktywna, jest spojrzenie na tabelę D.I. Mendelejewa. Wszystko, co następuje po ołowiu, to pierwiastki radioaktywne, a także promet i technet. Warto pamiętać, które substancje są radioaktywne, bo mogą uratować życie.
Istnieje również wiele pierwiastków, które w swoich naturalnych mieszaninach mają co najmniej jeden izotop radioaktywny. Oto ich częściowa lista, pokazująca niektóre z najczęstszych elementów:
- Potas.
- Wapń.
- Wanad.
- German.
- Selen.
- Rubid.
- Cyrkon.
- Molibden.
- Kadm.
- Ind.
Substancje radioaktywne obejmują te, które zawierają jakiekolwiek izotopy promieniotwórcze.
Rodzaje promieniowania radioaktywnego
Istnieje kilka rodzajów promieniowania radioaktywnego, które zostaną teraz omówione. Wspomniano już o promieniowaniu alfa i beta, ale to nie jest cała lista.
Promieniowanie alfa jest najsłabszym promieniowaniem i jest niebezpieczne, jeśli cząsteczki dostaną się bezpośrednio do organizmu człowieka. Promieniowanie takie wytwarzane jest przez ciężkie cząstki, dlatego łatwo je zatrzymać nawet kartką papieru. Z tego samego powodu promienie alfa nie przemieszczają się na odległość większą niż 5 cm.
Promieniowanie beta jest silniejsze niż poprzednie. Jest to promieniowanie elektronów, które są znacznie lżejsze od cząstek alfa, dzięki czemu mogą wnikać na kilka centymetrów w głąb ludzkiej skóry.
Promieniowanie gamma realizowane jest za pomocą fotonów, które dość łatwo przenikają jeszcze dalej do narządów wewnętrznych człowieka.
Najpotężniejszym promieniowaniem pod względem penetracji jest promieniowanie neutronowe. Dość trudno się przed nim ukryć, ale tak naprawdę nie występuje w przyrodzie, chyba że w pobliżu reaktorów jądrowych.
Wpływ promieniowania na człowieka
Substancje niebezpieczne radioaktywnie często mogą być śmiertelne dla ludzi. Ponadto narażenie na promieniowanie ma nieodwracalne skutki. Jeżeli jesteś narażony na promieniowanie, jesteś skazany na zagładę. W zależności od rozmiaru uszkodzeń, człowiek umiera w ciągu kilku godzin lub w ciągu wielu miesięcy.
Jednocześnie należy stwierdzić, że ludzie są stale narażeni na promieniowanie radioaktywne. Dzięki Bogu, jest na tyle słaby, że może być śmiertelny. Na przykład oglądając mecz piłki nożnej w telewizji, otrzymujesz 1 mikrorad promieniowania. Naturalne tło promieniowania naszej planety wynosi zazwyczaj do 0,2 rad rocznie. Trzeci prezent - Twoja porcja promieniowania podczas prześwietlenia zębów. Cóż, narażenie na więcej niż 100 radów jest już potencjalnie niebezpieczne.
Szkodliwe substancje radioaktywne, przykłady i ostrzeżenia
Najbardziej niebezpieczną substancją radioaktywną jest polon-210. Dzięki otaczającemu ją promieniowaniu widoczny jest nawet rodzaj świetlistej, niebieskiej „aury”. Warto powiedzieć, że panuje stereotyp, że wszystkie substancje radioaktywne świecą. To wcale nie jest prawda, chociaż istnieją takie warianty jak Polon-210. Większość substancji radioaktywnych nie wygląda wcale podejrzanie.
Livermor jest obecnie uważany za najbardziej radioaktywny metal. Jego izotop Livermorium-293 rozpada się w ciągu 61 milisekund. Odkryto to już w 2000 roku. Ununpentium jest nieco gorsze od niego. Czas zaniku Ununpentia-289 wynosi 87 milisekund.
Innym interesującym faktem jest to, że ta sama substancja może być zarówno nieszkodliwa (jeśli jej izotop jest stabilny), jak i radioaktywna (jeśli jądra jej izotopu wkrótce się zapadną).
Naukowcy badający radioaktywność
Substancje radioaktywne przez długi czas nie były uważane za niebezpieczne, dlatego swobodnie je badano. Niestety smutne zgony nauczyły nas, że w przypadku takich substancji należy zachować ostrożność i zwiększyć poziom bezpieczeństwa.
Jednym z pierwszych, jak już wspomniano, był Antoine Becquerel. To wielki francuski fizyk, do którego należy sława odkrywcy promieniotwórczości. Za swoje zasługi otrzymał członkostwo w Royal Society of London. Ze względu na swój wkład w tę dziedzinę zmarł dość młodo, w wieku 55 lat. Ale jego twórczość jest pamiętana do dziś. Na jego cześć nazwano samą jednostkę radioaktywności, a także kratery na Księżycu i Marsie.
Równie wielką osobą była Maria Skłodowska-Curie, która wraz z mężem Piotrem Curie zajmowała się substancjami radioaktywnymi. Maria również była Francuzką, choć miała polskie korzenie. Oprócz fizyki zajmowała się nauczaniem, a nawet aktywną działalnością społeczną. Marie Curie jest pierwszą kobietą, która zdobyła Nagrodę Nobla w dwóch dyscyplinach: fizyce i chemii. Odkrycie takich pierwiastków promieniotwórczych jak rad i polon jest zasługą Marii i Piotra Curie.
Wniosek
Jak widzimy, radioaktywność jest dość złożonym procesem, który nie zawsze pozostaje pod kontrolą człowieka. To jeden z tych przypadków, kiedy człowiek może okazać się całkowicie bezsilny w obliczu niebezpieczeństwa. Dlatego ważne jest, aby pamiętać, że naprawdę niebezpieczne rzeczy mogą być bardzo zwodnicze.
Najczęściej można dowiedzieć się, czy dana substancja jest radioaktywna, czy nie, po wystawieniu jej na działanie. Dlatego bądź ostrożny i uważny. Reakcje radioaktywne pomagają nam na wiele sposobów, ale nie powinniśmy też zapominać, że jest to siła praktycznie poza naszą kontrolą.
Ponadto warto pamiętać o wkładzie wielkich naukowców w badania radioaktywności. Przekazali nam niesamowitą ilość przydatnej wiedzy, która teraz ratuje życie, dostarcza energii całym krajom i pomaga leczyć straszne choroby. Radioaktywne chemikalia są zagrożeniem i błogosławieństwem dla ludzkości.
Uran, tor i niektóre inne pierwiastki mają tę właściwość, że w sposób ciągły i bez żadnych wpływów zewnętrznych (tj. pod wpływem przyczyn wewnętrznych) emitują niewidzialne promieniowanie, które podobnie jak promieniowanie rentgenowskie może przenikać przez nieprzezroczyste ekrany i wywoływać efekty fotograficzne i jonizacyjne.
Właściwość spontanicznej emisji takiego promieniowania nazywa się radioaktywnością. Pierwiastki posiadające tę właściwość nazywane są pierwiastkami promieniotwórczymi, a emitowane przez nie promieniowanie nazywa się promieniowaniem radioaktywnym. Właściwości radioaktywne zostały po raz pierwszy odkryte w 1896 r. w uranie przez francuskiego fizyka Antoine’a Henriego Becquerela (1852–1908).
Odkrycie radioaktywności nastąpiło po odkryciu promieni rentgenowskich. Emisję promieni rentgenowskich po raz pierwszy zaobserwowano, gdy szklane ścianki lampy wyładowczej zostały zbombardowane promieniami katodowymi. Najskuteczniejszym skutkiem takiego bombardowania jest intensywna zielona poświata szkła, luminescencja (patrz tom II, § 102). Okoliczność ta sugeruje, że promieniowanie rentgenowskie jest produktem luminescencji i towarzyszy wszelkiej luminescencji oraz towarzyszy „potępionym przez światło”.
Becquerel rozpoczął eksperymentalne testowanie tego założenia. Wzbudzał światłem substancje luminescencyjne, a następnie przenosił je na kliszę fotograficzną owiniętą w czarny papier. Emisję promieniowania przenikliwego należy wykryć poprzez zaczernienie kliszy fotograficznej po wywołaniu. Ze wszystkich substancji luminescencyjnych badanych przez Becquerela tylko sól uranu powodowała czernienie plastiku przez czarny papier. Okazało się jednak, że próbka wzbudzona wcześniej silnym wywołaniem dała takie samo zaczernienie jak próbka niewzbudzona. Wynika z tego, że promieniowanie emitowane przez sól uranu nie jest związane z luminescencją, ale jest emitowane niezależnie od wpływów zewnętrznych. Wniosek ten potwierdziły eksperymenty z nieluminescencyjnymi związkami uranu - wszystkie dały promieniowanie przenikliwe.
Po odkryciu przez Becquerela radioaktywności uranu, polska i francuska fizyk Maria Skłodowska-Curie (1867-1934), która wraz z mężem Pierrem Curie (1859-1906) przeprowadziła główne prace naukowe, zbadała większość znanych pierwiastków i wiele ich związków w celu ustalenia, czy któryś z nich ma właściwości radioaktywne? W swoich eksperymentach M. Curie wykorzystała zdolność substancji radioaktywnych do jonizacji powietrza jako oznakę radioaktywności. Znak ten jest znacznie bardziej czuły niż zdolność substancji radioaktywnych do działania na kliszę fotograficzną. Jonizujące działanie leku radioaktywnego można łatwo wykryć za pomocą eksperymentu pokazanego na ryc. 376 (por. t. II, § 92). Eksperymenty M. Curie doprowadziły do następujących wyników.
Ryż. 376. Pomiar prądu jonizacyjnego: 1 – korpus komory jonizacyjnej, 2 – elektroda oddzielona od 1 wtyczką izolacyjną, 3,4 – badany lek, 5 – elektrometr. Opór 
. Przy odpowiednio wysokim napięciu akumulatora wszystkie jony powstałe w objętości komory w wyniku promieniowania jonizującego gromadzą się na elektrodach, a przez komorę punktów przepływa prąd proporcjonalny do jonizującego działania leku. W przypadku braku środków jonizujących powietrze w komorze nie przewodzi, a prąd wynosi zero
1. Radioaktywność wykrywa nie tylko uran, ale także wszystkie jego związki chemiczne. Ponadto odkryto właściwości radioaktywne jeszcze jednego pierwiastka - toru i wszystkich jego związków chemicznych.
2. Radioaktywność leku o dowolnym składzie chemicznym jest równa radioaktywności czystego uranu lub toru, w ilości, w jakiej są one zawarte w tym leku.
Ten ostatni wynik oznacza, że właściwości cząsteczki zawierającej pierwiastek promieniotwórczy nie wpływają na radioaktywność. Zatem radioaktywność nie jest zjawiskiem molekularnym, ale wewnętrzną właściwością atomów pierwiastka promieniotwórczego.
Oprócz czystych pierwiastków i ich związków Curie badała także różne naturalne minerały. Okazało się, że radioaktywność minerałów wynika z obecności w nich uranu lub toru. Jednocześnie jednak niektóre minerały wykazały nieoczekiwanie wysoką radioaktywność. Zatem ruda żywicy uranowej dała czterokrotnie większą jonizację niż zawarty w niej uran.
Zwiększoną aktywność rudy żywicznej można wytłumaczyć jedynie domieszką nieznanego pierwiastka promieniotwórczego w ilości tak małej, że wymykała się ona analizie chemicznej. Pomimo niskiej zawartości pierwiastek ten emitował więcej promieniowania radioaktywnego niż występujący w dużych ilościach uran. W związku z tym radioaktywność tego pierwiastka powinna być wielokrotnie większa niż radioaktywność uranu.
Na podstawie tych rozważań Pierre i Marie Curie podjęli się chemicznej izolacji hipotetycznego pierwiastka z rudy żywicy uranowej. Kontrolą powodzenia operacji chemicznych była radioaktywność na jednostkę masy powstałego produktu, która miała wzrastać wraz ze wzrostem zawartości w nim nowego pierwiastka. Po kilku latach ciężkiej pracy udało im się pozyskać kilka dziesiątych grama czystego pierwiastka, którego radioaktywność była ponad milion razy większa niż uranu. Pierwiastek ten nazywany jest radem (tj. promienistą).
Ze względu na swoje właściwości chemiczne rad należy do metali ziem alkalicznych. Jego masa atomowa okazała się równa 226. Na podstawie właściwości chemicznych i masy atomowej rad umieszczono w dotychczas pustym ogniwie nr 88 układu okresowego Mendelejewa.
Rad jest stałym towarzyszem uranu w rudach, ale występuje w znikomych ilościach - w przybliżeniu rad na uran; W związku z tym ekstrakcja radu jest procesem bardzo pracochłonnym. Rad jest jednym z najrzadszych i najdroższych metali. Jest ceniony jako skoncentrowane źródło promieniowania radioaktywnego.
Dalsze badania Curie i innych naukowców znacznie rozszerzyły liczbę znanych pierwiastków promieniotwórczych.
Wszystkie pierwiastki o numerze seryjnym większym niż 83 okazały się radioaktywne. Znaleziono je jako drobne zanieczyszczenia w uranie, radu i torze.
W ten sam sposób odkryto radioaktywne izotopy pierwiastków talu, ołowiu i bizmutu. Należy zauważyć, że tylko rzadkie izotopy tych pierwiastków zmieszane z uranem, radem i torem są radioaktywne. Zwykły tal, ołów i bizmut nie są radioaktywne.
Oprócz pierwiastków tworzących konie układu okresowego Mendelejewa radioaktywne okazały się także pierwiastki: samar, potas, rubid. Radioaktywność tych pierwiastków jest słaba i trudna do wykrycia.
Wszystkie znane pierwiastki promieniotwórcze należy podzielić na 2 grupy (tabela 2.1): naturalny I sztuczny (technogeniczny).
Wśród naturalne pierwiastki promieniotwórcze długożyciowe (U, Th, K-40, Rb-87 itp.), krótkotrwałe produkty rozpadu długożyciowych izotopów (radu, radonu itp.) oraz nuklidy stale powstające w środowisku naturalnym w wyniku reakcji jądrowych (C-14), H-3, Be-7 itd.).
Sztuczne radionuklidy Można podzielić na:
- podział(produkt rozszczepienia jąder uranu-235 pod wpływem neutronów termicznych według schematu):
90 Sr, 134 Cs, 137 Cs, 140 La, 131 I, 129 I, 99 Tc, 106 Ru, 141 Ce
- transuranowe pierwiastki promieniotwórcze
- produkty aktywacyjne– w wyniku oddziaływania neutronów, kwantów gamma itp. z substancją:
56 Fe, 22 Na, 60 Co, 65 Zn, 32 P
8 Maksymalne dopuszczalne dawki promieniowania na organizm człowieka. Jakie są główne trendy w zmianie tych standardów?
Maksymalna dopuszczalna dawka (MAD) promieniowania jonizującego- normę higieniczną, regulującą najwyższą dopuszczalną wartość indywidualnej dawki równoważnej w całym organizmie człowieka lub w poszczególnych narządach, która nie spowoduje niekorzystnych zmian w stanie zdrowia osób pracujących przy źródłach promieniowania zjonizowanego. Jest stosowany w dziedzinie bezpieczeństwa radiologicznego i jest określony przez prawo. W Federacji Rosyjskiej dokumentem legislacyjnym są „Normy bezpieczeństwa radiologicznego”. SDA polega na naświetlaniu całego organizmu, określonych grup tzw. narządach krytycznych i waha się od 5 do 30 rem (50-300 mSv) rocznie.
Ze względu na narażenie na promieniowanie populację dzieli się na 3 kategorie.
Kategoria A osoby lub personel narażony (pracownicy zawodowi) – osoby, które stale lub czasowo pracują bezpośrednio ze źródłami promieniowania jonizującego.
Kategoria B osoby narażone lub ograniczona część populacji – osoby, które nie pracują bezpośrednio ze źródłami promieniowania jonizującego, ale ze względu na warunki życia lub miejsce pracy mogą być narażone na promieniowanie jonizujące.
Dla kategoria A Wprowadza się dawki maksymalne dopuszczalne – najwyższe wartości indywidualnej dawki równoważnej na rok kalendarzowy, przy których równomierne narażenie przez 50 lat nie może powodować niekorzystnych zmian w stanie zdrowia możliwych do wykrycia nowoczesnymi metodami. Dla kategoria B ustalana jest dawka graniczna.
Ustala się trzy grupy narządów krytycznych:
1 grupa- całe ciało, gonady i czerwony szpik kostny.
2. grupa- mięśnie, tarczyca, tkanka tłuszczowa, wątroba, nerki, śledziona, przewód pokarmowy, płuca, soczewki oka i inne narządy, z wyjątkiem należących do grupy 1 i 3.
3 grupa- skóra, tkanka kostna, dłonie, przedramiona, nogi i stopy.
Oprócz głównych dawek granicznych do oceny skutków promieniowania stosuje się pochodne standardy i poziomy odniesienia. Normy wyliczane są z uwzględnieniem nieprzekraczania dawek granicznych MDA (dawka maksymalna dopuszczalna) i PD (dawka graniczna). Obliczanie dopuszczalnej zawartości radionuklidu w organizmie odbywa się z uwzględnieniem jego radiotoksyczności i nieprzekroczenia maksymalnych dopuszczalnych limitów w narządzie krytycznym. Poziomy referencyjne powinny zapewniać możliwie najniższe poziomy narażenia w ramach dawek podstawowych.
Maksymalne dopuszczalne roczne pobranie radionuklidu przez układ oddechowy;
Dopuszczalna zawartość radionuklidów w narządzie krytycznym DS A;
Dopuszczalna moc dawki promieniowania DMD A;
Dopuszczalna gęstość strumienia cząstek DPP A;
Dopuszczalna aktywność objętościowa (stężenie) radionuklidu w powietrzu obszaru roboczego DK A;
Dopuszczalne zanieczyszczenie skóry, odzieży ochronnej i powierzchni roboczych DZ A.
Limit rocznego pobrania radionuklidu GWP przez narządy oddechowe lub trawienne;
Dopuszczalna aktywność objętościowa (stężenie) radionuklidu DK B w powietrzu atmosferycznym i wodzie;
Dopuszczalna moc dawki DMD B;
Dopuszczalna gęstość strumienia cząstek DPP B;
Dopuszczalne zanieczyszczenie skóry, odzieży i powierzchni DZ B.
Wartości liczbowe dopuszczalnych poziomów zawarte są w całości w „Normach bezpieczeństwa radiologicznego”.
Limity tolerowanych dawek narażenia zmieniały się na przestrzeni lat i ogólnie rzecz biorąc, ponieważ rosnąca wiedza na temat ryzyka nowotworu spowodowanego promieniowaniem wskazuje, że zagrożenie stwarzane przez promieniowanie jest znacznie większe niż wcześniej sądzono, istnieje tendencja do ich obniżania. Aby mieć pewność, że personel nie będzie narażony w stopniu przekraczającym normalne limity, należy odpowiednio kontrolować najważniejsze drogi narażenia. Trzeba także wziąć pod uwagę, że promieniowanie jonizujące oddziałuje na człowieka w różny sposób.
9 Pierwiastki transuranowe – jako zagrożenie radiacyjne
Transuranowe pierwiastki promieniotwórcze- pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej większej niż uran-92:
240 Pu, 239 Pu, 239 U, 239 Np, 247 cm, 241 Am
Wikipedia:
Pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 100 nazywane są elementami transfermowymi. Jedenaście znanych pierwiastków transuranowych (93-103) należy do aktynowców. Pierwiastki transuranowe o liczbie atomowej większej niż 103 nazywane są transaktynoidami.
Wszystkie znane izotopy pierwiastków transuranowych mają okresy półtrwania znacznie krótsze niż wiek Ziemi. Dlatego pierwiastki transuranowe są praktycznie nieobecne w przyrodzie i są otrzymywane sztucznie w drodze różnych reakcji jądrowych. Pierwiastki, aż do fermu włącznie, powstają w reaktorach jądrowych w wyniku wychwytu neutronów i późniejszego rozpadu beta. Pierwiastki transfermowe powstają wyłącznie w wyniku syntezy jądrowej.
Pierwszy z pierwiastków transuranowych, neptun Np (bp 93), otrzymano w 1940 roku w wyniku bombardowania uranu neutronami. Następnie nastąpiło odkrycie plutonu (Pu, bn 94), ameryku (Am, bn 95), kiru (Cm, bn 96), berkelu (Bk, bn 97), kalifornu (Cf, bp 98), einsteinu (Es , bp 99), ferm (Fm, bp 100), mendelew (Md, bp 101), nobel (No, bp 102) i lawrencia (Lr, bp 103). Otrzymano także transactinoidy o numerach seryjnych 104-118; w tej serii pierwiastkom 104-112 przypisano nazwy: rutherford (Rf, 104), dubn (Db, 105), seaborg (Sg, 106), bohr (Bh, 107), has (Hs, 108), meitner ( Mt, 109 ), darmsztadt (Ds, 110), roentgen (Rg, 111), kopernik (Cn, 112). Elementy 113-118 nadal mają tymczasowe nazwy pochodzące od odpowiednich cyfr łacińskich: ununtrium (Uut, 113), ununquadium (Uuq, 114), ununpentium (Uup, 115), unungexium (Uuh, 116), ununseptium (Uus, 117), ununoctium (Uuo, 118).
Mniej więcej zbadano właściwości chemiczne lekkich aktynowców transuranowych otrzymywanych w ilościach wagowych; elementy transfermowe (Md, No, Lr itd.) zostały słabo zbadane ze względu na trudność w ich uzyskaniu i krótki czas życia. Badania krystalograficzne, badania widm absorpcyjnych roztworów soli, właściwości magnetycznych jonów i innych właściwości wykazały, że pierwiastki o p.n. 93-103 - analogi lantanowców. Ze wszystkich pierwiastków transuranowych nuklid plutonu 239Pu znalazł największe zastosowanie jako paliwo jądrowe.
Elementy transuranowe(wtorek).
wszystkie te radionuklidy ulegają rozpadowi α i wszystkie są długowieczne.
Radionuklidy transuranowe (pierwiastki) powstają w wyniku kolejno powtarzających się aktów wychwytu neutronów (n, γ) i późniejszego rozpadu β:
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
Podano tu jedynie główne przemiany, w wyniku których powstają radionuklidy istotne dla radioekologii.
Wraz ze wzrostem Z i A syntetyzowanego jądra jego wydajność gwałtownie maleje. W odróżnieniu od wybuchu jądrowego, w którym synteza TUE zachodzi w czasie 10 -6 ÷ 10 -8 s przy bardzo dużym całkowitym strumieniu neutronów (do 10 23 ÷ 10 23 nn/cm2), w reaktorze jądrowym czas syntezy może trwać wiele lat przy niższym natężeniu strumienia neutronów. Największą wydajność ma reakcja 2. Wydajność 239 Np i 239 Pu przy gęstości strumienia neutronów w reaktorze 10 13 nn/cm 2 s wynosi 0,1 Ci/1 g U.
Reakcja 238 U(n,γ) 239 U → 239 Np → 239 Pu może zachodzić także w warunkach naturalnych pod wpływem neutronów pochodzących ze spontanicznego rozszczepienia U(s,f) oraz neutronów z reakcji (α,n) na zawartym uranie w rudach uranu. Wydajność 239 jąder Pu jest w tym przypadku rzędu (0,4 ÷ 15)·10 -12 w stosunku do zawartości 238 jąder U w rudach.
Pierwiastki transuranowe powstają najintensywniej w reaktorach jądrowych (w tym energetycznych) i są jednym z najcenniejszych produktów przetwarzania spalonego paliwa jądrowego. Oprócz jądrowego cyklu paliwowego i nuklearnych materiałów wybuchowych, awaria w Czarnobylu była źródłem emisji paliw.
Wszystkie pierwiastki transuranowe są bardzo aktywne chemicznie. Ich charakterystyczną cechą jest zdolność do tworzenia związków z wodorem, azotem, tlenem, halogenami, a także związków złożonych. Ich stopnie utlenienia wahają się od 2+ do 7+.
Wartościowość radionuklidów plutonu wynosi od 2 + do 7 + (2 + jest najmniej charakterystyczne). W większości przypadków radionuklidy plutonu tworzą nierozpuszczalne związki. Tlenki plutonu PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 i fazy o zmiennym składzie od Pu 2 O 3 do Pu 4 O 7. W roztworach wodnych tworzy jony (od 3 + do 7 +), a wszystkie jony mogą znajdować się w roztworze w tym samym czasie (z wyjątkiem 7 +). Są podatne na hydrolizę (zdolność ta wzrasta w serii PuO Wartościowość 241 Am wynosi od 2 + do 7 +, przy czym najmniej charakterystyczna to 2 + i 7 +, a stabilna 3 +, w stanie stałym i w postaci kompleksów w roztworze - 4 +. Tlenki AmO, Am 2 O 3 i AmO 2. Tworzy azotek AmN, siarczek Am 2 S, a także związek metaloorganiczny Am(C 5 H 5) 3. Ameryk tworzy rozpuszczalne związki z halogenami (AmCl 2, AmBr, AmJ 3). Tworzy złożone związki z kwasami mineralnymi i organicznymi. W przeciwieństwie do plutonu, związki ameryku mają większą rozpuszczalność, a co za tym idzie, większą zdolność migracji. Na stopniu utlenienia 3+ właściwości TUE są podobne do właściwości lantanowców, ale mają bardziej wyraźną zdolność do tworzenia kompleksów (wzrasta w szeregu U Na stopniu utlenienia 4+ tworzą tlenki, fluorki, są trwałe w roztworach wodnych (U, Np, Pu), w roztworach wodnych tworzą kompleksy. Związki (wodorotlenki, fluorki, jodki, fosforany, węglany) są trudno rozpuszczalne. Silne środki kompleksujące (skłonność wzrasta od U do Am). Na stopniu utlenienia 5 + występuje w postaci dwutlenków MeO 2 +. Ta forma jonowa decyduje o właściwościach chemicznych - niskiej skłonności do hydrolizy i tworzenia kompleksów. Na stopniu utlenienia 6+ występują w postaci jonów MeO 2 2+. Znana jest znaczna liczba związków złożonych. Na stopniu utlenienia 7+ Pu jest najbardziej stabilny. W stanie stałym występuje w postaci jonów MeO 5 5-, MeO 5 3-, 4- i MeO 4 – a w roztworach – w postaci uwodnionej anionu MeO 5 3+. Ogólnie rzecz biorąc, wzorce migracji plutonu i ameryku są podobne. Dlatego wystarczy wziąć pod uwagę specyfikę migracji radionuklidów plutonu. Determinuje je rozpuszczalność związków plutonu w środowisku naturalnym, a zwłaszcza początkowa postać chemiczna. Podczas wybuchów jądrowych tą formą są praktycznie nierozpuszczalne tlenki, a przede wszystkim pojedyncze atomy, które wraz z globalnym opadem docierają na powierzchnię Ziemi i dopiero tutaj mogą tworzyć rozpuszczalne związki. W emisjach cyklu paliwa jądrowego dominują rozpuszczalne związki plutonu, a także jego złożone związki z ligandami organicznymi. Emisje powstałe w wyniku awarii w Czarnobylu miały szczególnie złożony skład. Można je podzielić na 4 grupy
: A- drobno rozproszone cząstki paliwa wyrzucane mechanicznie z rdzenia, o składzie radionuklidów podobnym do wypalonego paliwa jądrowego; osiadały na powierzchni ziemi w strefie bliskiej (R ≤ 60 – 70 km). B– miału paliwowego i innych produktów umiarkowanie wzbogaconych w lotne radionuklidy; zawartość radionuklidów plutonu jest ~ 2 razy wyższa niż oczekiwano; osiadły na powierzchni ziemi w strefie R ≤ 100 km. W– emisje silnie wzbogacone w lotne radionuklidy, w tym pluton; osiadły na powierzchni ziemi w strefie R ≤ 150 km i dalej. G– emisje wzbogacone do 200-krotnie radionuklidami plutonu, w tym częściowo rozpuszczalnymi związkami plutonu; osiadł na powierzchni ziemi w odległej strefie. Różnice w tych grupach emisji wynikają głównie z różnicy temperatur panujących w reaktorze awaryjnym w momencie wybuchu. Zawartość rozpuszczalnych w tlenie form plutonu wzrasta od grupy A i B do grup C, D 4 – 15-krotnie i osiąga 55 ÷ 85%. Obecnie głównym zbiornikiem plutonu i radionuklidów 241 Am są osady powierzchniowe i denne gleby (ponad 99% pochodzi z opadów globalnych i czarnobylskich oraz z emisji z przedsiębiorstw zajmujących się cyklem paliwa jądrowego). W obiektach biologicznych te pierwiastki transuranowe stanowią nie więcej niż 1% (głównie w roślinach, a u zwierząt kolejne 5 ÷ 10 4 razy mniej). Radionuklidy plutonu występują głównie w postaci nierozpuszczalnej 4+. Współczynnik dyfuzji w glebie wynosi ~ 10 -9 cm/s. Tylko około 10% tych radionuklidów może występować w postaci rozpuszczalnej, dostępnej dla roślin. Wśród roślin najwyższe stężenie radionuklidów plutonu charakteryzują rośliny nisko rosnące (trawy, mchy, porosty). Jest to konsekwencja faktu, że radionuklidy plutonu są redystrybuowane na powierzchni ziemi głównie w wyniku przenoszenia przez wiatr i erozji. Współczynnik akumulacji pierwiastków transuranowych przez rośliny jest bardzo niski (10 -1 ÷ 10 -3). Stosunki izotopowe radionuklidów plutonu zawartych w glebie różnych regionów znacznie się różnią ze względu na różnice w źródłach ich zaopatrzenia (globalne, od jądrowego cyklu paliwowego, po awarii w Czarnobylu). Zatem stosunek 240 Pu/239 Pu z wybuchów jądrowych wynosi (0,05 ÷ 0,06); z globalnego opadu - około 0,176; z emisji jądrowego cyklu paliwowego wraz z opadem globalnym – (0,049 ÷ 0,150) oraz z opadu w Czarnobylu – (0,30 ÷ 0,35). Stosunki izotopów dla różnych regionów różnią się w następujących granicach: Można zauważyć, że głównym radionuklidem plutonu w emisjach jest 239 Pu. Emisje 238 Pu i 242 Pu są bardzo małe. Pomimo stosunkowo niskiej emisji 241 Pu, odgrywają one szczególną rolę, gdyż w wyniku rozpadu tego radionuklidu powstaje długożyciowy 241 Am. Dlatego zawartość 241 Am w środowisku stale rośnie. I tak w latach 1940-1990. zawartość 241 Am w atmosferze wzrosła 2-krotnie. Bezwzględna zawartość radionuklidów plutonu w glebie i aerozolach atmosferycznych jest bardzo zróżnicowana, szczególnie w zależności od odległości od elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Zatem w aerozolach atmosferycznych zawartość plutonu zmniejsza się 10 4-krotnie przy przejściu ze strefy bliskiej do dalekiej (w której zawartość plutonu kształtuje się na poziomie 19 Bq/l), gęstość osadzania zmniejsza się ~170-krotnie (do do poziomu 1,25 10 5 Bq/m2), zawartość na powierzchni gleby zmniejsza się ~370-krotnie (do poziomu ~10 Bq/m2). Ogólnie rzecz biorąc, w miarę oddalania się od elektrowni jądrowej w Czarnobylu poziom zanieczyszczeń zbliża się do tła zanieczyszczeń globalnych - dla powierzchni ziemi (10 ÷ 60) Bq/m 2 . Średnia aktywność właściwa radionuklidów plutonu w glebach europejskiej części Rosji wynosi ~ 140 Bq/kg, na tle globalnego zanieczyszczenia wynoszącego około 60 Bq/kg.