книги / Общая химия.-1

Вопросы и задачи для самоконтроля

17.1.Что такое радиоактивный распад? Укажите основные типы радиоактивного распада и их особенности.

17.2.Укажите, одинаковый ли период полураспада у двух образцов следующих

132

17.3. Вычислите, через какое время после получения изотопа 531 от него оста­ ется восьмая часть его исходной массы?

§17.2. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Получение новых ядер. Искусственная радиоактивность.

Процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других элементов или с элементарными частицами, при которых образуются ядра новых элементов, получили название я д е р н ы х р е а к ц и й . Чаще всего ядерные реакции представляют» собой взаимодействие ядер с частицами сравнительно небольшой массы (а-частицами, про­ тонами, нейтронами и т.д.)* . Первую ядерную реакцию в лаборато­ рии осуществил Э. Резерфорд (1919)

N + 2 Не -►178 О + р

Ядерные реакции, подобно химическим, подразделяются на реак­ ции замещения, присоединения, диссоциации и обратимые. Например:

реакция замещения

' зВ+а- >' бС + р

реакция присоединения

”А1+п - > “ А1 + у

Впроцессе ядерных реакций образуются ядра, способные к само­ произвольному распаду. Явление самопроизвольного распада искус­

ственно полученных ядер называют и с к у с с т в е н н о й р а д и о ­ а к т и в н о с т ь ю . Искусственную радиоактивность открыли в 1933 г. французские ученые Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри, осуществившие ядерную реакцию:

■ '^3 А1 + 2 Не -> п + .™Р

* Для осуществления ядерных реакций необходимо сообщить частицам высокую энергию (порядка МэВ).

521

Радиоизотоп фосфора-30 неустойчив и распадается с образовани­ ем устойчивого ядра кремния по уравнению реакции

Искусственный синтез элементов. Открытие ядерных реакций и искусственной радиоактивности' имело огромное значение для науки и техники. Появилась возможность искусственного синтеза элемен­ тов. Впервые неизвестный ранее элемент технеций был синтезирован в 1937 г. по уравнению реакции

« М о + 2Н Тс + п

Позднее были синтезированы трансурановые элементы с поряд­ ковыми номерами 93—112. Наибольшие успехи в этой области были достигнуты интернациональной группой ученых в Дубне под руково­ дством Г.Н.Флерова и американскими учеными под руководством Г.Сиборга.

В качестве примера приведем несколько реакций синтеза транс­ урановых элементов:

2,4 Ри + а-> 2^ Ст+п

*Ри + 22Не-> ™Ки + 4п

Использование радиоактивных изотопов. Радиоактивные изо топы нашли широкое применение в различных областях науки и тех­ ники. Они используются в приборах промышленного контроля, на­ пример, для выявления дефектов в металлах и сплавах и определения уровня жидкости в закрытых емкостях, испытания износостойкости двигателей. Ценным методом научного исследования стал метод ме­ ченых атомов. Этот метод заключается в том, что к исследуемому элементу добавляют в незначительном количестве радиоактивный изотоп, по излучению которого судят о поведении элемента в тех или иных процессах и о его содержании в объеме или на поверхности раздела веществ. В медицине радиоактивные изотопы используют для диагностики и лечения. С помощью радиоактивных изотопов определяют возраст углеродосодержащих материалов, горных пород Земли и космических тел.

522

Например, возраст углеродосодержащих материалов определяет­ ся с помощью радиоизотопа углерода-14, который образуется в верх­ них слоях атмосферы по реакции

N + п -> 146 С + I Н

Радиоактивный углерод усваивается растениями и затем живот­ ными. Он претерпевает радиоактивный р-распад

'*С-> ‘, N + 6

По содержанию радиоактивного углерода в отмерших организмах или растениях можно судить о возрасте углеродосодержащего веще­ ства. Возраст минералов можно определить по отношению свинца206, образующего в результате радиоактивного распада урана-238 (см. рис. 17.1), к урану-238.

Большое распространение получил радиоактивационный анализ, при котором стабильные изотопы анализируемого вещества с помо­ щью облучения превращают в радиоактивные. По интенсивности излучения судят о количестве вещества.

Итак, в результате ядерных реакций происходят искусственные радиоактивные превращения веществ и возможен искусственный синтез элементов. Радиоактивные изотопы используются в различных областях деятельности человека.

Вопросы для самоконтроля

17.4.Что понимается под термином ядерная реакция и «искусственная радиоак­ тивность»?

17.5.Как можно определить возраст углеродосодержащих материалов?

§17.3. ВОЗДЕЙСТВИЯ, ВЫЗВАННЫЕ РАДИОАКТИВНЫМИ ИЗЛУЧЕНИЯМИ

Обнаружение радиоактивного излучения. Для обнаружения радиоактивности наиболее широко используются счетчики Гейгера и ецинтилляционные счетчики. Действие первого основано на ионизации вещества под действием тех или иных лучей. Счетчик Гейгера состоит из трубки, в середине которой находится проволока (анод), подклю­ ченная к (+) внешнего источника тока. Катодом цепи является ци-

•линдр трубки. Трубка заполнена аргоном или другим газом. Под дейст­ вием радиоактивного излучения (а-, (3- или у -лучей), проникающего в трубку, происходит ионизация молекул, в результате которой возни­ кает ток, усиливаемый и регистрируемый в специальном устройстве.

523

Принцип действия сцинтилляционного счетчика основан на де­ тектировании флюоресценции сульфида цинка, вызываемой радиоак­ тивным излучением.

Воздействие радиоактивного излучения. Под действием радио­ активного излучения происходит разрыв химических связей и разру­ шение молекул. Образующиеся при этом радикалы вступают в раз­ личные химические реакции, нарушая нормальное функционирова­ ние клеток. Глубина проникновения в организм лучей зависит от их типа. Так, а-лучи через кожу практически не проникают, (3-лучи — проникают на глубину 1 0 — 2 0 мм, у-лучи и рентгеновские лучи через организм проникают практически беспрепятственно. Чрезвычайно опасно попадание в организм радиоактивных веществ с пищей и питьем. Воздействие радиоактивных веществ зависит от их природы. Так, излучение стронция-90, замещающего кальций в костях, вызыва­ ет раковые заболевания. Криптон-85 воздействует на кожу и легкие.

Радиоактивные излучения могут вызывать соматические эффек­ ты, проявляющиеся в течение всей жизни организма, в том числе в виде уменьшения числа лейкоцитов, заболевания лимфатических желез, рака крови (лейкемии). Кроме того, возможны генетические последствия, которые пока еще мало изучены.

Доза облучения. Суммарную дозу излучения (у, а и р и др.) мож­ но выразить в единицах энергии на массу организма (Дж/кг). Однако, воздействие на организм зависит не только от характера лучей, но и

ТАБЛИЦА 17.2. Воздействие радиоактивного излучения на человека и допустимые дозы излучения

524

вида живых тканей, поэтому вводят поправочный коэффициент. Про­ изведение поглощенной дозы излучения и поправочного коэффици­ ента называется э к в и в а л е н т н о й д о з о й и з л у ч е н и я и выра­ жается в СИ в Зивертах (13в = 1Дж/кг). Используется также единица

расчеты, среднегодовая доза облучения шведов и американцев в сво­ их домах от радона составляет 200-300 мбэр, т.е. выше среднего фо­ нового облучения (рис. 17.3). Радон попадает как из строительных материалов, так и из грунтов, на которых стоят дома. Часть радиоак­ тивных веществ человеку поступает с пищей, особенно с дарами моря и олениной. Довольно высокое радиоактивное облучение человек получает с парами воды в бане или в ванной комнате.

525

Вопросы и задачи для самоконтроля

17.6Объясните принцип действия сцинтилляционного счетчика и счетчика Гей­

гера.

17.7Какими единицами выражается доза облучение?

17.8Рассчитайте время, за которое облучение человека достигает предельно до­ пустимой дозы для аварийной ситуации при нахождении его на открытой местности,

вкирпичном доме (степень ослабления радиации 10), в деревянном доме (степень ослабления радиации 2), если прошло радиоактивное заражение местности с интен­ сивностью 10 Зв/ч.

§17.4. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Ядерное деление. В конце 30-х годов итальянским ученым Э. Фер­ ми и немецким ученым О. Ганом было открыто деление ядер урана при облучении нейтронами, а российскими учеными Петржаком и Г.Флеровым — самопроизвольное деление ядер урана. Реакция деления ядер

526

урана сопровождается выделением громадного количества энергии.Например, при делении 1 кг урана по реакции

выделяется энергия, эквивалентная энергии реакции горения 2 млн. кг угля.

Как видно из уравнения, в процессе реакции увеличивается число нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать новые деления ядер, т.е. возникает цепная ядерная реакция — ядерный взрыв. Раз­ ветвленная ядерная реакция осуществляется в атомной бомбе.

Атомные реакторы. Число нейтронов, спосрбных к продолже­ нию ядерной реакции, можно регулировать введением в реакционный объем стержней, замедляющих или поглощающих нейтроны. При этом ядерная реакция становиться управляемой и используется в атомных реакторах для получения электрической энергии на электро­ станциях (АЭС), электрической и тепловой энергии на транспортных объектах (атомоходах).

Основным ядерным топливом в атомных реакторах служит уран235, способный к ядерному деле­ нию при облучении нейтронами, имеющими определенную скорость движения. Обычно в атомных реак­

щими стержнями, содержащими вещества, поглощающие нейтроны (бор, кадмий). Теплота от ТВЭЛов отводится теплоносителем.

52 7

По мере накопления продуктов деления ядерного топлива ухуд­ шается работа реактора, поэтому ТВЭЛы периодически заменяются на новые. Для снижения радиоактивности отработанные ТВЭЛы дли­ тельное время хранятся рядом с реактором в специальном бассейне. После этого уран и плутоний отделяются от продуктов ядерного рас­ пада, которые поступают на захоронение в специально отведенных местах.

Внастоящее время применяются два типа атомных энергетиче­ ских реакторов:

а) с замедлителями из графита или тяжелой воды (Э20 ) с газовым или водяным охлаждением;

б) с замедлителем из обычной воды или графита с водяным охла­ ждением.

ВРоссии наиболее широко используются водо-водяные энергети­ ческие реакторы (ВВЭР). Замедлителями нейтронов служит бор, ко­ торый вводится в виде Н 3В О 3. Для нейтрализации Н 3В О 3 в контур добавляют КОН или ЫОН. Кроме того, используются канальные

реакторы большой мощности (РБМК), состоящие из графитовых бло­ ков, в цилиндрических каналах которых находятся ТВЭЛы. Реакторы РБМК установлены на Курской, Ленинградской, Чернобыльской (Украина), Смоленской и других АЭС. Тяжелейшая авария четверто­ го блока Чернобыльской АЭС показала, что эти реакторы недоста­ точно надежны. Эта авария привела к пересмотру отношения к АЭС в нашей стране. Следует, однако, замелить, что АЭС, работающие вс Франции, Японии и других странах, проявили себя достаточно на­ дежными и обеспечили чистоту окружающей среды. Без решения проблемы значительного повышения надежности, АЭС в нашей стра­ не дальнейшее развитие атомной энергетики будет невозможно.

Серьезной проблемой энергетики является также хранение отхо­ дов атомной промышленности, включая отходы обогатительных фабрик, предприятий, производящей фториды и оксиды урана, АЭС и других предприятий. Только вблизи обогатительных фабрик накопи­ лось более 100 млн. т отходов. Радиоактивные отходы АЭС можно захоронить под землю. Однако нет полной уверенности, что при дли­ тельном хранении они не попадут в подземные воды. Необходимо дальнейшее изучение этой проблемы.

В природном уране содержится 99,3% урана-238 и лишь 0,7% урана-235. При таком соотношении изотопов цепная ядерная реакция

528

не развивается. Для обеспечения протекания ядерной реакции при­ родный уран обогащают ураном-235, примерно до 3%. Так как содер­ жание урана-235 в природе невелико, то при ускоренном развитии атомной энергетики природные запасы его могут быстро истощиться. Однако учеными открыты ядерные реакции, в результате которых вы­ деляется энергия и вырабатывается новое ядерное топливо, например:

238

92

232

90

Образующиеся в результате реакций плутоний-239 и уран-233 мо­ гут использоваться для получения атомной энергии.

Процесс воспроизводства ядерного горючего осуществляется в атомных реакторах-размножителях.

При воздействии на плутоний 239 быстрых нейтронов (БН) на 10 поглощенных выделяется 29 нейтронов. Быстрые нейтроны значи­ тельно меньше поглощаются конструкционными материалами и про­ дуктами деления. В России работает реактор-размножитель БН-600 на Белоярской АЭС.

Термоядерный синтез. Энергия может быть получена не только при делении тяжелых ядер, но и при слиянии легких ядер, при этом возникает дефект массы. За счет реакции слияния легких ядер выде­ ляется энергия на Солнце. Реакции слияния легких ядер получила название я д е р н о г о с и н т е з а . Некоторые реакции ядерного син­ теза приведены нике:

Как видно, при протекании ядерного синтеза выделяется гро­ мадное количество энергии, которое в миллиарды и десятки милли­ ардов раз превышает количество энергии, выделяемое при горении органического топлива. Особенно энергетически выгодны реакции

(1) и (4). Следует также отметить, что продукты ядерного синтеза, как правило, не радиоактивны.

Однако такие реакции могут осуществляться при очень высоких температурах, составляющих миллионы градусов, поэтому они назы­ ваются т е р м о я д е р н ы м и . Например, для реакции (1) необходима температура 40 млн. градусов. Для достижения таких высоких на­ чальных температур требуется специальный источник энергии, на­ пример, энергия мощных лазеров. Очень трудной является также задача ограничения реакции в пространстве. Если удастся преодолеть эти трудности, человечество получит практически неограниченный источник энергии.

Итак, человечество освоило технологию превращения ядерной энергии в электрическую. Однако необходима дальнейшая работа по повышению надежности АЭС. Остается пока нерешенной проблема хранения отходов атомной промышленности. Имеется перспектива использования термоядерной энергии.

Вопросы для самоконтроля

17.9.Какие металлы и для какой цели используются в атомных реакторах?

17.10.Что такое реакторы-размножители?

§17.5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

К радиоактивным относят все элементы после висмута, однако наибольший интерес представляют актиноиды-уран, торий и плуто­ ний, которые нашли применение в ядерных реакторах или в автоном­

ных источниках энергии.

Торий. Это элемент с атомным номером 90, атомной массой 232,038. Содержание в земной коре 810"*% (масс, доли) в основном в виде изотопа 232ТЬ (П,2 = 1,39-1010 лет). Электронная структура 6</7я2,

степень окисления+2,+3 и +4, последняя наиболее характерна. Хотя стандартный электродный потенциал реакции

ТЬ < -»ТЬ4' +Ле ,

имеет отрицательное значение^ °98= — 1,90 В), однако на воздухе торий устойчив вследствие образования пассивных слоев. Порошко­ образный торий пирофорен. Торий пассивируется под действием сильных окислителей, таких, как концентрированная ЮТО3 . Медлен­ но растворяется в разбавленных растворах НЕ, НЫ03 и Н28 С>4 и кон­ центрированных растворах НС1 и Н3Р04. Реагируют с фтором и при нагревании с Н2, С12, Вг2, 8 , Р, N2 и Н28 . Для получения тория и его

530