- •Содержание
- •Введение
- •Общая характеристика
- •История открытия
- •От актиния до нептуния
- •От плутония до лоуренсия
- •Изотопы
- •Распространение в природе
- •Получение
- •Cвойства
- •Физические свойства
- •Зависимость металлического и ионного радиусов от порядкового номера элемента
- •Химические свойства
- •Соединения актиноидов
- •Оксиды и гидроксиды
- •Соли кислот
- •Координационные соединения
- •Применение
- •Токсичность
- •Заключение
- •Приложение а
- •Приложение б
- •Выделение урана и плутония из ядерного топлива
- •Температуры плавления актиноидов
- •Приложение в
-
Изотопы
К 1982 году было известно 24 изотопа актиния, на данный момент известен 31 изотоп актиния и ещё 8 возбужденных изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе были найдены три изотопа — 225Ac, 227Ac и 228Ac, остальные получаются искусственным путём. На практике применяют три природных изотопа. Актиний-225 является членом радиоактивного ряда нептуния; был впервые обнаружен в 1947 году в качестве продукта распада урана-233. Если выдержать 1 г урана-233 в течение года, то активность образовавшегося в образце 225Ac составит 1,8×106 расп/мин. Данный нуклид является α-излучателем с периодом полураспада 10 сут. Актиний-225 по сравнению с актинием-228 менее доступен, но в практическом отношении как радиоактивный индикатор является более перспективным.
Актиний-227 — член радиоактивного ряда урана-актиния. Встречается во всех урановых рудах, однако в малых количествах. На один грамм урана при радиоактивном равновесии приходится всего 2×10−10 г 227Ac. Период полураспада изотопа 227Ac составляет 21,77 лет.
Актиний-228 является членом радиоактивного ряда тория; был открыт О. Ганом в 1906 году. Данный изотоп образуется при распаде 228Ra. В 1 т тория содержится 5×10−8 г 228Ac. Изотоп является β−-излучателем с периодом полураспада 6,15 ч.
Из изотопов протактиния известны 29 нуклидов с массовыми числами 212—240 и 3 возбужденных изомерных состояния некоторых его нуклидов. Из этого количества только два нуклида — 231Pa и 234Pa — встречаются в природе, остальные — синтезируются. Продолжительность жизни всех изотопов, за исключением протактиния-231, невелика. С практической точки зрения наиболее важными являются долгоживущий изотоп 231Pa и искусственно полученный 233Pa. Протактиний-233 является промежуточным продуктом при получении урана-233, он же является наиболее доступным среди других искусственных изотопов протактиния. По своим физическим свойствам (период полураспада, энергия γ-излучения и др.) является удобным веществом для химических исследований. Благодаря данному изотопу было получено очень много ценных химических сведений по химии протактиния. Протактиний-233 является β-излучателем с периодом полураспада 26,97 дня.
Уран имеет 25 его изотопов с массовыми числами 217—242. Для урана известно наличие 6 изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе в заметных количествах уран находится в виде трёх изотопов — 234U, 235U и 238U. Из всех остальных важнейшим является 233U, который получается как конечный продукт превращений при облучении 232Th замедленными нейтронами. Ядро 233U обладает эффективным поперечным сечением деления на тепловых нейтронах, по сравнению с 235U. Из большинства изотопов урана наиболее удобным для изучения химических свойств считается уран-238, период полураспада которого составляет 4,4×109 лет.
В настоящее время известно 19 изотопов нептуния с массовыми числами от 225 до 244. Для работы с изотопами обычно применяются долгоживущий 237Np (T½=2,20×106 лет) и короткоживущие 239Np, 238Np. Важнейшим из них является нептуний-237. Данный изотоп наиболее пригоден для исследования физических и химических свойств. Спектр данного изотопа является очень сложным и состоит из более 20 энергетических линий. Применение больших количеств 239Np в химической лаборатории осложняется его высокой радиоактивностью.
Для изотопов америция на данный момент известно 16 нуклидов с массовыми числами от 232 до 248. Важнейшими из них являются 241Am и 243Am, оба являются альфа-излучателями; имеют мягкое, но интенсивное γ-излучение; оба они могут быть получены в изотопически чистом виде. Химические свойства америция были изучены в основном на 241Am, однако в дальнейшем стали доступны весовые количества 243Am, который более удобен для химических исследований, так как почти в 20 раз менее активен, чем америций-241. Недостатком изотопа 243Am является наличие короткоживущего дочерноего изотопа нептуния-239 (см. приложение Б, табл Б 1), с которым приходится считаться при определении по γ-активности.
На данный момент известно 19 изотопов кюрия. Наиболее доступные из них — 242Cm, 244Cm являются α-излучателями, но имеют гораздо меньшие, чем у изотопов америция, периоды полураспада. У этих изотопов почти отсутствует γ-излучение, но зато заметным являются спонтанное деление и связанное с ним испускание нейтронов.
Более долгоживущие изотопы кюрия(245—248Cm, все α-излучатели) образуются в виде смеси при облучении нейтронами плутония или америция. В этой смеси при не очень продолжительном облучении преобладает кюрий-246, а затем начинает накапливаться кюрий-248. Оба эти изотопа, особенно 248Cm, имеют большие периоды полураспада и гораздо более удобны для проведения химических исследований, чем 242Cm и 244Cm; однако они также обладают довольно большой скоростью спонтанного деления. Наиболее долгоживущий изотоп кюрия — 247Cm — не образуется в больших количествах из-за сильного деления на тепловых нейтронах.
Для берклия известно 14 изотопов с массовыми числами 238—252. Единственный доступный из них в больших количествах — 249Bk имеет сравнительно малый период полураспада (330 дней) и испускает в основном мягкие β-частицы, неудобные для регистрации. У него имеется также слабое альфа-излучение (1,45×10−3 % по отношению к β-излучению), которое иногда используется для определения этого изотопа. Известен долгоживущий изотоп берклия-247 с периодом полураспада 1380 лет, имеющий альфа-излучение, но пока он не получен в весовых количествах. Образование изотопа при нейтронном облучении плутония не происходит из-за β-стабильности изотопов кюрия с массовым числом меньше 248.
Изотопы калифорния с массовыми числами 237—256 образуются в ядерном реакторе, как и другие. Изотоп калифорния-253 является β-излучателем, а все остальные — α-излучателями. Кроме того, изотопы с чётными массовыми числами (250Cf, 252Cf и 254Cf) характеризуются большой скоростью спонтанного деления, особенно изотоп калифорния-254, у которого 99,7 % распадов происходит путём спонтанного деления. Стоит отметить изотоп калифорния-249, который обладает довольно большим периодом полураспада (352 года) и слабым спонтанным делением. У этого изотопа имеется и сильное γ-излучение, которое может значительно облегчить его идентификацию. Изотоп 249Cf не получается в больших количествах в ядерном реакторе вследствие медленного β-распада материнского изотопа 249Bk и большого сечения взаимодействия с нейтронами, однако он может быть накоплен в изотопически чистом виде как продукт β-распада предварительно выделенного 249Bk. Калифорний, выделенный из облучённого в реакторе плутония, содержит в основном изотопы 250Cf и 252Cf (при большом потоке нейтронов преобладает 252Cf), и работа с ним затруднена из-за мощного нейтронного излучения.
Известно 16 изотопов эйнштейния с массовыми числами от 241 до 257. Наиболее доступным из его изотопов является 253Es — α-излучатель с периодом полураспада 20,47 дней, имеющий относительное слабое γ-излучение и небольшую по сравнению с изотопами калифорния скорость спонтанного деления. При более длительном облучении в реакторе образуется также долгоживущий 254Es (T½=275,5 дней).
Из изотопов фермия известно 19 нуклидов с массовыми числами от 242—260. Изотопы 254Fm, 255Fm, 256Fm являются α-излучателями с короткими периодами полураспада (часы) и поэтому не могут быть выделены в весовых количествах. Но при более длительном и мощном облучении можно, по-видимому, ожидать накопления заметных количеств долгоживущего изотопа фермия-257 (T½=100 дней). Все изотопы фермия, в том числе и 257Fm, характеризуются очень большими скоростями спонтанного деления.
Для менделевия известно 15 нуклидов с массовыми числами от 245 до 260. Все исследования свойств изотопов менделевия проводились с 256Md, который распадается главным образом путём электронного захвата (α-излучение ≈ 10 %) с периодом полураспада 77 минут. Известен долгоживущий изотоп 258Md (T½=53 дня), он также является альфа-излучателем. Оба эти изотопа получают из изотопов эйнштейния (соответственно 253Es и 255Es), поэтому возможность получения изотопов менделевия ограничивается количеством имеющегося эйнштейния.
Долгоживущие изотопы нобелия имеют малые периоды полураспада; по аналогии, все последующие после актиноидов элементы имеют все меньшие (местами) периоды полураспада. Для этого элемента известно 11 его нуклидов с массовыми числами от 250 до 260, и 262. Изучение химических свойств нобелия и лоуренсия проводились с изотопами 255No (T½=3 мин.) и 256Lr (T½=35 сек.). Наиболее долгоживущий 259No (Т½≈1,5 часа) синтезирован в 1970 году.
Основные свойства изотопов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Ядерные свойства важнейших изотопов трансплутониевых элементов |
||||||
Изотоп |
Период полураспада |
Вероятность спонтанного деления, % |
Энергия излучения, МэВ (выход, в %) |
Удельная активность |
||
α |
γ |
α, β-частицы, Бк/кг |
деления, Бк/кг |
|||
241Am |
432,2(7) лет |
4,3(18)×10−10 |
5,485 (84,8) 5,442 (13,1) 5,388 (1,66) |
0,059 (35,9) 0,026 (2,27) |
1,27×1014 |
546,1 |
243Am |
7,37(4)×103 лет |
3,7(2)×10−9 |
5,275 (87,1) 5,233 (11,2) 5,181 (1,36) |
0,074 (67,2) 0,043 (5,9) |
7,39×1012 |
273,3 |
242Cm |
162,8(2) суток |
6,2(3)×10−6 |
6,069 (25,92) 6,112 (74,08) |
0,044 (0,04) 0,102 (4×10−3) |
1,23×1017 |
7,6×109 |
244Cm |
18,10(2) года |
1,37(3)×10−4 |
5,762 (23,6) 5,804 (76,4) |
0,043 (0,02) 0,100 (1,5×10−3) |
2,96×1015 |
4,1×109 |
245Cm |
8,5(1)×103 лет |
6,1(9)×10−7 |
5,529 (0,58) 5,488 (0,83) 5,361 (93,2) |
0,175 (9,88) 0,133 (2,83) |
6,35×1012 |
3,9×104 |
246Cm |
4,76(4)×103 лет |
0,02615(7) |
5,343 (17,8) 5,386 (82,2) |
0,045 (19) |
1,13×1013 |
2,95×109 |
247Cm |
1,56(5)×107 лет |
— |
5,267 (13,8) 5,212 (5,7) 5,147 (1,2) |
0,402 (72) 0,278 (3,4) |
3,43×109 |
— |
248Cm |
3,48(6)×105 лет |
8,39(16) |
5,034 (16,52) 5,078 (75) |
— |
1,40×1011 |
1,29×1010 |
249Bk |
330(4) суток |
4,7(2)×10−8 |
5,406 (1×10−3) 5,378 (2,6×10−4) |
0,32 (5,8×10−5) |
5,88×1016 |
2,76×107 |
249Cf |
351(2) год |
5,0(4)×10−7 |
6,193 (2,46) 6,139 (1,33) 5,946 (3,33) |
0,388 (66) 0,333 (14,6) |
1,51×1014 |
7,57×105 |
250Cf |
13,08(9) года |
0,077(3) |
5,988 (14,99) 6,030 (84,6) |
0,043 |
4,04×1015 |
3,11×1012 |
251Cf |
900(40) лет |
? |
6,078 (2,6) 5,567 (0,9) 5,569 (0,9) |
0,177 (17,3) 0,227 (6,8) |
5,86×1013 |
— |
252Cf |
2,645(8) года |
3,092(8) |
6,075 (15,2) 6,118 (81,6) |
0,042 (1,4×10−2) 0,100 (1,3×10−2) |
1,92×1016 |
6,14×1014 |
254Cf |
60,5(2) суток |
≈100 |
5,834 (0,26) 5,792 (5,3×10−2) |
— |
9,75×1014 |
3,13×1017 |
253Es |
20,47(3) суток |
8,7(3)×10−6 |
6,540 (0,85) 6,552 (0,71) 6,590 (6,6) |
0,387 (0,05) 0,429 (8×10−3) |
9,33×1017 |
8,12×1010 |
254Es |
275,7(5) суток |
< 3×10−6 |
6,347 (0,75) 6,358 (2,6) 6,415 (1,8) |
0,042 (100) 0,034 (30) |
6,9×1016 |
— |
255Es |
39,8(12) суток |
0,0041(2) |
6,267 (0,78) 6,401 (7) |
— |
4,38×1017(β) 3,81×1016(α) |
1,95×1013 |
255Fm |
20,07(7) ч |
2,4(10)×10−5 |
7,022 (93,4) 6,963 (5,04) 6,892 (0,62) |
0,00057 (19,1) 0,081 (1) |
2,27×1019 |
5,44×1012 |
256Fm |
157,6(13) мин |
91,9(3) |
6,872 (1,2) 6,917 (6,9) |
— |
1,58×1020 |
1,4×1019 |
257Fm |
100,5(2) суток |
0,210(4) |
6,752 (0,58) 6,695 (3,39) 6,622 (0,6) |
0,241 (11) 0,179 (8,7) |
1,87×1017 |
3,93×1014 |
256Md |
77(2) мин |
— |
7,142 (1,84) 7,206 (5,9) |
— |
3,53×1020 |
— |
257Md |
5,52(5) ч |
— |
7,074 (14) |
0,371 (11,7) 0,325 (2,5) |
8,17×1019 |
— |
258Md |
51,5(3) суток |
— |
6,73 |
— |
3,64×1017 |
— |
255No |
3,1(2) мин |
— |
8,312 (1,16) 8,266 (2,6) 8,121 (27,8) |
0,187 (3,4) |
8,78×1021 |
— |
259No |
58(5) мин |
— |
7,455 (9,8) 7,500 (29,3) 7,533 (17,3) |
— |
4,63×1020 |
— |
256Lr |
27(3) с |
< 0,03 |
8,319 (5,4) 8,390 (16) 8,430 (33) |
— |
5,96×1022 |
— |
257Lr |
646(25) мс |
— |
8,796 (18) 8,861 (82) |
— |
1,54×1024 |
— |