Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет имени В.Н.Каразина

А. П. Красноперова

_____________________________________________________________

Основы радиохимии и радиоэкологии

Учебное пособие для вузов

Харьков

2010

УДК 541.28

Рецензенты: зав. кафедрой

Доктор Коваленко

Красноперова А. П.

Основы радиохимии и радиоэкологии: Учебное пособие для вузов.-

Харьков: Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина

Предисловие

Немного открытий найдется на памяти человечества, которые так круто меняли бы его судьбу, как открытие явления радиоактивности.

Оно помогло раскрыть сложную внутреннюю структуру атома, что привело к пересмотру коренных представлений об окружающем нас мире, к ломке устоявшейся классической картины мира. Квантовая механика была создана специально для объяснения явлений, происходящих внутри атома. Это в свою очередь вызвало пересмотр и развитие математического аппарата физики, изменило лицо самой физики, химии и ряда других наук. Пожалуй, трудно назвать сейчас область науки и техники, на которую не повлияло бы открытие явления радиоактивности.

Это открытие по своему значению так велико, что ХХ век стали называть «атомным веком». Самые современные отрасли промышленности обязаны своим возникновением радиоактивным атомам, и в первую очередь, конечно, атомная энергетика и связанная с ней атомная промышленность.

Радиохимия- ровесница века, получившего название «атомный», одна из тех отраслей знаний, которые в большой степени определили научный и технический прогресс прошлого века. Радиохимии принадлежит ведущая роль в технологии получения новых элементов и новых изотопов, которые находят применение в самых различных областях науки и техники, а также в изучении их физико-химических свойств и поведения в различных средах.Если в начале 900-х годов, к моменту зарождения радиохимии, было известно всего несколько десятков естественно радиоактивных элементов и их изотопов, то сейчас их более 1500, включая значительное число изотопов искусственных элементов.

Настоящее учебное пособие возникло в результате обобщения материала курса лекций по основам радиохимии и радиоэкологии, читаемых автором в Харьковском национальном университете им. В. Н. Каразина на протяжении нескольких лет. Учебное пособие написано в соответствии с программой курса, утвержденной методическим советом химического факультета

Предлагаемая книга написана в виде учебного пособия для вузов и охватывает широкий круг вопросов, относящихся к современной радиохимии и радиоэкологии.

Правила отбора учебного материала для основ радиохимии как общехимической дисциплины, его основную ориентацию, круг выбранных тем, глубину их изложения, были обусловлены тем фактором, что слушатели данного курса после окончания химического факультета не обязательно будут работать в радиохимических лабораториях.

В связи с этим блок лекций по радиохимии содержит сведения общекультурного характера, отвечающие минимальному образовательному цензу, который должен предъявляться выпускнику химического факультета любого университета.

Книга состоит из двух частей. Первая часть посвящена рассмотрению основ радиохимии, вторая - основ радиоэкологии.

В первой главе кратко изложена история радиохимии, ее значение и место среди других разделов химии. Вторая и третья главы посвящены физическим основам радиохимии. Сюда входят сведения о строении ядерной материи, о закономерностях и видах радиоактивного распада, о ядерных излучениях и их взаимодействии с электронной оболочкой и ядром, о ядерных реакциях,

В книге отдельные главы посвящены основным вопросам общей радиохимии: поведению ультрамалых концентраций радиоактивных веществ в различных в растворах, так как именно в таких количествах получаются радионуклиды по ядерным реакциям и в результате распада ядер. В таких же концентрациях радионуклиды содержатся в объектах окружающей среды.

Особое внимание уделено вопросам разделения и очистки радиоактивных изотопов, их идентификации, а также химическим проблемам ядерной энергетики, ядерного топливного цикла и захоронения радиоактивных отходов, что непосредственно примыкает к радиоэкологической части курса.

Опираясь на полученные знания, будущий химик, не имея непосредственного касательства к радиохимии, должен уметь при необходимости корректно поставить задачу, осмыслить полученную информацию и принять правильное решение.

Втора часть учебника посвящена вопросам радиоэкологии. Неблагоприятная радиоэкологическая обстановка в некоторых регионах страны, заметный вес ядерной энергетики в общем энергетическом хозяйстве (5 атомных станции), использование радиоактивных источников в научных исследованиях и медицине, ряд серьезных факторов социально-психологического характера, в частности, широко распространенная радиофобия, заставляют высшую школу обратить внимание на радиоэкологическую грамотность населения. С этой целью в разделе, посвященном основам радиоэкологии, основное внимание уделяется вопросам действия ионизирующего излучения на живые организмы, источники поступления и миграции радиоактивных веществ в окружающей среде.

В книге рассматриваются проблемы безопасной работы атомных станций.

Известно, что одной из основных проблем, возникающих при работе атомных станций, является проблема захоронения радиоактивных веществ, образующихся в результате деления ядерного горючего. Этому вопросу посвящен специальный раздел учебника. Анализируется авария на Чернобыльской АЭС и ее воздействие на окружающую среду.

Серьезное внимание уделяется в курсе нормированию воздействия радиации на живые организмы, физическим и химическим методам защиты от внутреннего и внешнего облучения.

Книга рассчитана на студентов химических и смежных специальностей вузов, а также может быть полезна для специалистов в области химии, биологии, ядерной физики и для всех тех, кто интересуется химией и проблемами выживания человечества в сложных экологических условиях.

Глава 1. История, предмет и задачи радиохимии

1.1 История радиохимии

Возникновение радиохимии как науки связано с открытием первых естественных радиоактивных элементов и изучением их свойств.

Все началось с открытия немецким физиком Конрадом Рентгеном в 1895 году неизвестного излучения, способного беспрепятственно проникать через различные вещества. К. В. Рентген однажды заметил явление: при прохождении тока высокого напряжения через газоразрядную трубку начинал светиться лежащий на столе экран, покрытый тонким слоем платино-цианистого бария. Возникшее излучение он назвал Х-лучами, которые впоследствии стали называть рентгеновскими. Это историческое открытие было сделано в лаборатории Вюрцбургского университета.

Рис. К. В. Рентген

Заслуга Рентгена состоит в том, что он не только увидел необычное явление, но и попытался дать ему научное объяснение. Современники по достоинству оценили открытие и изучение свойств нового излучения. В 1901 году В. К. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике. Сегодня мы понимаем, что открытие Рентгена было не просто выдающимся, оно распахнуло дверь в новый таинственный мир, полный неожиданностей, загадок и неведомых для человека и всего живого на земле последствий.

За этим гениальным открытием последовал ряд не менее важных следующих одно за другим открытий. Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований Рентгена.

Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

Весной 1896 А. Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана. Для проверки этого предположения он поместил различные фосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получил неожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка с которой соприкасался кристалл соли урана.

Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Сообщения А. Беккереля на современников большого впечатления не произвели, так как всех больше интересовали всепроникающие Х лучи,открытые Рентгеном. Анри Беккерель оставляет свои исследования и начинает заниматься эффектом Зеемана. Исследования А. Беккереля продолжила его ученица Мария Склодовская-Кюри и ее муж физик Пьер Кюри. В 1898 г.

Рис. Анри Беккерель

Пьер и Мария Кюри обнаружили, что источником лучей Беккереля может быть не только уран, но и торий. Это жепрактически одновременно с ними обнаружил немецкий физик Герхардт Шмидт. Результаты, полученные независимо в двух лабораториях, указывали, что свойство испускать такие лучи есть более широкое явление, чем первоначально предполагалось. Свойство излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистрации применять более удобный электрический метод, что значительно ускорило процесс исследований. Мария Кюри вводит новый термин «радиоактивность» как самопроизвольные превращения атомов химического элемента с испусканием излучения. Начатый Пьером и Марией Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана.Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Переработав несколько тонн урановой руды, и используя в качестве носителей барий и висмут, они получили два очень радиоактивных осадка: сернокислый барий и гидроокись висмута. В сернокислом барии был найден новый химический элемент, аналог щелочноземельных металлов, названный М. Кюри радием.

Во втором осадке был обнаружен ранее неизвестный элемент, названный в честь родины Марии Кюри полонием. Для получения новых элементов, содержащихся в руде, был разработан новый радиохимический метод носителей, заключающийся в том, что микроколичества этих элементов соосаждались с весовым количеством осадков – носителей. В поисках радиоактивных элементов, содержащихся в урановой руде, зародились первые методы радиохимии, зародился новый раздел химии - радиохимия

Рис.1.1 Мария и Пье р Кюри в лаборатории

При этом указываются два пути идентификации новых радиоактивных элементов: химический (осаждение с носителем стабильных элементов) и физический (по изменению физических характеристик веществ под действием излучения). С этого момента изменилось отношение к открытому Анри Беккерелем явлению. Следует отметить, что свое открытие супруги Кюри не запатентовали, а опубликовали научную статью. Это дало толчок к дальнейшему исследованию явления радиоактивности учеными различных лабораторий и стран.

И так, выдающиеся исследования Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри заложили основы новой области знаний, возникшей на границе физики и химии.

По мере изучения явления радиоактивности и свойств радиоактивных веществ отчетливо начали вырисовываться два тесно взаимодействующих направления исследований в этой области. Одно из них - чисто физическое, изучало природу и свойства радиоактивности, законы радиоактивных превращений и т.д. Развитие этого направления привело к возникновению ядерной физики.

Другое направление первоначально ставило своей основной задачей исследование химической природы радиоактивных веществ и продуктов их превращений. Развитие этого направления привело к развитию радиохимии.

В истории развития радиохимии можно выделить два периода: ранний ( 1898-1933 г. г.) и современный (с 1934 г. и по настоящее время). Каждый из периодов характеризуется качественно различными объектами изучения, процессами, лежащими в основе получения этих объектов, а также круг явлений и проблем, на которых в тот момент концентрировалось основное внимание исследователей.

Раний период характеризуется:

– возникновением и становлением радиохимии как науки, открытием естественных радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов( П. и М. Склодовская-Кюри Кюри, О. Хан, Л. Мейтнер, Г. Дебьерн,1898-1899);

– установлением природы радиоактивности и основных законов радиоактивного распада (М. Склодовская-Кюри и П. Кюри, Ф. Содди, Э. Резерфорд, 1900-1903);

установлением закономерностей изменения химической природы элементов в результате радиоактивного распада и формулировкой закона сдвига ( Ф. Содди и К. Фаянс, 1909-1912);

– открытием и изучением явления изотопии (Ф. Содди, А. Флек, 1911-1913;)

размещением радиоактивных элементов в периодической системе(Ф. Содди и К. Фаянс,1913) и формированием представлений о естественных радиоактивных рядах;

открытием первой ядерной реакции (Э. Резерфорд,1919);

открытием и исследованием процессов изотопного обмена (Д. Хевеши, 1920);

изучением поведения радиоактивных элементов, находящихся в субмикроколичествах, в различных физико-химических процессах и формулировкой правил определяющих их поведение в при выделении твердых фаз из растворов ( К. Фаянс, П. Бэр ,Ф .Панет, А. П. Ратнер, Т. Сведберг, О. Ган и др., 1913-1926);

установлением количественных закономерностей управляющих процессами сокристаллизации ничтожно малых количеств радиоактивных элементов (О. Ган, В. Г. Хлопин, А. Дернер, Д. Хоскинс, 1924-1933);

открытием нейтрона ( Дж.Чэдвик,1932);

разрабтокой термодинамической теории изоморфной сокристаллизации и адсорбции радиоактивных нуклидов (А. П. Ратнер, 1933);

открытием явления радиоколлоидообразования и исследованием электррохимического поведениярадиоактивных нуклидов (Ф. Панет, Т. Годлевский, И. Е. Старик, М. Гайсинский, 1913-1933);

В результате этих исследований возникли такие разделы радиохимии как общая радиохимия, химия радиоактивных элементов и прикладная радиохимия.

Современный период развития радиохимии начался с 1934 г. Все достижения этого периода связаны с открытием супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри явления искусственной радиоактивности.

Рис. 1. 2. Ирен и Фредерик Жолио‑Кюри в лаборатории

В эти же годы были созданы ускорители заряженных частиц: циклотроны, бетатроны, ускорители Ван – де – Граафа. Эти устройства позволили получить радиоактивные изотопы многих элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Возникла область радиохимии, направленная на химическое изучение ядерных реакий и выделение получаемых радиоактивных продуктов.

Важнейшие события этого периода развития радиохимии:

открытие искусственной радиоактивности и радиохимическая идентификация радиоактивных нуклидов, возникающих в результате протекания ядерных реакций (И. и Ф. Жолио– Кюри, 1934);

открытие и изучение химических эффектов, индуцируемых радиационным захватом нейтронов и радиохимическая идентификация продуктов возникающих при этом ( Л. Сциллард, Т. Чалмерс, 1934);

открытие явления деления под действием медленных нейтронов ядер урана –235 и радиохимическая идентификация образующихся нуклидов (О. Ган, Ф. Штрассман, 1939);

открытие спонтанного деления урана ( Г.Н. Флеров и К.А. Петржак, 1940);

идентификация первого искусственно полученного радиоактивного элемента-технеция ( К. Перрье, Э. Сегре, 1937). Открытие и радиохимическое изучение франция ( М. Перей, 1939)и астата ( Д. Корсон, К. Маккензи, Э. Сегрэ, 1940);

создание первых технологических схем производства плутония и возникновение ядерной энергетики( 1940- 1954);

исследование химических последствий при изомерных переходах и в результате бета-распада атомов в составе молекулярных систем (В. Д. Нефедов, М. А. Торопова, Е.Н. Синотова, 1953-1984);

– синтез и изучение свойств трансурановых элементов( Э. Мак- Миллан, П. Абельсон, Г. Сиборг, 1940) и создание актиноидной теории (Г.Сиборг, 1945-1949);

получение и радиохимическое изучение трансактиноидных элементов вплоть до № 110. Исследования в области сверхтяжелых элементов (Г. Н. Флеров, И. Звара, Ю. Ц. Оганесян, Г. Сиборг, А. Гиорсо, с 1962…)

Благодаря исследованиям, выполненным в этот период, получили интенсивное развитие все ранее сложившиеся области радиохимии и возникли новые области, такие как ядерная химия и химия процессов индуцированных ядерными превращениями. Этот период характеризуется практической реализацией наиболее важных достижений радиохимии.