- •Глава 1. История, предмет и задачи радиохимии
- •1.1 История радиохимии
- •1.2 Предмет и задачи радиохимии
- •1.3 Особенности радиохимии
- •1.4 Значение радиохимии
- •1.5 Радиохимия и экология
- •Глава 2. Физические основы радиохимии
- •2.1 Элементарные частицы
- •2.2 Протонно-нейтронный состав ядер
- •2.3 Свойства атомного ядра
- •2.3.1 Заряд, число нуклонов и масса ядра
- •2.3.2 Размеры ядер
- •2.3.3 Изотопы, изобары, изотоны
- •2.4 Энергия ядра
- •2.4.1 Энергия покоя
- •2.4.2 Энергия связи ядра
- •2.5 Устойчивость ядер
- •2.6 Ядерные силы
- •2.7 Ядерные модели
- •2.7.1 Капельная модель
- •2.7.2 Модель ферми-газа
- •2.7.3 Оболочечная модель
- •Вопросы
- •Глава 3. Радиоактивность
- •3.1 Законы радиоактивного распада
- •3.2 Абсолютная радиоактивность
- •3.3 Период полураспада
- •3.4 Радиоактивное равновесие
- •3.5 Радиоактивные семейства
- •Вопросы
- •Глава 4. Типы ядерных превращений
- •4.1 Альфа - распад
- •4.2 Бета - распад
- •4.3 Гамма - излучение ядер (изомерный переход)
- •4.4 Спонтанное деление
- •4.5 Испускание запаздывающего протона
- •4.6 Испускание запаздывающего нейтрона
- •Вопросы
- •Глава 5. Взаимодействие ядерного излучения с веществом
- •5.1 Взаимодействие альфа – частиц с веществом
- •5.2 Взаимодействие электронов с веществом
- •5.2.1 Ионизационные потери
- •5.2.2 Тормозное излучение (радиационные потери)
- •5.2.3 Излучение вавилова – черенкова
- •5.2.4 Электронно–позитронная аннигиляция
- •5.2.5 Пробеги электронов в веществе
- •5.3 Взаимодействие гамма – квантов с веществом
- •5.3.1 Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение)
- •5.3.2 Комптоновское рассеяние
- •5.3.3 Образование электрон-позитронной пары
- •5.3.4 Когерентное рассеяние
- •5.3.5 Ослабление гамма-излучения в веществе
- •5.4 Взаимодействие нейтронов с веществом
- •Вопросы
- •ГлАва 6. Радиационная химия
- •6.1 Количественные характеристики радиационно –химических превращений
- •6.2 Основные виды радиационно-химических превращений
- •6.3 Радиационная химия воды и водных растворов
- •6.3.1 Выходы продуктов радиолиза воды
- •6.4 Действие ионизирующих излучений на органические вещества
- •6.5 Радиолиз водных растворов днк ( дезоксирибонуклеиновая кислота)
- •6.6 Радиолиз водных растворов белков
- •6.7 Радиационная стойкость материалов
- •6.7.1 Радиационная стойкость некоторых материалов ядерной энергетики
- •6.8 Радиационно- химические технологии
- •Глава 7. Получение радионуклидов. Ядерные реакции
- •7.1 Ядерные реакции
- •7.2 Механизм ядерных реакций
- •2. Закон сохранения числа нуклонов.
- •7.3 Основные характеристики ядерных реакций
- •7.3.1 Выход ядерной реакции
- •7.3.2 Эффективное сечение ядерных реакций
- •7.4 Классификация ядерных реакций
- •7.5 Ядерные реакции и образование радионуклидов в природе
- •7.6 Получение радионуклидов по ядерным реакциям
- •7.6.1 Реакции, при которых заряд ядра z не меняется
- •7.6.4 Получение радионуклидов из продуктов распада урана и тория
- •Вопросы
- •Глава 8. Особенности поведения радиоактивных веществ в ультраразбавленных растворов
- •8.1 Коллоидообразование
- •8.2 Адсорбция
- •Вопросы
- •Глава 9. Методы выделения, разделения и концентрирования радиоактивных изотопов
- •9.1 Соосаждение
- •9.1.1 Количественная теория соосаждения
- •9.2 Экстракция
- •9.2.1 Виды экстракционных равновесий
- •9.2.2 Константа и коэффициент распределения
- •9.2.3 Достоинствами экстракционных методов являются
- •9.3 Хроматография
- •9.3.1 Ионообменная хроматография
- •9.3.2 Распределительная хроматография
- •9.3.3 Осадочная хроматография
- •9.4Электрохимические методы
- •9.4.1 Метод без применения внешней эдс (бестоковое осаждение, цементация)
- •9.4.2 Метод с применением внешней эдс ( электролиз)
- •9.4.3 Разделение изотопов методом электромиграции (электрофорез)
- •9.5 Метод сциларда – чалмерса (эффект отдачи)
- •9.6 Другие методы
- •Глава 10. Химия радиоактивных элементов
- •10.1 Технеций (экамарганец) 43Tc
- •10.2 Прометий –
- •10.3 Полоний
- •10.4 Астат (85At)
- •10.5 Радон (86Rn)
- •10.6 Франций ( 87Fr)
- •10.7 Радий (88Ra)
- •10.8 Актиноиды (89Ас, 90Th, 91Pa, 92u, 93Np, 94Pu, 95Am, 96Cm, 97Bк, 98Cf, 99Es, 100Fm, 101Md, 102No, 103Lr)
- •10.8.1 Общие свойства актиноидов
- •10.8.2 Актиний (89Ас)
- •10.8.3 Торий (90th)
- •10.8.5 Уран (92u)
- •10.9 Трансурановые элементы ( 93Np, 94Pu, 95Am)
- •10.9.1 Общие свойства трансурановых элементов
- •10.9.2 Нептуний 93Np
- •10.9.3 Плутоний (94pu)
- •10.9.4 Америций (95am )
- •10.10 Трансамерициевые актиноиды (96Cm, 97Bк, 98Cf, 99Es, 100Fm, 101Md, 102No, 103Lr)
- •10.10.1 Общие свойства трансамерициевыех актиноидов
- •10.10.1 Кюрий(96Cm)
- •10.10.2 Берклий ( 97Bk)
- •10.10.3 Калифорний (98Cf)
- •10.10.4 Эйнштейний (99Es)
- •10.10. 5 Фе́рмий (100Fm)
- •10.10.6 Менделевий 101Md
- •10.11 Трансактиноидные элементы (104Rf, 105Db, 106Sb, 107Bh, 108Hs, 109Mt, 110Ds, 111Rg, 112-118)
- •10.11.1 Общие свойства трансактиноидных элементов
- •10.11.2 Резерфордий (104Rf до 1974 г. Курчатовий)
- •10.11.3 Дубний (нильсборий, ганий)
- •Глава 11. Химия радиоактивных элементов
- •11.1 Технеций (экамарганец) 43tc
- •11.2 Прометий –
- •11.3 Полоний
- •11.4 Астат
- •11.5 Радон (86Rn)
- •11.6 Франций ( 87Fr)
- •11.7 Радий (88Ra)
- •11.8 Актиний ( 89Ас) и актиноиды
- •11.9 Торий (90Th)
- •11.10 Протактиний 91Pa
- •11.11 Уран
- •11.12 Трансурановые элементы
- •11.13 Трансамерициевые актиноиды (96Cm, 97Bк, 98Cf, 99Es, 100Fm, 101Md, 102No, 103Lr)
- •11.14 Трансактиноиды
- •Глава 12. Химия радиоактивных элементов
- •12.1 Технеций (экамарганец) 43Tc
- •12.2 Прометий –
- •12.3 Полоний
- •12.4 Астат
- •12.5 Радон ( 86Rn)
- •12.6 Франций( 87Fr)
- •12.7 Радий (88Ra)
- •12.8 Актиний ( 89Ас) и актиноиды
- •12.8.1 Общие свойства актиноидов
- •Глава 13. Некоторые вопросы прикладной радиохимии
- •14.1 Получение ядерной энергии
- •Приложение
4.2 Бета - распад
Бета распадом называется процесс самопроизвольного превращения нейтрального ядра в ядро - изобар с зарядом отличным на Z = ±1. Скорость, испускаемых при бета-распаде - частиц близка к скорости света.
Как и -излучение, - излучение отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.
Согласно правилу смещения Фаянса-Содди - распад приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на одну клетку правее от исходного элемента без изменения массового числа.
Для того, чтобы отличать электроны, возникающие при ядерных превращениях, их стали называть бета-частицами. Несмотря на то, что обычно говорится об испускании электронов ядрами, атомные ядра в чистом виде не содержат электроны. Бета – частица образуется в самом акте ядерного превращения.
Известны три вида -распада: электронный -распад, позитронный +-распад и электронный К-захват электрона ядром с одной из ближайших к ядру оболочек.
При бета-распаде массовые числа ядер не изменяются, а изменяется лишь заряд, на единицу больше в случае --распад и на единицу меньше в случае +-распада и К-захвата. Согласно правилу сдвига Фаянса-Содди, для этих типов распада можно записать:
Все три вида -распада сводятся к следующим видам взаимного превращения нуклонов в ядре.
--распад – no р+ + e- + ; Р S + e- + ; ( -распад);
+-распад – р no + е+ + ; С В + е+ + (+-распад);
К-захват – р+ + e- n + ; Cs + e- Xe + ( К- захват)
Таким образом, электроны и позитроны не находятся в ядре, а возникают в момент перехода одного нуклона в другой. Как видно из схем - превращений, характерной чертой всех видов превращений является испускание нейтрино или антинейтрино .
Впервые понятие о нейтрино ввел В. Паули в 1930 году для объяснения «потерянной» части энергии при радиоактивном распаде с испусканием электрона. Суммарная энергия частиц и гамма квантов, оказывалась несколько меньшей энергии частиц, вступающих во взаимодействие. Паули предположил, что недостающая часть энергии улетает с частицей, которую он назвал «нейтрино». Нейтрино – незаряженная элементарная частица обладает массой покоя, близкой к нулю. Нейтрино обладает исключительной проникающей способностью. Его крайне трудно обнаружить, так как прохождение нейтрино через материальную среду практически не сопровождается каким-либо эффектом. Такими же свойствами обладает и антинейтрино.
Как видно из схем превращений при электронном бета-распаде один из нейтронов превращается в протон, и материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Схематически этот процесс представляется таким образом:
С
Электронный бета-распад может сопровождаться также гамма- излучением. Это происходит в том случае, когда в процессе распада, образуется ядро, находящееся не в основном, а в возбужденном состоянии. Примером такого распада служит превращение стронция в иттрий:
+ +
Обратный процесс превращения протона в нейтрон в свободном состоянии невозможен, поскольку масса нейтрона больше массы протона. Однако ядра, расположенные в координатах N и Z ниже линии стабильности, в результате перегруппировки нуклонов, могут перейти из менее стабильного состояния в более стабильное состояние путем замены одного протона на нейтрон. При этом протон теряет свой заряд, превратившись в нейтрон и позитрон (е+), частицу несущую положительный заряд, но обладающую массой электрона. Так как при испускании позитрона происходит захват электрона с электронной оболочки, обеспечивающий сохранение электронейтральности атома, позитронный распад может протекать в случае, если разность энергий в конечном и исходном состояниях превышает 1,02 МэВ, то есть больше массы покоя двух электронов. При позитронном распаде позитрон немедленно покидает ядро, и после замедления его масса аннигилирует вместе с массой электрона. О наличии позитронного распада свидетельствует регистрация двух гамма - квантов с энергиями 0,51 МэВ. Этот процесс идет с поглощением энергии, так как масса нейтрона больше массы протона.
При аннигиляции позитрона с электроном их масса полностью превращается в энергию двух - квантов. Эта энергия образуется за счет перестройки остального ядра:
е_ + е+ 2 + 1,02 Мэв
Позитронная эмиссия очень редка у естественных радионуклидов и встречается в основном у искусственно полученных радионуклидов с помощью ускорителей частиц:
О N + e+; Fe Mn + e+ +
Если значение энергии превращения меньше 1,02 Мэв, то эмиссия позитронов не возможна. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путем захвата электрона так называемого К-захвата.
Для ядер тяжелых элементов с недостатком нейтронов (нейтронодефицитное ядро), превращения протонов в нейтроны происходит только по механизму электронного К-захвата. Поскольку в атоме К-электроны в среднем находятся наиболее близко к ядру, то существует некоторая вероятность захвата ядром электрона с К – оболочки.
Так как масса нейтрона больше суммарной массы протона и электрона, для реализации этой реакции нужна дополнительная энергия. Эта энергия берется за счет увеличения энергии связи у вновь образовавшегося ядра. Для атомов тяжелых элементов К-захват более вероятен, чем позитронная эмиссия.
Захват электрона ядром всегда сопровождается рентгеновским излучением, так как на освободившееся место на нижнем энергетическом уровне сразу переходят орбитальные электроны из оболочек расположенных выше.
Кроме того, К-захват сопровождается испусканием электронов Оже с возбужденных электронных оболочек атома.
Для ядер легких элементов распространены все три варианта - распада.
As Se +e-+
As Ge +e++
As+ e- Ge +
Бета-распад энергетически возможен, если масса покоя системы в начальном состоянии больше ее массы покоя в конечном.
Поскольку масса покоя нейтрино (антинейтрино) равно 0, энергетические условия - превращений имеют вид:
М(Z,A) М(Z + 1), A + me- ( ) - распад
М(Z,A) М(Z - 1), A + me+ (+) распад
М(Z,A) + me М(Z - 1), A -К захват
Из этих условий видно, что К- захват энергетически более выгодный, чем позитронный распад.
Так как энергия возбуждения, которая уносится из ядер при - распаде перераспределяется между электроном и антинейтрино или между позитроном и нейтрино и подчиняется закону случайностей, - распад имеет непрерывный энергетический спектр. Сумма энергий - частицы и нейтрино (антинейтрино) всегда равна постоянной величине, характерной для данного изотопа и называется максимальной энергией - спектра.
Э. Ферми вывел эмпирическое уравнение, связывающее максимальную энергию - излучения с постоянной распада, л:
л = k E
Максимальная энергия бета- частиц лежит в интервале 0,015 – 15 МэВ, а периоды полураспада изменяются от 0.3 с до 6.1014 лет