Химия радиоактивных элементов - это химия технеция, прометия, астата, урана, тория и продуктов их распада - полония, родона, франция, радия, актиния и протактиния, трансурановых элементов, а также мезоатомов и водородоподобных атомов - мюония, позитрония. К этому разделу условно можно отнести технологию ядерного оружия.
Прикладная радиохимия занимается широким кругом вопросов и включая: химию ядерного горючего, радиохимию АЭС, получение естественных и искусственных активных элементов, изотопов, и синтез меченых ими соединений, применение радиоактивных нуклидов в науке и промышленности в качестве радиоактивных индикаторов и в приборах неразрушающего контроля, экологические проблемы.
Радиационная химия изучает химические превращения в системах при воздействии на них ионизирующих излучений. Радиационная химия близко соприкасается с радиохимией, но не составляет предмета последней. Но поскольку радиохимики и радиоэкологи имеют дело с радиоактивными системами, рассмотрение основных вопросов радиационной химии вполне уместно в курсе радиохимии и радиоэкологии.
1.3 Особенности радиохимии
Характерные особенности радиохимии, отличающие ее от других разделов химии, вытекают из общего свойства всех объектов ее изучения- радиоактивности. Это свойство делает неприменимым одно из фундаментальных положений классической химии- неизменяемость природы химического элемента.
Наиболее важные аспекты явления радиоактивности, обусловливающие особенности радиохимии:
1. Ограниченность времени существования подавляющего большинства радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов;
2. Принципиально иная природа процессов, происходящих в радиоактивных нуклидах, и обусловленные этим огромные масштабы энергетических изменений;
3. Изменение химической природы элемента в результате радиоактивных превращений.
В отличие от объектов исследования классической химии, часть объектов, изучаемых в радиохимии, существует кратковременно. Отсюда в ходе радиохимических исследований исключительно важной становится роль фактора времени (необходимость тщательного планирования эксперимента и отработки всех стадий исследования, использование экспрессных методик и т. д.) С этой особенностью связано также акцентирование внимания на определенных изотопах исследуемого элемента.
Ограниченность времени существования объектов радиохимии влечет за собой необходимость проводить исследования с исключительно малыми количествами и концентрациями радиоактивных веществ.
Необходимость работы с малыми концентрациями диктуется не только не невозможностью получения ряда некоторых радиоактивных элементов в сколько-нибудь значительных количествах, но чрезвычайно большими энергетическими эффектами, сопутствующими радиоактивным превращениям. Эти эффекты на 5-6 порядков превышают соответствующие изменения при обычных химических реакциях.
Характерной особенностью радиохимии является то, что она изучает состояния и законы поведения ультрамалых количеств вещества и имеет свои собственные методы исследования.
Необходимость проведения исследований с ничтожно малыми количествами вещества влечет, в свою очередь за собой целый ряд следствий и прежде всего подверженность радиоактивных элементов сильнейшему влиянию процессов, которые при работе с весовыми количествами веществ не играют сколько - нибудь заметной роли (адсорбция, коллоидообразование).
Физико-химические процессы, происходящие в системах, включающих радиоактивные элементы, несравнимо более сложны, чем в случае стабильных элементов.
Возможность проведения радиохимических исследований с чрезвачайно малыми количествами вещества определяется очень высокой чувствительностью методов детектирования радиоактивных нуклидов
1.4 Значение радиохимии
Значение радиохимии, как и любой науки, определяется влиянием, которое она оказала и оказывает на научно- технический прогресс. Прежде всего, радиохимия сыграла огромную роль в разработке теоретических и экспериментальных основ ядерной промышленности. На основе радиохимических исследований, сделан целый ряд открытий, таких как естественная радиоактивность, превращаемость элементов, ядерная изомерия, изотопия, искусственная радиоактивность и деление тяжелых ядер. Значительная роль принадлежит радиохимии в открытии и получении новых элементов.
Бурное развитие радиохимических исследований, связанное с работами по использованию ядерной энергии, применением радиоактивных изотопов в качестве индикаторов во многих областях науки и техники, а также в приборах неразрушающего контроля вывело радиохимию из ограниченной области знания в разряд ведущих дисциплин.
Одной из важных особенностей радиохимии как пограничной науки является ее высокая продуктивность, обусловленная синтезом идей и методов химии и физики.
1.5 Радиохимия и экология
Радиактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших количествах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях ядерной энергетики и оборонной промышленности. Попадая в окружающую среду они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.
Определение содержания радиоактивных веществ в окружающей среде, наблюдение за путями распространения в ней различных радионуклидов, изучение миграции их по пищевым цепям и проникновения в организм животных и человека, составляют задачу одного из разделов экологии– радиационной экологии.
Радионуклиды, попадающие в окружающую среду, в основном находятся в ультрамалых концентрациях. Поэтому для определения, и в особенности для выделения радиоактивных компонентов, требуется предварительное концентрирование исследуемых радиоактивных веществ, иногда из очень больших объемов первоначального материала. Так, для определения 90Sr, 137Cs, 238U, 232 Th в морской воде требуется отбирать пробы объемом 200-500 л. Изучение концентрации продуктов деления в воздухе нередко требует фильтрации 105 м3 воздуха для получения одной пробы.
Одной из задач радиохимии является исследование форм нахождения радионуклидов в изучаемых объектах.
Поэтому очень важны исследования состояния радионуклидов в почвах, в различных организмах, в воде, особенно в океане, который постепенно становится источником пищевых ресурсов человека.
Радиохимия дает в руки радиоэкологов методы определения малых концентраций радионуклидов.
Глава 2. Физические основы радиохимии
2.1 Элементарные частицы
За последние несколько десятилетий в физику «вошел» новый материальный мир - мир элементарных частиц.
Элементарными частицами называются мельчайшие составные части материи, которые при современном состоянии знания не могут быть разложены на более мелкие частицы. Некоторые из них были открыты в космических лучах, но большинство было создано искусственно с помощью мощных ускорителей заряженных частиц - главнейшего экспериментального орудия физики элементарных частиц. На протяжении всей истории развития естественных наук ученые искали « кирпичики мироздания», то есть неделимые первичные частицы (элементарные частицы), из различных сочетаний которых построен материальный мир.
На определенном этапе развития науки роль этих частиц довольно успешно выполняли атомы. Однако открытие Дж. Дж. Томсоном в 1895 г. электрона, Х-лучей Рентгеном и радиоактивности развенчало представление об атоме как элементарной частице. После открытия в 1932 г. нейтрона Дж. Чедвиком и создания протонно-нейтронной модели структуры ядра Резерфордом элементарными частицами были признаны электрон, протон и нейтрон.
В настоящее время открыто множество других элементарных частиц. Полный список элементарных частиц и античастиц насчитывает сотни названий. Число их значительно больше, чем число химических элементов в таблице Менделеева. Сейчас уже не подлежит сомнению, что многие частицы сами имеют сложную структуру. Например, протон и нейтрон – составные частицы атомного ядра– построены сами из « более элементарных частиц», тем не менее, исторически сложившееся название «элементарные частицы» продолжает существовать. Трудно сказать, есть ли какой-нибудь критерий «элементарности» данной частицы. Однако элементарные частицы, несомненно, имеют такие общие свойства, которые качественно отличают их от сложных частиц или от макроскопических тел.
К общим свойствам элементарных частиц относятся:
1. У многих элементарных частиц существуют свои двойники (частица и античастица). Они имеют одинаковые значения массы, спина и других характеристик, но отличаются знаком электрического заряда. Например, пары: электрон-позитрон, протон- антипротон.
2. Элементарные частицы способны к аннигиляции, одновременному исчезновению при столкновениях с превращением всей их энергии покоя в энергию других частиц или фотонов. Например, при столкновении электрона с позитроном обе эти частицы исчезают и появляются два фотона, которые обычно разлетаются в разных направлениях,
eˉ + e+ =2 γ
3. Основными характеристиками элементарных частиц являются их заряд, масса покоя, механический момент (спин) и магнитный момент; для нестабильных элементарных частиц указываются дополнительно время жизни и тип распада.
Массы покоя всех известных в настоящее время частиц лежат в интервале от 0 до 2600 me (1330 МэВ). Массу покоя обычно выражают в единицах массы покоя электрона me или единицах энергии (МэВ). Масса покоя легчайшей частицы- электрона, эквивалентна энергии 0,52 МэВ, тогда как масса покоя наиболее тяжелых частиц превышает 2·103 МэВ. Обычно массу электрона me принимают за единицу измерения массы покоя всех других частиц.