Радиоактивность. Радий, свойства, области применения

     Министерство  образования и  науки РФ 

                     Государственное образовательное  учреждение

                     Высшего профессионального  образования 

                     «Вятский  государственный  университет» 

                     Кафедра неорганической и  физической химии 
 
 
 
 
 

      Контрольная работа 

                         Тема: Радиоактивность. Радий, свойства, области применения. 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил студент:     Галкин Сергей Сергеевич (7708) 

Проверил, к. х. н., доцент:       Рыкова Т. С. 
 
 
 
 
 
 

Киров 2011 

РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. Radio - "Испускаю лучи", activus - "активно") -самопроизвольные или наведенные превращения нестабильных атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц или квантов излучения. Явление представляет значительную опасность для людей. Открытие радиоактивности было сделано в 1896 году французским физиком Беккерелем при исследовании им свойств соединений урана. Впоследствии это свойство было обнаружено у целой группы веществ: актиний, торий и др. Дальнейшие исследования показали, что радиоактивность - это невидимые, не имеющие цвета и запаха излучения, которые испускают некоторые вещества, которые стали называть радиоактивными. Теперь известны следующие виды излучений радиоактивных веществ:

АЛЬФА-ЛУЧИ (поток  положительно заряженных атомов гелия); α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

α-распад, как  правило, происходит в тяжёлых ядрах  с массовым числом А≥140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше. 

       БЕТА-ЛУЧИ (поток отрицательно заряженных  электронов, скорость которых близка к скорости света и которые обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи), β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино;

     ГАММА-ЛУЧИ-лучи, подобные рентгеновским, но обладающие еще большей проникающей способностью и представляющие собой электромагнитные волны. Наряду с этими видами различают еще нейтронное, протонное и рентгеновское излучения.

     Чем опасны эти виды излучения для  человека? Тем, что при внешнем

воздействии на тело человека, а также при  распаде радиоактивных веществ,

попавших  внутрь человека (с пылевыми частицами  воздуха и пищей), они

вызывают  ионизацию клеток тела и различных  органов, резко разлаживая в них механизм физиологических (естественных) процессов. При достаточной дозе поглощенных человеком излучений могут возникнуть лучевая и генетическая болезни. Признаки лучевой болезни зависят от уровня (интенсивности) радиации, продолжительности облучения, физического состояния человека (людей) и др. Так, малые дозы облучения вызывают тошноту и головокружение, а большие--подкожное и внутреннее кровоизлияния, высокую температуру и даже смертельный исход. Различают четыре степени лучевой болезни: 

• легкая  при дозе облучения (в рентгенах)--100-200;
• средняя--200-400;
• тяжелая--400-600;
• крайне тяжелая--600 и более.

Генетические  заболевания проявляются в психических расстройствах, сокращении продолжительности жизни, понижении сопротивляемости инфекциям и др., могут передаваться нескольким последующим поколениям. В нашей стране для измерения мощности излучения приняты: рентген в час (р/ч); рад в час (рад/ч); бэр в час (бэр/ч). БЭР—поглощенная доза любого вида излучения (биологический эквивалент рентгена), вызывающая тот же биологический эффект, что и один рентген излучения. РАД—это внесистемная единица абсорбированной (поглощенной) дозы. Так: 1 р=1 бэр, обе эти величины примерно равны 1 рад. 1 р=100 мр (миллирентген); 1 р=1000000 мкр (микрорентген).  В повседневной жизни человек получает следующие виды различных излучений: 

• при просмотре телепередач 1--1,5 ч--1 мкбэр;
• при перелете самолетом на расстояние 2400 км (при средней скорости
• авиалайнера)--1 мбэр;
• при ежегодном фоновом облучении, вызванным существующей на земле
• естественной радиоактивностью--1 мбэр;
• на сеансе флюорографии--370 мбэр;
• при рентгеноскопии желудка (местном)--30 бэр;
• при ежедневном просмотре телевизионных передач в течение года--500 мбэр. 

   Каждому гражданину следует знать, что средние значения гамма-фона на земной поверхности составляют от 14 до 24 мкр/ч; на различных участках местности они могут меняться, но не должны превышать 50-60 мкр/ч. При обнаружении на каком-либо участке местности дозиметрическими приборами гамма-фона 60 мкр/ч и более необходимо сразу же сообщить об этом органам Госкомсанэпиднадзора и Госатомнадзора России.

     В настоящее время радиоактивные  вещества широко применяются: в энергетике (атомной - АЭС) для получения электричества и тепла, в промышленности (атомной и не атомной), на транспорте (атомные суда и др.), в медицине, науке, военном деле (ядерные и другие виды оружия и технические средства), во многих других областях человеческой деятельности. При этом все большее применение получают не только радиоактивные, но и другие вещества, обладающие искусственной (созданной человеком) радиоактивностью, так называемые радиоактивные изотопы этих веществ или радионуклиды (например, изотопы углерода, кальция, натрия, йода, фосфора, серы и др.). С пользой от применения радиоактивных веществ и материалов существенно возрастает и опасность для здоровья людей (человечества в целом!), и особенно без строгого соблюдения мер безопасности. Радиоактивность может быть обнаружена и измерена специальными техническими приборами (рентгенометрами, радиационными индикаторами, дозиметрами и др.). Радиоактивные вещества распространяются в окружающую среду в виде радиоактивных аэрозолей, радиоактивных вод и т.д. независимо от существующих территориальных, государственных, временных границ. Они опасны не только для ныне живущих, но и для нескольких последующих поколений, так как период полураспада радиоактивного вещества плутония составляет двадцать четыре с половиной тысячи лет(!). Радиоактивные вещества (РВ) попадают в окружающую среду и при разработках радиоактивных руд, из медицинских радиоактивных препаратов, радиоактивных отходов (РАО), образующихся при работах с РВ, а также, и в особенности, при авариях и катастрофах в промышленности (в 1986 г. произошла самая крупная атомная катастрофа на Чернобыльской АЭС), на транспорте (за период "холодной войны" в мировом океане затонули 6 атомных подводных лодок СССР и США с 9-ю атомными реакторами и с 50-ю ядерными боеприпасами на борту), при ядерных взрывах на испытательных полигонах (за этот же период на 35-ти ядерных испытательных полигонах государств-"ядерных держав" было взорвано более 1800 ядерных боеприпасов разной мощности, из них только 25% под землей). На современном этапе существенно возросла и угроза "атомного терроризма". Защита от радиоактивного загрязнения - обеспечение радиационной безопасности населения и защита окружающей среды от попадания радионуклидов в живые организмы и в среду их обитания (атмосферу, гидросферу, почву, растительный мир и т.д.), происходящего в результате распространения РВ, это - ПРОБЛЕМА не только местная, региональная, ведомственная, государственная, национальная, но и МЕЖДУНАРОДНАЯ. Результаты исследований показывают, что обеспечение радиационной безопасности человека и защита окружающей среды могут быть наиболее полно и эффективно решены только с использованием системного подхода. БЕЗОПАСНОСТЬ – качественная характеристика любой деятельности человека. В простых (несложных) организационно-технических системах типа "человек-машина" вопросы безопасности решает и обеспечивает сам человек-оператор, управляющий машиной. В более сложных организационно-технических объектах, состоящих из большого штата специалистов и набора технических средств, создаются системы. Главная цель функционирования таких систем – обеспечить безопасность человека. Когда такого понимания у руководителей любого уровня нет, то создаваемые в соответствии с их решениями системы безопасности в лучшем случае - мало эффективны, в худшем - не отвечают своему назначению. Система обеспечения радиационной безопасности (СОРБ) человека и защиты окружающей среды - большая многоуровневая иерархическая организационно-техническая система. Такие системы характеризуются тем, что первоначально они возникают и начинают формироваться интуитивно в связи с возникшей в них потребностью (развиваются эволюционно!) и только на определенном этапе осуществляется проектирование этих систем в целях совершенствования и повышения их эффективности. СОРБ возникли одновременно с созданием объектов атомной энергетики и атомной промышленности. С расширением этих отраслей хозяйства СОРБ развивались на ведомственном уровне. Но вскоре это уровень (в силу ряда причин) не смог обеспечить радиационную безопасность населения и защиту окружающей среды с требуемой эффективностью. Возникла необходимость в создании специальных государственных органов, обеспечивающих безопасность при использовании атомной энергии разными предприятиями, организациями и учреждениями независимо от их ведомственной принадлежности и форм собственности.  В декабре 1995 г. - январе 1996 года впервые в нашей стране вступили в действие Федеральный Закон РФ "Об использовании атомной энергии" и Федеральный Закон РФ "О радиационной безопасности населения". Принятые законы: --четко определяют правовые основы и принципы регулирования отношений, возникающих при использовании атомной энергии в целях охраны здоровья, жизни людей и охраны среды их обитания. --составляют необходимый законодательный, нормативно-правовой базис, позволяющий обществу активно участвовать и реально влиять на соответствующие органы государственного управления в целях создания подлинной системы обеспечения радиационной безопасности в интересах жизни и здоровья человека.

     РАДИЙ – радиоактивный химический элемент II группы периодической системы, аналог бария; относится к щелочноземельным элементам. Стабильных изотопов не имеет; наиболее долгоживущие – ²²⁶Ra (период полураспадаt1/2 = 1600 лет) и ²²⁸Ra (t1/2 = 5,75 года). Остальные изотопы (всего их известно 25) «живут» значительно меньше, некоторые – доли секунды; почти все они получены искусственно.

Радий в природе и  его свойства.

     Несмотря  на сравнительно малое время жизни  по сравнению с возрастом Земли (около пяти миллиардов лет), некоторые  изотопы радия, хотя и в очень  малых количествах, встречаются в природе. Происходит это благодаря существованию в природе трех радиоактивных рядов, в которых изотопы радия непрерывно образуются при распаде долгоживущих (так называемых материнских) радионуклидов: урана-238 (из него получается²²⁶Ra), урана-235 (он дает ²²³Ra, t1/2 = 11,4 суток) и тория-232 (дает ²²⁸Ra и ²²⁴Ra, t1/2 = 3,7 суток). Очевидно, что чем меньше период полураспада данного радионуклида, тем меньше его содержание в минералах, даже самый долгоживущий, ²²⁶Ra, содержится в земной коре в количестве всего одной десятимиллиардной доли процента, обычно в тех же породах, в которых содержится уран.

     Чистый  радий – блестящий серебристо-белый  металл, быстро тускнеющий на воздухе  из-за образования на его поверхности  оксида и нитрида. С водой реагирует  более энергично, чем барий, выделяя водород. Плавится радий при 969° С, кипит при 1507° С, плотность – около 6 г/см³. Любые физические и химические свойства радия изучать трудно из-за его очень высокой радиоактивности.

     По химическим свойствам похож на барий, но более активен. На воздухе покрывается пленкой, состоящей из оксида, гидроксида, карбоната и нитрида радия. Бурно реагирует с водой, образуя сильное основание Ra(OH)₂:  
Ra + 2H₂O = Ra(OH)₂ + H₂

     Оксид радия RaO — типичный основный оксид. При сгорании его на воздухе или в кислороде образуется смесь оксида RaO и пероксида RaO₂. Большинство солей радия бесцветны, но при разложении под действием собственного излучения они приобретают желтую или коричневую окраску. Синтезированы сульфид RaS, нитрид Ra₃N₂, гидрид RaH₂, карбид RaC_2..

Хлорид RaCl₂, бромид RaBr₂ и иодид RaI₂, нитрат Ra(NO₃)₂. хорошо растворимые соли. Плохо растворимы сульфат RaSO₄, карбонат RaСО₃ и фторид RaF₂. По сравнению с другими щелочноземельными металлами радий (ион Ra²⁺) обладает более слабой склонностью к комплексообразованию. 
 

Применение  радия.  

     В течение многих десятилетий радий  применялся в основном в медицинских  целях и лишь в очень малых  количествах – для научных  исследований. Излучением радия лечили прежде всего злокачественные опухоли, для этого использовали содержащие радий иголки, трубочки или пластинки; их накладывали на больное место или же хирургическим путем вводили на некоторое время прямо в опухоль. Когда цена радия снизилась, в некоторых больницах стали использовать «радиевые пушки» с дистанционным облучением пациентов, они содержали несколько граммов радия. Конечно, не обошлось и без шарлатанов, которые предлагали «чудодейственный радий» от всех недугов – начиная с психических заболеваний и кончая бессонницей. Дошло до продажи «радиевых удобрений», якобы повышающих урожай. В результате некоторые поля в США, Канаде и Франции были «удобрены» радиоактивными веществами.

Широко  применялся радий и для получения  светящихся составов; с этой целью  соли радия смешивали с подходящим люминофором. Такие составы наносили на стрелки часов и компасов, на шкалы военных приборов и даже на предметы быта, не подозревая об опасности. В таких покрытиях обычно использовали сульфид цинка, содержащий от 0,0025 до 0,03% радия. Использовали также способность радия ионизировать воздух и таким образом снимать статический заряд, предотвращая возможность воспламенения горючих паров. В 1930-х в США производились даже ткани из искусственного шелка «с радием», который снимал статическое электричество и предотвращал их слипание. Все это прекратилось, когда стала широко известна опасность радиоактивного облучения и лучевой болезни, более того, после взрыва первых ядерных бомб всеобщее увлечение «радием» и радиацией сменилось прямо противоположной и тоже не всегда обоснованной радиофобией.

Сейчас  радий находит лишь ограниченное применение и для этого его  накопленных запасов более чем  достаточно. В медицине радий иногда используют для кратковременного облучения  при лечении злокачественных  заболеваний кожи, слизистой оболочки носа, мочеполового тракта. Радий используют и как источник радона для приготовления радоновых ванн. Радий можно использовать и в компактных источниках нейтронов, для этого небольшие его количества помещают в ампулу вместе с бериллием, под действием альфа-излучения (ядер гелия) из бериллия выбиваются нейтроны: ⁹Be + ⁴He ® ¹²C + ¹n. Однако сейчас есть множество более дешевых радионуклидов с нужными свойствами, которые получают на ускорителях или ядерных реакторах, например, ⁶⁰Co (с периодом полураспада t1/2 = 5,3 года), ¹³⁷Cs (t1/2 = 30,2 года), ¹⁸²Ta (t1/2 = 115 сут), ¹⁹²Ir (t1/2 = 74 сут), ¹⁹⁸Au (t1/2 = 2,7 сут). В приборах постоянного свечения радий также заменяют теперь тритием (t1/2 = 12,3 года) или ¹⁴⁷Pm (t1/2 = 2,6 года).