Радиоактивные элементы

8.Изотопы

Превращения элементов. Радиоактивные  ряды. В течение первых двух десятилетий 20 в. трудами многих физиков и радиохимиков было открыто множество радиоактивных элементов. Постепенно выяснилось, что продукты их превращения часто сами являются радиоактивными и претерпевают дальнейшие превращения, иногда довольно запутанные. Знание того, в какой последовательности один радионуклид превращается в другой, позволило построить так называемые природные радиоактивные ряды (или радиоактивные семейства). Их оказалось три, и назвали их рядом урана, рядом актиния и рядом тория. Свое начало эти три ряда брали от тяжелых природных элементов – урана, известного с 18 в., и тория, открытого в 1828 (неустойчивый актиний не родоначальник, а промежуточный член ряда актиния). Позднее к ним прибавился ряд нептуния, начинающийся с искусственно полученного в 1940 первого трансуранового элемента № 93 – нептуния. По исходным элементам называли и многие продукты их превращения, записывая такие схемы:

Ряд урана: UI → UХ1 → UХ2 → UII → Io (ионий) → Ra →... → RaG.

Ряд актиния: AcU → UY → Pa → Ac → AcK → AcX → An → AcA → AcB → AcC → AcC"" → AcD.

Ряд тория: Th → MsTh1 → MsTh2 → RdTh → ТhХ → ThEm → ThA → ThB → ThC → ThC" → ThD.

Как выяснилось, эти ряды не всегда представляют собой  «прямые» цепочки: время от времени  они разветвляются.

Когда-то каждый новый член радиоактивного ряда рассматривался как новый радиоактивный  элемент, и для него физики и радиохимики  вводили свои обозначения: ионий  Io, мезоторий-1 MsTh1, актиноуран AcU, эманация тория ThEm и т.д. и т.п. Эти обозначения громоздки и неудобны, в них нет четкой системы. Тем не менее, некоторые из них до сих пор иногда по традиции используются в специальной литературе. Со временем выяснилось, что все эти символы относятся к неустойчивым разновидностям атомов (точнее, ядер) обычных химических элементов – радионуклидам. Чтобы различить химически неотделимые, но отличающиеся по периоду полураспада (а часто и по типу распада) элементы, Ф.Содди в 1913 предложил называть их изотопами

9.Естественная и искусственная радиоактивность

Естественные радиоактивные элементы.

 Все  элементы, расположенные в периодической  таблице за висмутом (т.е. с  Z 83), являются радиоактивными. Подобно  урану-238, долгоживущие уран-235 и торий-232 возглавляют соответственно актиниевое  и ториевое радиоактивные семейства.  В естественных условиях встречаются  уран, торий и их дочерние радиоактивные продукты. Это обусловлено тем, что периоды полураспада у родоначальников семейств сравнимы с возрастом Земли, и они пока еще не распались полностью. Химические элементы с атомным номером 92 получены в лабораториях в результате ядерных реакций и обнаружены среди продуктов термоядерных взрывов, причем все они оказались радиоактивными.

У элементов  с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 нет  ни стабильных изотопов, ни долгоживущих предшественников, поэтому на Земле  они не обнаружены. У самого долгоживущего  изотопа технеция (Z = 43) период полураспада - порядка 300 000 лет, что значительно  меньше предполагаемого возраста Вселенной. Однако значительное количество технеция обнаружено в составе звезд спектрального  класса S. Этот факт интерпретируется как  явное доказательство того, что в  них сравнительно недавно происходили  активные эволюционные процессы.

Искусственное превращение элементов  и искусственная радиоактивность.

 Еще со времен Беккереля было замечено, что самые обычные вещества, побывавшие рядом с радиоактивными соединениями, сами становятся в большей или меньшей степени радиоактивными. Резерфорд называл это «возбужденной активностью», супруги Кюри – «наведенной активностью», но суть явления долго никто не мог объяснить.

Со временем были реализованы и другие ядерные  реакции, и многие из них получили практическое применение. В апреле 1932 на заседании английской Академии наук (Королевского общества) Резерфорд  объявил, что в его лаборатории  успешно осуществлены реакции расщепления  легких элементов (например, лития) протонами. Для этого протоны, полученные из водорода, разгоняли с помощью  высокого напряжения, равного десяткам или даже сотням тысяч вольт. Протоны, имея меньший, чем a-частицы, заряд и массу, легче проникают в ядро. Внедряясь в ядро лития-7, протон превращает его в ядро бериллия-8, которое практически мгновенно «сбрасывает» избыток энергии, разваливаясь пополам, на две a-частицы:

+ → ( ) → 2 .

Если  же взять легкий изотоп лития (в природном  литии его 7,5%), то образуются ядра двух изотопов гелия:

+ → ( )→ + .

При обстреле протонами кислорода был получен  фтор:

+ → + ;

при обстреле алюминия – магний: + → + .

Множество разнообразных превращений было проведено с разогнанными до высоких  скоростей дейтронами – ядрами тяжелого изотопа водорода дейтерия. Так, в  ходе реакции

  + → +

впервые был  получен сверхтяжелый водород –  тритий. Столкновение двух дейтронов  может идти иначе: : + → + , эти процессы важны для изучения возможности управляемой термоядерной реакции. Важной оказалась реакция + → ( )→ 2 , поскольку она идет уже при сравнительно небольшой энергии дейтронов (0,16 МэВ) и сопровождается при этом выделением колоссальной энергии – 22,7 МэВ (напомним, что 1 МэВ = 106 эВ, а 1 эВ = 96,5 кДж/моль).

Большое практическое значение получила реакция, идущая при обстреле бериллия a-частицами:

• + → ( )→ + ,

она привела в 1932 к открытию нейтральной  частицы нейтрона, а радий-бериллиевые источники нейтронов оказались очень удобными для научных исследований. Нейтроны с разной энергией можно получать и в результате реакций

• + ® + ;
• + ® + ;
• + ® + .

Не имеющие заряда нейтроны особенно легко проникают в атомные  ядра и вызывают разнообразные процессы, которые зависят как от обстреливаемого  нуклида, так и от скорости (энергии) нейтронов. Так, медленный нейтрон  может быть просто захвачен ядром, а  от некоторого избытка энергии ядро освобождается путем испускания гамма-кванта, например:

  + ® + g..

 Эта  реакция широко используется  в ядерных реакторах для регулирования  реакции деления урана: для  замедления реакции в ядерный  котел вдвигаются кадмиевые стержни  или пластины.

Интересные  результаты получились с магнием, представленным тремя стабильными природными изотопами, и оказалось, что при a-облучении все они дают радиоактивные нуклиды кремния или алюминия, которые претерпевают 227- или позитронный распад:

Получение искусственных радиоактивных элементов  имеет большое практическое значение, так как позволяет синтезировать  радионуклиды с удобным для конкретной цели периодом полураспада и нужным видом излучения с определенной мощностью. Особенно удобно использовать в качестве «снарядов» нейтроны. Захват нейтрона ядром часто делает его  настолько нестабильным, что новое  ядро становится радиоактивным. Устойчивым оно может стать за счет превращения  «лишнего» нейтрона в протон, то есть за счет 227-излучения; таких реакций  известно очень много, например:

+ ® ® + e

Очень важна протекающая в верхних  слоях атмосферы реакция образования  радиоуглерода: + ® +

Можно ли искусственным путем, проведя нужную ядерную реакцию, получить золото и  таким образом осуществить то, что не удалось алхимикам? Теоретически для этого нет препятствий. Более  того, такой синтез уже был проведен, однако богатство не принес. Проще  всего было бы для искусственного получения золота облучать потоком  нейтронов ртуть – элемент, следующий  в периодической таблице за золотом. Тогда в результате реакции 

+ ® +

нейтрон выбил бы из атома ртути  протон и превратил его в атом золота. В этой реакции не указаны  конкретные значения массовых чисел (А) нуклидов ртути и золота. Золото в природе представлено единственным стабильным нуклидом а природная ртуть – это сложная смесь изотопов с А = 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) и 204 (6,87%). Следовательно, по приведенной схеме можно получить только неустойчивое радиоактивное золото. Его и получила группа американских химиков из Гарвардского университета еще в начале 1941, облучая ртуть потоком быстрых нейтронов. Через несколько дней все полученные радиоактивные изотопы золота путем бета-распада вновь превратились в исходные изотопы ртути...

Но есть и другой путь: если атомы ртути-196 облучать медленными нейтронами, то они  превратятся в атомы ртути-197:

+ ® + g.

Эти атомы  с периодом полураспада 2,7 сут претерпевают электронный захват и превращаются, наконец, в стабильные атомы золота:

+ e ® .

Такое превращение  осуществили в 1947 сотрудники Национальной лаборатории в Чикаго. Облучая 100 мг ртути медленными нейтронами, они  получили 0,035 мг 197Au. По отношению ко всей ртути выход очень мал  – всего 0,035%, но относительно 196Hg он достигает 24%! Однако изотопа 196Hg в природной  ртути как раз меньше всего, кроме  того, и сам процесс облучения  и его длительность (облучать потребуется  несколько лет), и выделение стабильного  «синтетического золота» из сложной  смеси обойдется неизмеримо дороже, чем выделение золота из самых  бедных его руд. Так что искусственное  получение золота имеет лишь чисто  теоретический интерес.

Многочисленные  эксперименты, проводившиеся со времен Беккереля, показали, что на скорость радиоактивного распада практически  не влияют ни температура, ни давление, ни химическое состояние атома. Исключения очень редки; так, в случае электронного захвата величина T1/2 немного меняется при изменении степени окисления  элемента. Например, распад 7BeF2 происходит примерно на 0,1% медленнее, чем 7BeO или  металлического 7Ве.

10.Радий в природе и его свойства

РАДИЙ – радиоактивный химический элемент II группы периодической системы, аналог бария; относится к щелочноземельным элементам. Стабильных изотопов не имеет; наиболее долгоживущие – 226Ra (период полураспада t1/2 = 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

88 Ra   Радий Radium (Rn)7s2

Атомный номер 88 Атомная масса [226] Плотность, кг/м³ 5000 Температура плавления, °С 700 Температура кипения, °С   Теплоемкость, кДж/(кг·°С)   Электроотрицательность 0,9 Ковалентный радиус, Å   1-й ионизац. потенциал, эв 5,28

 

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 получается 226Ra), 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. Радий непрерывно выделяет теплоту, и если нет условий для теплоотвода, металл быстро нагревается и может даже расплавиться. Продукт распада радия – радиоактивный газ радон. Радий вместе с продуктами своего распада излучает все три вида радиации – a-, b- и g-лучи. Из-за высокой радиоактивности радий и его соединения светятся в темноте, его бесцветные соли быстро желтеют, а затем приобретают коричневую, вплоть до черной, окраску; их водные растворы разлагают воду, выделяя из нее водород и кислород.

Если  не считать сильной радиоактивности, химические свойства радия и его  соединений мало отличаются от аналогичных  свойств бария. Как и у бария, легко растворимы хлорид, бромид, иодид, нитрат радия, а фторид, карбонат и сульфат почти нерастворимы. Гидроксид Ra(OH)₂ – сильная щелочь.

Практически все соединения радий изоморфны соответствующим соединениям Ва. На воздухе металлический радий быстро покрывается темной пленкой, представляющей собой смесь нитрида и оксида радий Металлический радий бурно реагирует с водой с образованием растворимого в воде гидроксида Ra(OH)₂ и выделением Н₂. Электродный потенциал выделения радий из водных растворов —1,718В (по отношению к нормальному каломельному электроду).

Соединения  радия обладают свойством автолюминесценции-свечения в темноте благодаря собств. излучению. Многие соли радия бесцветны, но при разложении под действием собственного излучения приобретают желтую или коричневую окраску. Хорошо растворимы в воде RaCl₂ (т. пл. 900°С, плотностью 4,91 г/см³; см. также табл.), RaBr₂ (т. пл. 728 °С, плотностью 5,79 г/см³), RaI₂ и Ra(NO₃)₂. Лучше других растворим в воде RaBr₂ (70 г в 100 г при 20 °С). Хлорид и бромид радий кристаллизуются из воды в виде кристаллогидратов с двумя или шестью молекулами Н₂О. Малорастворимые соединения -сульфат RaSO₄ (около 2·10^-4 г в 100 г воды при 20°С), иодат Ra(IO₃)₂, фторид RaF₂, хромат RaCrO₄, карбонат RaCO₃ и оксалат RaC₂O₄. Известны комплексы радий с лимонной, винной, яблочной, молочной, этилендиаминтетрауксусной кислотами и драдий лигандами. По сравнению с драдием щелочноземельными металлами радий обладает более слабой склонностью к комплексообразованию.