|
|
Радиохимия. Предмет и задачи радиохимии. История развития радиохимии. Особенности радиохимии
Реакции деления ядер. В 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Реакция характеризуется выделением большого количества энергии. Впоследствии было выяснено, что захватившее нейтрон ядро может делиться разными путями. Продукты деления называются осколками. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как  :
 -церий - стабилен
 -цирконий – стабилен.
Ядро урана делится только быстрыми нейтронами. При меньших энергиях нейтроны поглощаются, и ядро переходит в возбужденное состояние – это радиационный захват.
Нейтроны, которые, образуются в результате деления урана, могут вызвать еще реакцию, и т.д. – это цепная ядерная реакция. Коэффициент размножения нейтронов – это отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. Цепная реакция идет при  .
Из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности, многие нейтроны покидают зону реакции до того как будут захвачены ядром. Если масса делящегося урана меньше некоторой критической, то большинство нейтронов вылетают наружу и цепная реакция не происходит. Если масса больше критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция имеет характер взрыва – неуправляемая реакция (на этом основано действие атомной бомбы). В реакторах регулируют критическую массу, поглощая лишние нейтроны кадмиевыми и угольными стержнями.
Слияние легких ядер в более тяжелые – это реакция синтеза. Если реакция происходит при высоких температурах – это термоядерная реакция. Термоядерная реакция является, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд.
Эффективное сечение – мера вероятности столкновения микрообъектов (атомов, ядер и частиц) в виде эффективной площади их поперечного сечения. Это основная величина, характеризующая вероятности столкновений (реакций) в микромире.
13
|
Нейтронные источники. Получение изотопов на ускорителях. Применение ра-диоизотопов. Тепловые и быстрые нейтроны.
|
|
14
|
Позитроний. Применение позитронов. Мюоний. Мезоатомы и мезомолекулы. Мюонный катализ ядерного синтеза.
|
Позитроний − это связанная квантовомеханическая система, состоящая из электрона и позитрона. Позитроний обозначается химическим символом Ps. Возможность образования позитрония обсуждалась ещё в середине 40-х годов.
Потенциал ионизации позитрония 6.77 эВ, что вдвое меньше потенциала ионизации атома водорода. Так как спины электрона и позитрона равны s = 1/2, в основном связанном состоянии возможны два значения спина позитрония S(Ps).
S(Ps) = 0. Спины электрона и позитрона направлены в противоположные стороны – суммарный спин S(Ps) = 0. Это состояние называется парапозитронием.
S(Ps) = 1. Спины электроны и позитрона направлены в одну сторону – суммарный спин
S(Ps) = 1. Это состояние называется ортопозитронием.
При взаимодействии электронного антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция обратного бета-распада с образованием позитрона: p + + ν ¯ e → n 0 + e + . {\displaystyle p^{+}+{\bar {\nu }}_{e}\rightarrow n^{0}+e^{+}.} Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.
Мюо́ний — водородоподобный экзотический атом, в качестве ядра которого выступает положительный мюон μ+. Электронное облако мюония состоит из одного электрона.
Мезоатом — атом, в котором часть или все электроны заменены на другие элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом. Образуются при торможении отрицательно заряженных элементарных частиц в веществе. Время жизни мезоатома очень мало и не превышает времени жизни элементарных частиц, его образующих. Мезоатомы, образованные заменой одного или нескольких электронов оболочки на отицательные мю-мезоны, называются мю-мезоатомами, а аналогичной заменой на отицательные пи-мезоны.
МЕЗОМОЛЕКУЛА— молекула, в которой хим. связь осуществляется не электроном, как обычно, а отрицательно заряженным мюоном.
Мюо́нный ката́лиз ядерных реакций синтеза, или просто мюонный катализ (англ. muoncatalyzedfusion, MCFusion, MCF), — процесс облегчающий слияние ядер, например, изотопов водорода, происходящий при участии отрицательно заряжённых мюонов. Реакция синтеза проходит при относительно низкой температуре в отличие от классического термоядерного синтеза. В настоящее время не может быть использована в термоядерном синтезе так как невыгодна из-за высоких энергетических затрат на получение мюонов.
Сущность процесса состоит в следующем: отрицательно заряженный мюон (нестабильная частица с временем жизни τμ=2,2⋅10−6 с и массой mμ=206,769 me), попадая в смесь изотопов водорода, образует там мезоатомы — атомы, в которых электрон заменён мюоном, — атомы протон-мюон (Н-μ), дейтрон-мюон (D-μ) и тритон-мюон (T-μ), которые, сталкиваясь затем с молекулами Н2, D2 и Т2 (а также с молекулами HD, НТ и DT), образуют мезомолекулы НН-μ, HD-μ, HT-μ, DD-μ, DT-μ и TT-μ (или, точнее, мезомолекулярные ионы (HH-μ)+, (HD-μ)+ и т. д.).
Поскольку мюон примерно в 207 раз тяжелее электрона, то размеры мезомолекул во столько же раз меньше размеров молекулярных ионов H2+, HD+ и т. д., в которых ядра удалены друг от друга в среднем на расстояние в две атомные единицы 2a0 = 2h2/mee2 10−8 см. В мезомолекулах ядра удалены на расстояние примерно в две мезоатомных единицы 2aμ = 2h2/mμe2 5⋅10−11 см, причем такое сближение происходит при обычных температурах. На такое же расстояние сближаются ядра изотопов водорода при кинетической энергии 3 кэВ, что соответствует 30 миллионам градусов, которая сравнима с температурой, достигнутой в современных экспериментальных высокотемпературных термоядерных установках.
|
15
|
Геохронология Абсолютный геологический возраст. Методы определения возраста объектов: гелиевый, свинцовый, урано-свинцовый, стронциевый, аргоновый, радиоуглеродный, тритиевый, бериллиевый (основа метода, область применения, преимущества и недостатки).
|
Геохронология-комплекс методов определения абсолютного и относительного возраста горных пород или минералов.
Различают относительную и абсолютную (или ядерную) Г.
Методы относительной геохронологии - методы определения относительного возраста горных пород, которые лишь фиксируют последовательность образования горных пород относительно друг друга.
Методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст геологических объектов и событий в единицах времени.
Сущность метода заключена в следующем: в состав некоторых минералов входят радиоактивные изотопы. С момента образования такого минерала в нём протекает процесс радиоактивного распада изотопов, сопровождающийся накоплением продуктов распада. Распад радиоактивных изотопов протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от внешних факторов; количество радиоактивных изотопов убывает в соответствии с экспоненциальным законом. Принимая во внимания постоянство скорости распада, для определения возраста достаточно установить количество оставшегося в минерале радиоактивного изотопа и количество образовавшегося при его распаде стабильного изотопа. Эта зависимость описывается главным уравнением геохронологии:
Методы определения абсолютного возраста подразделяются на две группы:
I. Первичные;
II. Вторичные.
К первичным методам относятся те, которые основаны на непосредственно аналитическом определении конечных продуктов распада и первичных радиоактивных элементов в минералах.
Эти методы основаны на вычислении времени по самому процессу радиоактивного распада. Среди первичных методов различают:
Бериллиевый, основанный на определении ничтожных количеств радиоактивного изотопа бериллия в океанических осадках.
Радиоуглеродный, основанный на определении изотопа углерода-14;
Радиоводородный (тритиевый), основанный на определении трития в природных водах;
Аргоновый (калий-аргоновый), основанный на переходе, в результате радиоактивного превращения, калия-40 в аргон-40
Гелиевый, основанный на радиогенном образовании гелия при распаде радиоактивных изотопов
Свинцовый, основанный на радиоактивном распаде изотопов урана и тория
Свинцовый метод основан на исследованиях радиогенного свинца в минералах (уранините, монаците, цирконе, ортите). Он является наиболее достоверным, поскольку решение задачи о возрасте урано-ториевого минерала достигается по трем независимым уравнениям:
Pb, U и Th обозначают содержание в минералах изотопов свинца, урана и тория; l1, l2 и l3 — константы распада изотопов 238U, 235U, 232Th.
Если разделить уравнение (1) на (2), то получится уравнение
Это уравнение даёт наиболее близкие к истинным значения возраста, что связано с малой его зависимостью от возможных потерь урана и свинца минералом на протяжении его геологической жизни.
Аргоновый метод. Основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых минералах. Будучи более доступным благодаря лёгкости получения необходимого материала (калиевые минералы) и относительно простой его обработке, пользуется большой популярностью.
Превращение 40К в 40Ar происходит по закону:
где 40К и 40Ar – число атомов изотопов; λК- константа К-захвата; λβ - константа β-распада; λ=λК+λβ. Определение возраста калий-аргоновым методом состоит в отборе представительных образцов, определении содержания в них калия обычными методами, выделении аргона из смеси газов, его очистке и определении его количества объемным или массс-спектрометрическим методом.
Отрицательной чертой его является отсутствие внутреннего контроля (одно уравнение). Как показали многочисленные экспериментальные исследования, калиевые минералы сравнительно легко теряют радиогенный аргон. В меньшей степени это относится к слюдам и в значительно большей степени к полевым шпатам, что делает их малопригодными для определения возраста. Важной положительной чертой аргон-калиевого метода является возможность применения его для определения возраста осадочных отложений по минералу глаукониту.
Стронциевый метод, основанный на радиоактивном распаде 87Rb и превращении его в 87Sr.
Обычно при измерении возраста по 87Sr/87Rb из гранита выделяют составляющие его минералы и в каждом из них определяют 87Sr/86Sr и 87Rb/86Sr. На диаграмме в координатах 87Sr/86Sr: 87Rb/86Sr данные анализов отдельных минералов гранита располагаются на одной прямой — изохроне, вытянутой вправо вверх. Тангенс угла наклона изохроны с осью абсцисс представляет собой величину 87Sr/87Rb, определяющую возраст данной породы.
Радиоуглеродный метод основан на распаде изотопа 14С, образующегося в верхних слоях атмосферы в результате воздействия космического излучения на атмосферные газы (азот, аргон, кислород). В последствии 14С, как и нерадиоактивный изотоп углерода, образует углекислый газ СО2, и в его составе вовлекается в фотосинтез, оказываясь таким образом в составе растений и, далее, пищевой цепочке передается животным.
Гелиевый метод основан ядерных превращения, происходящих в природных рядах генетически связанных радионуклидов (U, Th, AcU). α-частицы, испускаемые при распаде членов ряда, стабилизируются в виде атомов гелия-4 и накапливаются в минерале в течение геологического времени. В результате распада атома 238U и ряда последующих ядерных превращений сравнительно быстро (за время, несколько меньшее миллиона лет) образуется восемь α-частиц. Ввиду того, что пробеги этих частиц в плотных средах очень малы, большинство образованных атомов гелия (после замедления, α-частицы, являющиеся ионами гелия, могут легко приобрести два электрона, окисляя почти любое вещество) задерживается в кристаллической решетке минерала.
При использовании гелиевого метода определения возраста необходимо учитывать и эту возможность. Для анализа гелия, урана и тория разработаны очень чувствительные методы, позволяющие определять в горных породах уран и торий при содержании последних менее одной части на миллион.
|
16
|
Методы анализа изотопного состава.
|
Анализ изотопного состава – определение содержания данных изотопов в элементе или его соединении.
Анализ смесей радиоактивных изотопов – достаточно простая задача, решаемая методами радиометрии и ядерной спектроскопии. Анализ стабильных изотопов – более сложная проблема. Анализ необходим в случае применения стабильных изотопных индикаторов, для контроля разделения и концентрирования изотопов, при определении геологического возраста и генезиса пород изотопными методами и т.п. Химические различия изотопов слишком малы для возможности их применения в изотопном анализе. Пользуются зависимостью разных физических свойств от изотопного состава или, реже, специфическими ядерными реакциями, возникающими при воздействии ионизирующего излучения на данный изотоп.
Наиболее универсальный и распространенный способ – применение масс-спектрометра с электрической регистрацией интенсивностей ионных пучков изотопов, разделенных в электрических и магнитных полях после ионизации образца электронным ударом или др. методами. В обычных серийных приборах можно определить изотопный состав с точностью 1 -0,1% в образце, где содержание данного элемента не превышает долей мг. Более грубы различные спектральные методы, основанные на изотопных смещениях энергетических уровней атомов и молекул. Спектр смеси изотопов представляет наложение спектров отдельных изотопов с соотношениями интенсивностей, отвечающими изотопному составу. Чаще всего применяют полосатые молекулярные спектры в видимой или УФ области или колебательные ИК-спектры. Пользуются также вращательными микроволновыми спектрами в области 104 -105 Мгц и спектрами ядерного магнитного резонанса.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитных волн, обусловленное квантовыми переходами атомных ядер между энергетическими состояниями с разными ориентациями спина ядра. Для большинства ядер в магнитных полях 103 -104 Э ЯМР наблюдается в диапазоне частот 1 – 10 МГц. Спектры ЯМР используются для исследования структуры твёрдых тел и сложных молекул.
|
17
|
Активационный анализ.
|
Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества в результате ядерных реакций при облучении стабильных ядер нейтронами, гамма-квантами, протонами или другими частицами.
Вещество облучают ядерными частицами (тепловыми или быстрыми нейтронами, протонами, дейтронами, частицами и т.д.) или квантами. Затем определяют вид, т.е. порядковый номер и массовое число, образовавшихся радионуклидов по их периодам полураспада Т1/2 и энергиям излучения Е, которые табулированы. Поскольку ядерные реакции, приводящие к образованию тех или иных радионуклидов, обычно известны, можно установить, какие атомы были исходными.
Количественный активационный анализ основан на том, что активность образовавшегося радионуклида пропорциональна числу ядер исходного изотопа, участвовавшего в ядерной реакции. При абсолютном анализе измеряют активность радионуклида и рассчитывают исходное содержание определяемого элемента по формуле:
где т-масса определяемого элемента, г; N-измеренная скорость счета, имп/с; М-атомная масса определяемого элемента; Е-полная эффективность регистрации измерит, аппаратуры (отношение числа регистрируемых импульсов к числу актов радиоактивного распада); Ф-поток частиц или квантов, облучающих образец, число частиц/см2*с; -сечение (вероятность) ядерной реакции, барны (10-24 см2);
 -доля исследуемого нуклида в природной смеси; -постоянная распада (т.е. 1/Г1/2 образующегося радионуклида, с-1); t1 -время облучения образца, с; t2-время выдержки (время, прошедшее с момента окончания облучения до начала измерения активности образца), с.
Абсолютный метод характеризуется высокой погрешностью (относительное стандартное отклонение 0,4-0,6), что связано с неконтролируемыми колебаниями величины Ф, сложностью определения E, погрешностями табличных значений а и т.д. Поэтому обычно анализ выполняют относительным методом, основанным на сравнении активностей анализируемого образца и образцов сравнения с точно известным содержанием определяемых элементов. Облучение и измерение активности образцов проводят в одинаковых условиях.
|
18
|
Методы разделения изотопов: молекулярно-кинетические, физико-химические, электромагнитные.
|
Изотоп – разновидность атомов какого-либо химического вещества, которые имею одинаковый атомный номер, но разные массовые числа (одинаковое количество электронов и протонов, но разное число нейтронов).
Разделение изотопов — технологический процесс изменения изотопного состава вещества, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента. Из одной смеси изотопов или химических соединений на выходе процесса получают две смеси: одна с повышенным содержанием требуемого изотопа (обогащенная смесь), другая с пониженным (обедненная смесь).
Основное применение процесса разделения изотопов — обогащение урана изотопом 235U для производства ядерного топлива, оружейных ядерных материалов и прочих применений, связанных с использованием радиоактивных веществ.
Основные используемые методы разделения изотопов:
молекулярно-кинетические –основан на различии среднестатистических свойств изотопов
Газовая диффузия –различие в скоростях движения различных по массе молекул
Диффузия в потоке пара – в основе различие скоростей диффузии двух изотопов в потоке третьего
Термодиффузия –различие скорости движения молекул (перепады температуры в газе или жидкости приводит к разделению молекул)
Газовое центрифугирование – разделение осуществляется за счет различия центробежных сил, действующих на молекулы разных по массе
Электролиз воды – промежуточный метод производства тяжелой воды
физико-химические методы
Химическое обогащение – использует различие в скорости протекания химических реакций с различными изотопами
Ректификация – основан на различии в равновесном составе жидких и газообразных фаз (разделение за счет многократного повторения процессов испарения и конденсации)
Ионный обмен – реакция, единственным результатом которой является перераспределение изотопов какого-либо элемента между реагирующим веществом
электромагнитные методы - основаны на одинаковой силе взаимодействия внешнего магнитного поля и одинаково электрически заряженных частиц
лазерное разделение не является самостоятельным методом, но используется для улучшения характеристик электромагнитного или химического методов разделения. Метод основан на избирательной ионизации одного из изотопов электромагнитным излучением (например, светом лазера).
Дистилляция (перегонка) использует различие в температурах кипения различных по массе изотопов. Обычно чем меньше масса атома — тем ниже температура кипения этого изотопа. Лучше всего это работает опять же, на лёгких элементах.
|
19
|
Обогащение урана.
|
|
20
|
Ядерная индустрия: структурные элементы ядерной индустрии.
|
|
21
|
Ядерные топливные циклы: открытый и закрытый; урановый, торий-урановый, уран-плутониевый, торий-плутониевый.
|
|
22
|
Безопасность добычи урана. Переработка урановой руды. Предмет и задачи радиохимии. История развития радиохимии. Особенности радиохимии.
|
|
23
|
Дозиметрия. Единицы измерения. Поглощенная доза. Экспозициальна доза. Эквивалентная доза.
|
|
|
|
|
Скачать 0.49 Mb.