Cв-ва изотопов цезия и стронция. Пробоподготовка. Получение сверхтяжелых эл-тов.

ЦЕЗИЙ Cs(112-151), хим. элемент 1-й (Ia) группы. Атомный номер 55. Т плавления составляет 28,4°С, кипения – 670°С. Относится к VI периоду – очень хим. активен. Обладает низкими механич. свойствами. По внешнему виду – золотисто-желтый металл. Степень окисления +1. Наиболее распространен Cs-133. Основное значение имеет Cs-137 – β-излучатель. Образуется при делении ядер атомов тяжелых элементов в ядерных реакторах (поэтому содержится во всех объектах окруж. среды), в ускорителях заряженных частиц. Исп. для рад. стерилизации, в радиобиологических и хим. исследованиях как индикатор.

Основной источник поступления цезия в организм человека - загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения. Основным источником радиоцезия для населения Беларуси до чернобыльской аварии были молочные и зерновые продукты, а после аварии – молочные и мясные.

Стронций -90 — чистый бета-излучатель с периодом полураспада 28,9 лет. При распаде он образует дочерний радионуклид ⁹⁰Y с периодом полураспада 64 ч. Как и ¹³⁷Сs, ⁹⁰Sr может находиться в растворимой и нерастворимой в воде формах. Исторически сложилось так, что в радиационной гигиене уделяется много внимания этому радионуклиду. Во-первых — на стронций-90 приходится значительная часть активности в смеси продуктов ядерного взрыва, во-вторых — ядерные аварии. И, наконец, особенности поведения этого радионуклида в организме человека. Практически весь попавший в организм стронция-9О центрируется в костной ткани. Объясняется это тем, что стронций — химический аналог кальция, а соединения кальция — основной минеральный компонент кости. В организм стронций-90 поступает только с пищей, причем в кишечнике всасывается до 20% от его поступления. После аварии на чернобыльской АЭС вся территория со значительным загрязнением стронцием-90 оказалась в пределах 30- километровой зоны. Большое количество стронция-90 попало в водоемы, но в речной воде его концентрация нигде не превышала предельно допустимой для питьевой воды (кроме реки Припять в начале мая 1986 г. в ее нижнем течении). Пробоподготовка- минерализация образца. Применяется в производстве радиоизотопных источников тока в виде титаната стронция.

Получение тяжел. эл-тов.

После U образуются трансураны (искуств.изотопы). Трансураны были синтезировали в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами с последующим b-распадом, что приводило к увеличению Z. Новые нуклиды выделяли и идентифицировали радиохимическими методами с последующим измерением свойств радиоактивного распада.

Последним элементом (1955 г.), который удалось синтезировать американцам с использованием традиционных методов был элемент 101, названный менделевием. При бомбардировке мишени из эйнштейния (Z=99), содержащей всего 109 атомов, ядрами гелия (Z=2) были зафиксированы 9 атомов 256Мd. Это был предел. Дальнейший прогресс мог быть достигнут только в реакциях с тяжелыми ионами, позволявшими увеличивать заряд и массу ядра-мишени скачком на десятки единиц. Но это требовало создания ускорителей нового типа, и соответственно, мощных источников многозарядных ионов. Существенно изменялась и сама методология физического эксперимента. Итогом этих 40-летних исследований явился синтез новых элементов с атомными номерами Z=102-116.

А)Совр-ные и трад-ные методы выделения и разделения радионуклидов. б)Взаимодействие заряженных частиц с веществом. в)Ионизационные и радиационные потери, ослабление потока излучения, формула Бете, особенности взаимодействия быстрых и тяжелых частиц, тормозное характеристическое излучение, переходное излучение Вавилова-Черенкова).

А) Радионуклиды – радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным №, а для изомерных атомов – и с опред-ным энер-ким состоянием атомного ядра.

Основнынметодами выделения, разделения радиоактивных изотопов: соосаждение; экстракция; хроматография; электрохимическое выделение; метод Сциларда - Чалмерса. другие методы (метод отгонки и выщелачивание)

1 ) Соосаждение. Основывается на захвате радиоэлементов готовыми или образующимися осадками. Радиоактивные элементы, находясь в растворе в микроколичествах, не могут образовывать самостоятельной твердой фазы при действии различных осадителей, так как при столь малых конц-циях не достигается ПР их труднорастворимых соединений, поэтому применяют носители, образующие тв фазу и увлекающие в осадок микрокомпонет – процесс соосаждением (пути ‑ совместная кристаллизация (сокристаллизация) микрокомпонента с макрокомпонентом или адсорбция) микрокомпонента на поверхности осадка носителя.

2) Экстракция ‑ процесс извлечения одного или нескольких элементов или их соединений из одной жидкой фазы в другую, не смешивающуюся с первой.

Одной из фаз в экстракционных системах является вода или водный раствор, который может содержать вещества, способствующие полному переходу экстрагирующего вещества во 2-ую фазу и добавляемые либо для создания определ рН, либо в качестве комплексообразователей либо высаливателей.

Экстрагенты ( орг-кое соединение, при участии которого осуществляется экстракция) ‑спирты, кетоны, простые и сложные эфиры, амины, алкилфосфорные и карбоновые кислоты, хелатообразующие вещества и др.

Сущность метода: что при опред. условиях отдельные элементы в виде солей или иных соединений могут в заметных количествах переходить из водного раствора в несмешивающийся или ограниченно смешивающийся с водой органический растворитель, отделяясь при этом от других элементов.

3) Различные методы хроматографии широко исп-тся для выделения радиоактивных элементов, разделения сложных смесей радиоактивных веществ. 4) Электрохимические процессы - превращение веществ на границе разделения фаз: проводник первого рода (металл), проводник электричества второго рода (раствор), происходящие с участием свободных электронов. Радиоактивные элементы м.б. выделены в виде металла на катоде или в виде окислов на аноде.

5) Если же радиоактивный изотоп получен по ядерной реакции, идущей без изменения заряда ядра (в р-тате ‑ изотоп того же элемента), обычные хим. методы для разделения здесь непригодны. Например: Al (n,) Al, Al (n,2n) Al, Al (, n) Al. В этом случае отделение изотопа от мишени основывается основываться на эффекте отдачи. Так как атом, испытавший отдачу, обычно входит в состав той или иной молекулы, то энергия, которую он приобрел в первое мгновение, далее распределяется между этим атомом отдачи и остальной частью молекулы. После ядерного превращения атом начинает двигаться, причем часто он увлекает за собой и всю остальную часть молекулы.В начальный период движение атома отдачи и остальной части молекулы происходит с разными скоростями, при этом изменяется длина, а, следовательно, и энергия связи. Часть энергии отдачи переходит в энергию возбуждения. Если энергия возбуждения оказывается выше энергии связи, то молекула диссоциирует. На этом явлении основан метод отделения радиоактивного изотопа от материала матрицы.

6) Метод отгонки. Некоторые изотопы могут быть избирательно выделены из смесей путем перевода их (после добавления соответствующих носителей) в легко летучие соединения и последующей отгонки. Например, изотоп ¹⁰⁶Ru отделяют от смеси продуктов деления урана отгонкой в виде RuО₄, а ¹³¹J в виде J₂. Метод отгонки особенно эффективен, когда для близких по свойствам элементов можно получить различные по летучести соединения.

7)Выщелачивание ‑ процесс извлечения радиоактивных изотопов из твердых веществ путем обработки их подходящими растворителями; применяется в том случае, когда радиоактивный элемент входит в состав соединения, более легко растворимого чем основное вещество. Экспрессным методом при обработке мишеней, содержащих короткоживущие изотопы.

Б) Заря́женная части́ца — частица, обладающая эл-ким зарядом. (элементарные частицы (бета-частицы), атомы, молекулы (ионы) и многоатомные комплексы (пылинки, капли)). Прохождение заряженной часицы через в-во.

1.П ричиной потерь энергии зар-ной частицей при прохождении через вещество являются: А) столкновения ее с атомами этого вещества; Б) радиационное торможение (при рассеянии заряженной частицы кулоновским полем ядра или электрона эта частица получает ускорение, что в приводит к ЭМИ Возникает непрерывный спектр -лучей -- тормозное излучение).

В) Заряженные частицы: альфа и бета-излучение радиоактивного распада, ускоренные электроны и положительно заряженные ионы (протоны, дейтоны, заряженные осколки деления ядер урана и т. д.), - теряют энергию в среде за счет ЭМ взаимодействия с эл-ыми оболочками молекул, приводящего к их ионизации и возбуждению (ионизационные потери), а также в результате взаимодействия с кулоновским полем ядер и электронов, при котором инициируется тормозное рентгеновское излучение(радиационные потери). Для нерелятивистских тяжелых заряженных частиц средние ионизационные потери энергии на ед длины пути описываются формулой Бете: (1), где: Е - нач кинетическая эн частицы, х - координата в направлении движения частицы; z и е - заряд частицы и электрона, m - масса покоя электрона, V_o - начальная скорость частицы, Z - ат № среды, А - ат масса среды, ρ - плотность среды, N_o - число Авогадро, I - средний потенциал возбуждения (геометрическое среднее всех потенциалов возбуждения и ионизации молекул среды). Формула справедлива, когда Е<<Mc² (M - масса покоя частицы, с - скорость света) и 2πZ/137 << V_o/c. В=ln (2mV₀²/I) - тормозное числом и f=N₀ (Z/A) - эл плотность среды.

Для ускоренных нерелятивистских эл-ов:

Анализ формулы Бете: 1) параметр (- dE/dx)_ion резко возрастает с уменьш скорости частицы, 2) при одинаковой энергии (- dE/dx)_ion для легких частиц меньше, чем для тяжелых, а глубина проникновения в в-во значительно больше. В случае эл-ов отношение радиационных потерь к иониз-ым сост: (- dE/dx)_rad/(- dE/dx)_ion = E Z/800,

где: Е - начальная эн эл-ов, МэВ; Z - атомный № среды. Для электронов ионизацпотери пропорциональны Z² и почти пропорц-ны начальной энергии Е.

При высоких энергиях ‑ радиационные потери. С уменьшением энергии – ионизационные потери. При некоторой критической энергии (Е_с), ионизационные и радиационные потери = (зависит от природы в-ва). Радиационные потери ‑ при ускоренном движении свободной заряж частицы в элект поле ядра. Пролетая в окрестности ядра, заряженная частица отклоняется от своего первоначального направления движения под действием кулоновской силы, связанной с массой заряж частицы и ее ускорением в2-ым законом Ньютона. Свободный заряд, движущийся с ускорением, излучает ЭМ волны, энергия которых пропорциональна квадрату ускорения. Радиационные потери преобразуются в тормозное излучение, появляющееся из-за торможения заряж частиц в эл поле ядра или при движении электронов по круговым орбитам в ускорителях электронов - бетатроне и синхротроне (бетатронное и синхротронное излуч). Полные потери энергии на единице пути заряженной частицы равны сумме ионизационных и радиационных потерь: (- dE/dx)_полн = (- dE/dx)_rad + (- dE/dx)_ion. Сильное (или ядерное) взаимодействие (для тяж частиц)– наиб интенсивное из всех видов взаим-вий, обуславливает прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Х арактеристическое – фотонное излучение, испускаемое при изменении энерг состояния атома; тормозное – фотонное излучение, испускаемое при изменении кинет энергии заряж частиц (ИИ). Излучение Вавилова-Черенкова ‑ возникает, когда быстрая частица ("снаряд") испытывает столкновение или проходит через среду, состоящую из большого числа атомов или молекул, т.е. через обычное вещество. В-во м замедлить распр-ние ЭМ волн, уменьшить их скорость, которая станет < скорости ЭМ волн в вакууме (<300 000 км/сек). Частицы м. им теперь скорости, больше, чем скорость ЭМ волн в среде (но < скорости света в вакууме), явля.otqcz предельной скороcтью для частиц.. Если частица имеет скорость, > скорости ЭМ волн в среде, то поле частицы как бы не поспевает за ней, и должно оторваться от частицы(излучиться).