Человек всегда стремился отыскать материалы, которые не оставляют никаких шансов своим конкурентам. Издревле учёные искали самые твердые материалы в мире , самые лёгкие и самые тяжелые. Жажда открытий привела к открытию идеального газа и идеально чёрного тела. Представляем вам самые удивительные вещества в мире.
Самое чёрное вещество в мире называется Vantablack и состоит из совокупности углеродных нанотрубок (см. углерод и его аллотропные модификации). Проще говоря, материал состоит из бесчисленного множества «волосков», попав в которые, свет отскакивает от одной трубки к другой. Таким образом поглощается около 99,965% светового потока и лишь ничтожная часть отражается обратно наружу.
Открытие Vantablack открывает широкие перспективы применения этого материала в астрономии, электронике и оптике.
Трифторид хлора является самым горючим веществом из когда-либо известных человечеству. Является сильнейшим окислителем и реагирует практически со всеми химическими элементами. Трифторид хлора способен прожечь бетон и легко воспламеняет стекло! Применение трифторида хлора практически невозможно из-за его феноменальной воспламеняемости и невозможности обеспечить безопасность использования.
Самый сильный яд — это ботулотоксин. Мы знаем его под названием ботокс, именно так он называется в косметологии, где нашел свое основное применение. Ботулотоксин — это химическое вещество, которое выделяют бактерии Clostridium botulinum. Помимо того, что ботулотоксин — самое ядовитое вещество, так он ещё и обладает самой большой молекулярной массой среди белков. О феноменальной ядовитости вещества говорит тот факт, что достаточно всего 0,00002 мг мин/л ботулотоксина, чтобы на полдня сделать зону поражения смертельно опасной для человека.
Это, так называемый, кварк-глюонная плазма. Вещество было создано с помощью столкновением атомов золота при почти световой скорости. Кварк-глюонная плазма имеет температуру 4 триллиона градусов Цельсия. Для сравнения, этот показатель выше температуры Солнца в 250 000 раз! К сожалению, время жизни вещества ограничено триллионной одной триллионной секунды.
В этой номинации чемпионом становится фторидно-сурьмяная кислота H. Фторидно-сурьмяная кислота в 2×10 16 (двести квинтиллионов) раз более едкая, чем серная кислота. Это очень активное вещество, которое может взорваться при добавлении небольшого количества воды. Испарения этой кислоты смертельно ядовиты.
Самое взрывоопасное вещество — гептанитрокубан. Он очень дорогой и применяется лишь для научных исследований. А вот чуть менее взрывоопасный октоген успешно применяется в военном деле и в геологии при бурении скважин.
«Полоний-210» — изотоп полония, который не существует в природе, а изготавливается человеком. Используется для создания миниатюрных, но в тоже время, очень мощных источников энергии. Имеет очень короткий период полураспада и поэтому способен вызывать тяжелейшую лучевую болезнь.
Это, конечно же, фуллерит. Его твердость почти в 2 раза выше, чем у натуральных алмазов. Подробнее о фуллерите можно прочитать в нашей статье Самые твердые материалы в мире .
Самый сильный магнит в мире состоит из железа и азота . В настоящее время, широкой общественности недоступны детали об этом веществе, однако уже сейчас известно, что новый супер-магнит на 18% мощнее самых сильных магнитов применяющихся сейчас — неодимовых. Неодимовые магниты изготавливаются из неодима, железа и бора.
Сверхтекучий Гелий II почти не имеет вязкости при температурах близких к абсолютному нулю. Этим свойством обусловлено его уникальное свойство просачиваться и выливаться из сосуда, изготовленного из любого твёрдого материала. Гелий II имеет перспективы использования в качестве идеального термопроводника, в котором не рассеивается тепло.
Среди всех элементов периодической системы значительная часть принадлежит таким, о которых большинство людей говорят со страхом. А как же иначе? Ведь они являются радиоактивными, а это означает прямую угрозу здоровью людей.
Попробуем разобраться, какие же именно элементы являются опасными, и что они собой представляют, а также выясним, в чем заключается их вредоносное действие на организм человека.
В данную группу входят металлы. Их достаточно много, располагаются они в периодической системе сразу после свинца и до самой последней ячейки. Главный критерий, по которому принято относить тот или иной элемент к группе радиоактивных, - это его способность обладать определенным периодом полураспада.
Другими словами, - это преобразование ядра металла в другое, дочернее, которое сопровождается испусканием излучения определенного вида. При этом происходят превращения одних элементов в другие.
Радиоактивный металл - это тот, у которого хотя бы один изотоп является таковым. Даже если всего разновидностей будет шесть, и при этом лишь одна из них будет носителем данного свойства, весь элемент станет считаться радиоактивным.
Основными вариантами излучения, которое испускается металлами при распадах, являются:
Есть два варианта существования подобных элементов. Первый - это естественный, то есть когда радиоактивный металл встречается в природе и самым простым путем под влиянием внешних сил с течением времени преобразуется в иные формы (проявляет свою радиоактивность и распадается).
Вторая группа - это искусственно созданные учеными металлы, способные к быстрому распаду и мощному выделению большого количества радиационного излучения. Делается это для использования в определенных сферах деятельности. Установки, в которых производятся ядерные реакции по превращениям одних элементов в другие, называются синхрофазотронами.
Разница между двумя обозначенными способами полураспада очевидна: в обоих случаях он самопроизвольный, однако лишь искусственно полученные металлы дают именно ядерные реакции в процессе деструктуризации.
Так как у большей части элементов лишь один или два изотопа являются радиоактивными, принято указывать конкретный вид при обозначениях, а не весь элемент в целом. Например, свинец - это просто вещество. Если же принимать во внимание, что он - радиоактивный металл, то следует называть его, например, "свинец-207".
Периоды полураспада рассматриваемых частиц могут сильно варьироваться. Есть изотопы, которые существуют лишь 0,032 секунды. Но наравне с ними встречаются и те, что распадаются миллионы лет в земных недрах.
Полный перечень всех принадлежащих к рассматриваемой группе элементов может быть достаточно внушительным, ведь всего к ней относятся около 80 металлов. В первую очередь это все, стоящие в периодической системе после свинца, включая группу То есть висмут, полоний, астат, радон, франций, радий, резерфордий и так далее по порядковым номерам.
Выше обозначенной границы располагается множество представителей, каждый из которых также имеет изотопы. При этом некоторые из них могут быть как раз радиоактивными. Поэтому важно, какие разновидности имеет Радиоактивный металл, точнее одна из его изотопных разновидностей, есть практически у каждого представителя таблицы. Например, их имеют:
Таким образом, очевидно, что элементов, проявляющих свойства радиоактивности, очень много - подавляющее большинство. Часть из них безопасна из-за слишком длинного периода полураспада и содержится в природе, другая же создана искусственно человеком для различных нужд в науке и технике и является крайне опасной для организма людей.
Название элементу дано его первооткрывателями - супругами и Марией. Именно эти люди впервые обнаружили, что один из изотопов этого металла - радий-226 - это наиболее устойчивая форма, обладающая особыми свойствами радиоактивности. Это произошло в 1898 году, и о подобном явлении только стало известно. Подробным его изучением как раз и занялись супруги химики.
Этимология слова берет корни из французского языка, на котором оно звучит как radium. Всего известно 14 изотопных модификаций данного элемента. Но наиболее устойчивые формы с массовыми числами:
Ярко выраженной радиоактивностью обладает форма 226. Сам по себе радий - химический элемент под номером 88. Атомная масса . Как простое вещество способен к существованию. Представляет собой серебристо-белый радиоактивный металл с температурой плавления около 670 0 С.
С химической точки зрения проявляет достаточно высокую степень активности и способен реагировать с:
Также радий - химический элемент, который формирует ряд солей. Известны его нитриды, хлориды, сульфаты, нитраты, карбонаты, фосфаты, хроматы. Также есть с вольфрамом и бериллием.
То, что радий-226 может быть опасен для здоровья, его первооткрыватель Пьер Кюри узнал не сразу. Однако сумел убедиться в этом, когда провел эксперимент: сутки он ходил с привязанной к плечевой части руки пробиркой с металлом. На месте контакта с кожей появилась незаживающая язва, избавиться от которой ученый не мог больше двух месяцев. От своих экспериментов над явлением радиоактивности супруги не отказались, поэтому и умерли оба от большой дозы облучения.
Помимо отрицательного значения, существует и ряд областей, в которых радий-226 находит применение и приносит пользу:
Данный элемент был открыт в сороковых годах XX века американскими учеными. Впервые его выделили из в которой он сформировался из нептуния. Последний при этом - результат распада уранового ядра. То есть все они между собой тесно взаимосвязаны общими радиоактивными превращениями.
Существует несколько устойчивых изотопов данного металла. Однако наиболее распространенной и важной практически разновидностью является плутоний-239. Известны химические реакции данного металла с:
По своим физическим свойствам плутоний-239 является хрупким металлом с температурой плавления 640 0 С. Основные способы воздействия на организм - это постепенное формирование онкологических заболеваний, накапливание в костях и вызывание их разрушения, заболевания легких.
Область использования - в основном ядерная промышленность. Известно, что при распаде одного грамма плутония-239 выделяется такое количество теплоты, которое сравнимо с 4-мя тоннами сгоревшего угля. Именно поэтому этот находит такое широкое применение в реакциях. Ядерный плутоний - источник энергии в атомных реакторах и термоядерных бомбах. Он же используется при изготовлении электрических аккумуляторов энергии, срок службы которых может достигать пяти лет.
Данный элемент был открыт в 1789 году химиком из Германии Клапротом. Однако исследовать его свойства и научиться применять их на практике люди сумели лишь в XX веке. Основная отличительная особенность в том, что радиоактивный уран способен при естественном распаде образовывать ядра:
В природе этот металл светло-серого цвета, обладает температурой плавления свыше 1100 0 С. Встречается в составе минералов:
Известны три стабильных природных изотопа и 11 искусственно синтезированных, с массовыми числами от 227 до 240.
В промышленности широко используется радиоактивный уран, способный быстро распадаться с высвобождением энергии. Так, его используют:
Влияние на организм человека ничем не отличается от предыдущих рассмотренных металлов - накопление приводит к повышенной дозе облучения и возникновению раковых опухолей.
Самыми главными из металлов, стоящих вслед за ураном в периодической системе, являются те, что были открыты совсем недавно. Буквально в 2004 году в свет вышли источники, подтверждающие рождение на свет 115 элемента периодической системы.
Им стал самый радиоактивный металл из всех известных на сегодняшний день - унунпентий (Uup). Его свойства остаются не изученными до сих пор, ведь период полураспада составляет 0,032 секунды! Рассмотреть и выявить подробности строения и проявляемые особенности при таких условиях просто невозможно.
Однако его радиоактивность во много раз превосходит показатели второго по данному свойству элемента - плутония. Тем не менее используется на практике не унунпентий, а более "медленные" его товарищи по таблице - уран, плутоний, нептуний, полоний и прочие.
Еще один элемент - унбибий - теоретически существует, однако доказать это практически ученые разных стран не могут с 1974 года. Последняя попытка была совершена в 2005 году, однако оказалась не подтвержденной общим советом ученых-химиков.
Был открыт еще в XIX веке Берцелиусом и назван в честь скандинавского бога Тора. Является слаборадиоактивным металлом. Такой особенностью обладают пять из его 11-ти изотопов.
Основное применение в основано не на способности испускать огромное количество тепловой энергии при распаде. Особенность в том, что ядра тория способны захватывать нейтроны и превращаться в уран-238 и плутоний-239, которые уже и вступают непосредственно в ядерные реакции. Поэтому и торий можно отнести к группе рассматриваемых нами металлов.
Серебристо-белый радиоактивный металл под номером 84 в периодической системе. Открыт был все теми же ярыми исследователями радиоактивности и всего, что с ней связано, супругами Марией и Пьером Кюри в 1898 году. Главная особенность этого вещества в том, что оно свободно существует около 138,5 дней. То есть таков период полураспада данного металла.
В природе встречается в составе урановых и других руд. Используется как источник энергии, причем достаточно мощной. Является стратегическим металлом, так как применяется для изготовления ядерного оружия. Количество строго ограничено и находится под контролем каждого государства.
Также используется для ионизации воздуха, устранения статического электричества в помещении, при изготовлении космических обогревателей и прочих схожих предметов.
Все радиоактивные металлы обладают способностью проникать сквозь кожу человека и накапливаться внутри организма. Они очень плохо выводятся с продуктами жизнедеятельности, вообще не выводятся с потом.
Со временем начинают поражать дыхательную, кровеносную, нервную системы, вызывая в них необратимые изменения. Воздействуют на клетки, заставляя их функционировать неправильно. В результате происходит образование злокачественных опухолей, возникают онкологические заболевания.
Поэтому каждый радиоактивный металл - большая опасность для человека, особенно если говорить о них в чистом виде. Нельзя трогать их незащищенными руками и находиться в помещении вместе с ними без специальных защитных приспособлений.
До конца XIX века все химические элементы казались постоянными и неделимыми. Не возникало вопроса о том, как можно преобразовать неизменяемые элементы. Но открытие радиоактивности перевернуло известный нам мир и проложило путь к открытию новых веществ.
Честь открытия превращения элементов принадлежит французскому физику Антуану Беккерелю. Для одного химического опыта ему понадобились кристаллы сульфата уранил-калия. Он завернул вещество в черную бумагу и положил пакет возле фотопластинки. После проявления пленки ученый увидел на снимке очертания кристаллов уранила. Несмотря на плотный слой бумаги, они были хорошо различимы. Беккерель несколько раз повторял этот опыт, но результат оказывался тем же: очертания кристаллов, содержащих уран, четко просвечивались на фотографических пластинках.
Результаты открытия Беккерель обнародовал на очередном совещании, которое проводила Парижская академия наук. Его доклад начинался словами о «невидимой радиации». Так он описывал результаты своих экспериментов. После этого в обиход физиков и вошло понятие радиации.
Результаты наблюдений Беккереля заинтересовали французских ученых Марию и Поля Кюри. Они справедливо посчитали, что радиоактивными свойствами мог обладать не только уран. Исследователи заметили, что остатки руды, из которых добывается это вещество, все еще обладают высокой радиоактивностью. Поиски элементов, отличающихся от исходных, привели к открытию вещества со свойствами, аналогичными урану. Новый радиоактивный элемент получил наименование полоний. Такое название Мария Кюри дала веществу в честь своей родины - Польши. Вслед за этим был открыт радий. Радиоактивный элемент оказался продуктом распада чистого урана. После этого в химии началась эра новых, ранее не встречающихся в природе химических веществ.
Большая часть известных на сегодняшний день ядер химических элементов нестабильна. Со временем такие соединения самопроизвольно распадаются на иные элементы и различные мельчайшие частицы. Более тяжелый элемент-родитель в сообществе физиков получил название исходного материала. Продукты, образующиеся при разложении вещества, именуются дочерними элементами или продуктами распада. Сам процесс сопровождается выбросом различных радиоактивных частиц.
Нестабильность химических элементов можно объяснить существованием различных изотопов одного и того же вещества. Изотопы - это разновидности некоторых элементов периодической системы с одинаковыми свойствами, но с разным числом нейтронов в ядре. Очень многие рядовые химические вещества имеют хотя бы один изотоп. То, что эти элементы широко распространены и хорошо изучены, подтверждает, что они находятся в стабильном состоянии сколь угодно долго. Но каждый из этих «долгоживущих» элементов содержит изотопы. Ядра их ученые получают в процессе проводимых в лабораторных условиях реакций. Искусственный радиоактивный элемент, получаемый синтетическим путем, в стабильном состоянии долго существовать не может и со временем распадается. Процесс этот может идти тремя путями. По названию элементарных частиц, которые являются побочными продуктами термоядерной реакции, все три вида распада получили свои имена.
Радиоактивный химический элемент может преобразоваться по первой схеме распада. В этом случае из ядра вылетает альфа-частица, энергия которой достигает 6 млн эВ. При детальном изучении результатов реакции было установлено, что эта частица представляет собой атом гелия. Она уносит из ядра два протона, поэтому получившийся радиоактивный элемент будет иметь в периодической системе атомный номер на две позиции ниже, чем у вещества-родителя.
Реакция бета-распада сопровождается излучением одного электрона из ядра. Появление этой частицы в атоме связано с распадом нейрона на электрон, протон и нейтрино. Поскольку электрон покидает ядро, радиоактивный химический элемент увеличивает свой атомный номер на одну единицу и становится тяжелее своего родителя.
При гамма-распаде ядро выделяет пучок фотонов с различной энергией. Эти лучи и принято называть гамма-излучением. При этом процессе радиоактивный элемент не видоизменяется. Он просто теряет свою энергию.
Сама по себе нестабильность, которой обладает тот или иной радиоактивный элемент, совершенно не означает, что при наличии некоторого количества изотопов наше вещество вдруг исчезнет, выделив при этом колоссальную энергию. В реальности распад ядра напоминает приготовление попкорна - хаотичное движение зерен кукурузы на сковородке, причем совершенно неизвестно, какое из них раскроется первым. Закон реакции радиоактивного распада может гарантировать только то, что за определенный отрезок времени из ядра вылетит количество частиц, пропорциональное числу оставшихся в ядре нуклонов. На языке математики этот процесс может быть описан такой формулой:
Здесь на лицо пропорциональная зависимость числа нуклонов dN, покидающих ядро за период dt, от числа всех имеющихся в ядре нуклонов N. Коэффициент λ представляет собой константу радиоактивности распадающегося вещества.
Число нуклонов, оставшихся в ядре в момент времени t, описывается формулой:
N = N 0 e -λt ,
в которой N 0 - число нуклонов в ядре в начале наблюдения.
Например, радиоактивный элемент галоген с атомным номером 85 был открыт лишь в 1940 году. Период полураспада его довольно велик - 7,2 часа. Содержание радиоактивного галогена (астата) на всей планете не превышает одного грамма чистого вещества. Таким образом, за 3,1 часа количество его в природе должно, по идее, уменьшиться вдвое. Но постоянные процессы распада урана и тория дают начало новым и новым атомам астата, хотя и в очень маленьких дозах. Поэтому количество его в природе остается стабильным.
Константа радиоактивности служит для того, чтобы с ее помощью можно было определить, насколько быстро распадется исследуемый элемент. Но для практических задач физики чаще используют величину, называемую периодом полураспада. Этот показатель сообщает, за какое время вещество потеряет ровно половину своих нуклонов. Для различных изотопов этот период варьируется от крохотных долей секунды до миллиардов лет.
Важно понимать, что время в этом уравнении не складывается, а умножается. Например, если за промежуток времени t вещество потеряло половину своих нуклонов, то за срок в 2t оно потеряет еще половину от оставшихся - то есть одну четвертую от первоначального количества нуклонов.
Естественным образом радиоактивные вещества образуются в верхних слоях атмосферы Земли, в ионосфере. Под действием космического излучения газ на большой высоте претерпевает различные изменения, которые превращают стабильное вещество в радиоактивный элемент. Газ, наиболее распространенный в нашей атмосфере - N 2 , к примеру, из устойчивого изотопа азот-14 превращается в радиоактивный изотоп углерода-14.
В наше время гораздо чаще радиоактивный элемент возникает в цепи рукотворных реакций атомного деления. Так называют процессы, в которых ядро вещества-родителя распадается на два дочерних, а после - на четыре радиоактивных «внучатых» ядра. Классический пример - изотоп урана 238. Его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет. Практически столько же существует наша планета. После десяти этапов распада радиоактивный уран превращается в стабильный свинец 206. Искусственно полученный радиоактивный элемент по свои свойствам ничем не отличается от своего природного собрата.
После Чернобыльской катастрофы многие всерьез заговорили о свертывании программ развития атомных электростанций. Но в бытовом плане радиоактивность приносит человечеству огромную пользу. Изучением возможностей ее практического применения занимается наука радиография. Например, радиоактивный фосфор вводится пациенту для получения полной картины костных переломов. Ядерная энергия служит также для выработки тепла и электроэнергии. Возможно, в дальнейшем нас ждут новые открытия и в этой удивительной области науки.
Все известные радиоактивные элементы следует разделить на 2 группы (таблица 2.1): естественные и искусственные (техногенные) .
Среди естественных радиоактивных элементов выделяются долгоживущие (U, Th, K-40, Rb-87 и др.), короткоживущие продукты распада долгоживущих изотопов (радий, радон и т.д.) и нуклиды, постоянно образующиеся в природной среде за счет ядерных реакций (C-14, H-3, Be-7 и др.).
Искусственные радионуклиды могут быть подразделены на:
- осколочные (продукт деления ядер урана-235 под воздействием тепловых нейтронов по схеме):
90 Sr, 134 Cs, 137 Cs, 140 La, 131 I, 129 I, 99 Tc, 106 Ru, 141 Ce
- трансурановые радиоактивные элементы
- продукты активации – за счет взаимодействия нейтронов, гамма - квантов и т.д. с веществом:
56 Fe, 22 Na, 60 Co, 65 Zn, 32 P
8 Предельно допустимые дозы облучения на организм человека. Каковы основные тенденции в изменении этих нормативов?
Предельно допустимая доза (ПДД) ионизирующего излучения - гигиенический норматив, регламентирующий наибольшее допустимое значение индивидуальной эквивалентной дозы во всем теле человека или в отдельных органах, которое не вызовет в состоянии здоровья лиц, работающих с источниками ионизированного излучения, неблагоприятных изменений. Применяется в области радиационной безопасности, устанавливается законодательно. В Российской Федерации законодательным документом являются "Нормы радиационной безопасности". ПДД зависит от облучения всего тела, тех или иных групп т. н. критических органов и составляет от 5 до 30 бэр (50-300 мЗв) в год.
По отношению к облучению население делится на 3 категории.
Категория А
облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.
Категория Б
облучаемых лиц или ограниченная часть населения - лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.
Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.
Устанавливается три группы критических органов:
1 группа - все тело, гонады и красный костный мозг.
2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.
3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.
Помимо основных дозовых пределов для оценки влияния излучения используют производные нормативы и контрольные уровни. Нормативы рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы). Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.
Предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания;
Допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС А;
Допустимая мощность дозы излучения ДМД А;
Допустимая плотность потока частиц ДПП А;
Допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК А;
Допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ А.
Предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения;
Допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК Б в атмосферном воздухе и воде;
Допустимая мощность дозы ДМД Б;
Допустимая плотность потока частиц ДПП Б;
Допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ Б.
Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в "Нормах радиационной безопасности".
Пределы допустимых экспозиционных доз с годами менялись, и в целом, по мере того, как увеличивающиеся знания о рисках заболевания раком в результате облучения указывали на то, что угроза, которую представляет облучение, -значительно больше, чем предполагалось ранее, наблюдалась тенденция к их понижению. Для того чтобы гарантировать, что персонал не подвергается вредному воздействию свыше нормы, необходимо должным образом контролировать наиболее важные пути этого воздействия. Необходимо также учитывать, что ионизирующее излучение оказывает воздействие на людей различными путями.
9 Трансурановые элементы – как радиационно-опасный фактор
Трансурановые радиоактивные элементы - химические элементы с атомным номером, больше чем у урана-92:
240 Pu, 239 Pu, 239 U, 239 Np, 247 Cm, 241 Am
Википедия:
Элементы с атомным номером более 100 называются трансфермиевыми элементами. Одиннадцать из известных трансурановых элементов (93-103) принадлежит к числу актиноидов. Трансурановые элементы с атомным номером более 103 называются трансактиноидами.
Все известные изотопы трансурановых элементов имеют период полураспада значительно меньший, чем возраст Земли. Поэтому трансурановые элементы практически отсутствуют в природе и получаются искусственно посредством различных ядерных реакций. Элементы до фермия включительно образуются в ядерных реакторах в результате захвата нейтронов и последующего бета-распада. Трансфермиевые элементы образуются только в результате слияния ядер.
Первый из трансурановых элементов нептуний Np (п. н. 93) был получен в 1940 г. бомбардировкой урана нейтронами. За ним последовало открытие плутония (Pu, п. н. 94), америция (Am, п. н. 95), кюрия (Cm, п.н. 96), берклия (Bk, п. н. 97), калифорния(Cf, п. н.98), эйнштейния (Es, п.н.99), фермия (Fm, п.н. 100), менделевия (Md, п. н. 101), нобелия (No, п. н. 102) и лоуренсия (Lr, п. н. 103). Получены также трансактиноиды с порядковыми номерами 104-118; в этом ряду имена присвоены элементам 104-112: резерфордий (Rf, 104), дубний (Db, 105), сиборгий (Sg, 106), борий (Bh, 107), хассий (Hs, 108), мейтнерий (Mt, 109), дармштадтий (Ds, 110), рентгений (Rg, 111), коперниций (Cn, 112). Элементы 113-118 пока имеют временные названия, производные от соответствующих латинских числительных: унунтрий (Uut, 113), унунквадий (Uuq, 114), унунпентий (Uup, 115), унунгексий (Uuh, 116), унунсептий (Uus, 117), унуноктий (Uuo, 118).
Химические свойства лёгких трансурановых актиноидов, получаемых в весовых количествах, изучены более или менее полно; трансфермиевые элементы (Md, No, Lr и так далее) изучены слабо в связи с трудностью получения и короткими временами жизни. Кристаллографические исследования, изучение спектров поглощения растворов солей, магнитных свойств ионов и других свойств показали, что элементы с п. н. 93-103 - аналоги лантаноидов. Из всех трансурановых элементов наибольшее применение нашёл нуклид плутония 239Pu как ядерное топливо.
Трансурановые элементы (ТУЭ).
все эти радионуклиды испытывают α-распад и все долгоживущие.
Трансурановые радионуклиды (элементы) образуются в результате последовательно повторяющихся актов захвата нейтронов (n,γ) и последующим β-распадом:
1. 235 U(n,γ) 236 U(n,γ) 237 U 237 Np(n,γ) 238 Np 238 Pu
2. 238 U(n,γ) 239 U 239 Np 239 Pu
3. 239 Pu(n,γ 240 Pu
4. 240 Pu(n,γ) 241 Pu 241 Am
5. 241 Pu(n,γ) 242 Pu
Здесь приведены только основные превращения, в результате которых образуются значимые для радиоэкологии радионуклиды.
С увеличением Z и A синтезируемого ядра его выход резко уменьшается. В отличие от ядерного взрыва, при котором синтез ТУЭ происходит за время 10 -6 ÷ 10 -8 с при очень высоком интегральном нейтронном потоке (до 10 23 ÷ 10 23 нн/см 2), в ядерном реакторе время синтеза может продолжаться в течение многих лет при меньшей интенсивности нейтронного потока. Наибольший выход имеет реакция 2. – выход 239 Np и 239 Pu при плотности потока нейтронов в реакторе 10 13 нн/см 2 с составляет 0,1 Ки/1 г U.
Реакция 238 U(n,γ) 239 U → 239 Np → 239 Pu может происходить и в природных условиях под действием нейтронов спонтанного деления U(s,f) и нейтронов из (α,n) реакции на уране, содержащемся в урановых рудах. Выход ядер 239 Pu в этом случае порядка (0,4 ÷ 15)·10 -12 относительно содержания ядер 238 U в рудах.
Трансурановые элементы наиболее интенсивно нарабатываются в ядерных реакторах (в том числе и энергетических) и являются одним из самых ценных продуктов переработки выгоревшего ядерного топлива. Кроме ЯТЦ и ЯВ источником выбросов ТУЭ явилась авария ЧАЭС.
Все трансурановые элементы химически очень активны. Характерная их особенность – способность образовывать соединения с водородом, азотом, кислородом, галогенами, а также комплексные соединения. Степени окисления их от 2 + до 7 + .
Валентность радионуклидов плутония от 2 + до 7 + (2 + наименее характерна). В большинстве случаев радионуклиды плутония образуют нерастворимые соединения. Окислы плутония PuO, Pu 2 O 3 ,PuO 2 и фазы переменного состава от Pu 2 O 3 до Pu 4 O 7 . В водных растворах образует ионы (от 3 + до 7 +), причем все ионы могут находиться в растворе одновременно (кроме 7 +). Они подвержены гидролизу (эта способность возрастает в ряду PuO Валентность 241 Am от 2 + до 7 + , причем наименее характерны 2 + и 7 + , а устойчивые 3 + , в твердом состоянии и в виде комплексов в растворе – 4 + . Окислы AmO, Am 2 O 3 , и AmO 2 . Образует нитридAmN, сульфид Am 2 S, а также металлоорганическое соединение Am(C 5 H 5) 3 . Америций образует растворимые соединения с галогенами (AmCl 2 , AmBr, AmJ 3). Образует комплексные соединения с минеральными и органическими кислотами. В отличие от плутония соединения америция обладают бóльшей растворимостью и, следовательно, бóльшей миграционной способностью. В степени окисления 3 + свойства ТУЭ подобны свойствам лантаноидов, но обладают более сильно выраженной способностью к комплексообразованию (она возрастает в ряду U В степени окисления 4 + образуют оксиды, фториды, устойчивы в водных растворах (U, Np, Pu), в водных растворах образуют комплексы. Соединения (гидрооксиды, фториды, иодиды, фосфаты, карбонаты) труднорастворимые. Сильные комплексообразователи (склонность возрастает от U к Am). В степени окисления 5 + существуют в виде диокислов MeO 2 + . Эта ионная форма определяет химические свойства – малую склонность к гидролизу и комплексообразованию. В степени окисления 6 + находятся в форме ионов MeO 2 2+ . Известно значительное число комплексных соединений. В степени окисления 7 + наиболее устойчив Pu. В твердом состоянии существует в виде ионов MeO 5 5- , MeO 5 3- , 4- и MeO 4 - , а в растворах – в гидратированной форме аниона MeO 5 3+ . В общем, закономерности миграции плутония и америция подобны. Поэтому достаточно рассмотреть особенность миграции радионуклидов плутония. Они определяются растворимостью соединений плутония в природных средах и, особенно, первоначальная химическая форма. При ядерных взрывах такой формой являются практически нерастворимые окислы и, в основном, отдельные атомы, которые с глобальными выпадениями поступают на земную поверхность и только здесь могут образовывать растворимые соединения. В выбросах ЯТЦ преобладают растворимые соединения плутония, а также его комплексные соединения с органическими лигандами. Особо сложным составом отличались выбросы при аварии ЧАЭС. Их можно разделить на 4 группы
: А
- механически выброшенные из активной зоны тонкодисперсные частицы топлива, близкие по радионуклидному составу к отработанному топливу; осели на земную поверхность в ближней зоне (R ≤ 60 – 70 км). Б
– мелкодисперсное топливо и другие продукты, умеренно обогащенные летучими радионуклидами; содержание радионуклидов плутония в ~ 2 раза больше ожидаемого; осели на земную поверхность в зоне R ≤ 100 км. В
– выбросы, сильно обогащенные летучими радионуклидами, в том числе плутонием; осели на земную поверхность в зоне R ≤ 150 км и далее. Г
– выбросы, обогащенные радионуклидами плутония до 200 раз, в том числе частично растворимые соединения плутония; осели на земную поверхность в дальней зоне. Различия в этих группах выбросов обусловлены главным образом различием температур в аварийном реакторе к моменту взрыва. Содержание кислорастворимых форм плутония возрастает от группы А и Б к группам В, Г в 4 – 15 раз и доходит до 55 ÷ 85%. В настоящее время основным резервуаром радионуклидов плутония и 241 Am являются поверхность почв и донные отложения (более 99% поступивших и поступающих от глобальных и чернобыльских выпадений и от выбросов предприятий ЯТЦ). В биологических объектах этих трансурановых элементов не более 1% (в основном в растениях, а в животных еще в 5 ÷ 10 4 раз меньше). Радионуклиды плутония находятся преимущественно в 4 + нерастворимой форме. Коэффициент диффузии в почве ~ 10 -9 см/с. Только около ~ 10% этих радионуклидов может быть в растворимой доступной для растений форме. Из растений наибольшую концентрацию радионуклидов плутония имеют низкорастущие растения (травы, мхи, лишайники). Это следствие того, что радионуклиды плутония перераспределяются на земной поверхности в основном за счет ветрового переноса и эрозии. Коэффициент накопления трансурановых элементов растениями очень низкий (10 -1 ÷ 10 -3). Изотопные отношения радионуклидов плутония, содержащихся в почве различных регионов, существенно различаются из-за различия источников их поступления (глобальный, от ЯТЦ, авария ЧАЭС). Так, отношение 240 Pu/ 239 Pu от ядерных взрывов – (0,05 ÷ 0,06); от глобальных выпадений - около 0,176; от выбросов ЯТЦ вместе с глобальными выпадениями – (0,049 ÷ 0,150), а от чернобыльских выпадений – (0,30 ÷ 0,35). Изотопные отношения для различных регионов варьируют в следующих пределах: Видно, что основным радионуклидом плутония в выбросах является 239 Pu. Очень малы выбросы 238 Pu и 242 Pu. Несмотря на относительно низкие выбросы 241 Pu, они играют особую роль, так как в результате распада этого радионуклида образуется долгоживущий 241 Am. Поэтому содержание 241 Am в окружающей среде непрерывно возрастает. Так, в период 1940 – 1990 гг. содержание 241 Am в атмосфере увеличилось в 2 раза. Абсолютное содержание радионуклидов плутония в почвах и атмосферных аэрозолях очень сильно варьирует, особенно в зависимости от расстояния от ЧАЭС. Так в атмосферных аэрозолях содержание плутония уменьшается в 10 4 раз при переходе от ближней к дальней зоне (в которой содержание плутония находится на уровне 19 Бк/л), плотность выпадений уменьшается в ~ 170 раз (до уровня 1,25·10 5 Бк/м 2), содержание на поверхности почвы уменьшается в ~ 370 раз (до уровня ~ 10 Бк/м 2). В целом по мере удаления от ЧАЭС уровень загрязнения приближается к фону глобального загрязнения – для земной поверхности (10 ÷ 60) Бк/м 2 . Средняя удельная активность радионуклидов плутония в почвах для европейской части России ~ 140 Бк/кг при фоне глобального загрязнения около 60 Бк/кг. Радиация, радиоактивность и радиоизлучение - понятия, которые даже звучат достаточно опасно. В этой статье вы узнаете, почему некоторые вещества радиоактивные, и что это значит. Почему все так боятся радиации и насколько она опасна? Где мы можем встретить радиоактивные вещества и чем нам это грозит? Радиоактивностью называю «умение» атомов некоторых изотопов расщепляться и создавать этим излучения. Термин «радиоактивность» появился не сразу. Изначально такое излучение называли лучами Беккереля, в честь ученого, открывшего его в работе с изотопом урана. Уже теперь мы называем этот процесс термином «радиоактивное излучение». В этом достаточно сложном процессе изначальный атом превращается в атом совсем другого химического элемента. За счет выбрасывания альфа- или бета-частиц, массовое число атома изменяется и, соответственно, это перемещает его по таблице Д. И. Менделеева. Стоит заметить, что массовое число изменяется, но сама масса остается практически такой же. Опираясь на данную информацию, можем немного перефразировать определение понятия. Итак, радиоактивность - это также способность неустойчивых ядер атомов самостоятельно превращаться в другие, более стабильные и устойчивые ядра. Перед тем как говорить о том, что такое вещества радиоактивные, давайте вообще определим, что называется веществом. Итак, в первую очередь, это разновидность материи. Логичным есть и тот факт, что эта материя состоит из частиц, и в нашем случае это чаще всего электроны, протоны и нейтроны. Здесь уже можно говорить об атомах, которые состоят из протонов и нейтронов. Ну а из атомов получаются молекулы, ионы, кристаллы и так далее. Понятие химического вещества основывается на этих же принципах. Если в материи невозможно выделить ядро, то ее нельзя причислить к химическим веществам. Как уже говорилось выше, чтобы проявлять радиоактивность, атом должен самопроизвольно распадаться и превращаться в атом совсем другого химического элемента. Если все атомы вещества нестабильны до такой степени, чтобы распасться таким образом, значит перед вами радиоактивное вещество. Более техническим языком определение прозвучало бы так: вещества радиоактивные, если они содержат радионуклиды, причем в высокой концентрации. Довольно простой и легкий способ узнать, относиться ли вещество к радиоактивным, это посмотреть в таблицу Д. И. Менделеева. Все, что находится после элемента свинец - это радиоактивные элементы, а также еще прометий и технеций. Важно помнить, какие вещества радиоактивные, ведь это может спасти вам жизнь. Существует также ряд элементов, которые имеют хотя бы один радиоактивный изотоп в своих природных смесях. Вот их неполный список, где указаны одни из самых распространенных элементов: К радиоактивным веществам относятся те, которые содержат любые радиоактивные изотопы. Радиоактивное излучение бывает нескольких типов, о которых сейчас и пойдет речь. Уже упоминалось альфа- и бета-излучение, но это не весь список. Альфа-излучение - это самое слабое излучение, которое представляет опасность в том случае, если частицы попадают непосредственно в тело человека. Такое излучение реализуется тяжелыми частицами, и именно поэтому легко останавливается даже листом бумаги. По этой же причини альфа-лучи не пролетают больше 5 см. Бета-излучение более сильное, чем предыдущее. Это излучение электронами, которые намного легче альфа-частиц, поэтому могут проникать на несколько сантиметров в кожу человека. Гамма-излучение реализуется фотонами, которые достаточно легко проникают еще дальше к внутренним органам человека. Самое мощное по проникновению излучение - это нейтронное. От него спрятаться достаточно сложно, но в природе его, по сути, и не существует, разве что в непосредственной близости к ядерным реакторам. Радиоактивно опасные вещества часто могут быть смертельными для человека. К тому же радиационное облучение имеет необратимый эффект. Если вы подверглись облучению, значит, вы обречены. В зависимости от масштабов повреждения, человек погибает в течение нескольких часов или на протяжении многих месяцев. Вместе с этим нужно сказать, что люди непрерывно подвергаются радиоактивному излучению. Слава Богу, оно достаточно слабое, чтобы иметь летальный исход. Например, посмотрев футбольный матч по телевиденью, вы получаете 1 микрорад радиации. До 0,2 рад в год - это вообще естественный радиационный фон нашей планеты. 3 дар - ваша порция радиации при рентгене зубов. Ну а облучение свыше 100 рад уже является потенциально опасным. Самое опасное радиоактивное вещество - это Полоний-210. Из-за излучения вокруг него даже видно своеобразную светящуюся «ауру» голубого цвета. Стоит сказать о том, что существует стереотип, будто все радиоактивные вещества светятся. Это совсем не так, хотя и встречаются такие варианты, как Полоний-210. Большинство радиоактивных веществ внешне совсем не подозрительные. Самым радиоактивным металлом на данный момент считают ливерморий. Его изотопу Ливерморию-293 достаточно 61 миллисекунды, чтобы распасться. Это выяснили еще в 2000 году. Немного уступает ему унунпентий. Время распада Унунпентия-289 составляет 87 миллисекунды. Также интересный факт состоит в том, что одно и то же вещество может быть как безвредным (если его изотоп стабильный), так и радиоактивным (если ядра его изотопа вот-вот разрушатся). Вещества радиоактивные долгое время не считались опасными, и потому из свободно изучали. К сожалению, печальные смерти научили нас тому, что с такими веществами нужна осторожность и повышенный уровень безопасности. Одним их первых, как уже упоминалось, был Антуан Беккерель. Это великий французский физик, которому и принадлежит слава первооткрывателя радиоактивности. За свои заслуги он удостоился членства в Лондонском королевском обществе. Из-за своего вклада и эту сферу он скончался достаточно молодым, в возрасте 55 лет. Но его труд помнят по сей день. В его честь были названа сама единица радиоактивности, а также кратеры на Луне и Марсе. Не менее великим человеком была Мария Склодовская-Кюри, которая работала с радиоактивными веществами вместе со своим мужем Пьером Кюри. Мария также была француженкой, хоть и с польскими корнями. Кроме физики она занималась преподаванием и даже активной общественной деятельностью. Мария Кюри - первая женщина лауреат Нобелевской премии сразу в двух дисциплинах: физика и химия. Открытие таких радиоактивных элементов, как Радий и Полоний, - это заслуга Марии и Пьера Кюри. Как мы видим, радиоактивность - достаточно сложный процесс, который не всегда остается подконтрольным человеку. Это один из тех случаев, когда люди могут оказаться абсолютно бессильными перед лицом опасности. Именно поэтому важно помнить, что действительно опасные вещи могут быть внешне очень обманчивыми. Узнать вещество радиоактивное или нет, чаще всего можно уже попав под его воздействие. Поэтому будьте осторожны и внимательны. Радиоактивные реакции во многом нам помогают, но также не стоит забывать, что это практически не подконтрольная нам сила. К тому же стоит помнить вклад великих ученных в изучение радиоактивности. Они передали нам невероятно много полезных знаний, которые теперь спасают жизни, обеспечивают целые страны энергией и помогаю лечить страшные заболевания. Радиоактивные химические вещества - это опасность и благословение для человечества.Понятие радиоактивности
Вещества - что это такое?
О радиоактивных веществах
Где в таблице Д. И. Менделеева находятся радиоактивные вещества?
Виды радиоактивного излучения
Воздействие радиации на человека
Вредные радиоактивные вещества, примеры и предостережения
Ученные, которые изучали радиоактивность
Заключение
Тематические материалы:
Обновлено: 29.09.2019
103583
Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
