Радиоактивные элементы

Московский  Государственный Университет Пищевых  Производств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по неорганической химии на тему:   «Радиоактивные элементы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила

студентка группы 08-ТПМ-15

Чипко Екатерина

 

Работу проверила 

преподаватель О.В.Маслова

 

 

 

 

 

 

Москва

2009 

 

Оглавление

1.Элементы, которые можно называть радиоактивными 3

2.Первый обнаруженный радиоактивный элемент 4

3.Опыты М.Кюри и краткие выводы о радиоактивности 4

4.Открытие других радиоактивных элементов 6

5.Радиоактивность горных пород 6

6.Альфа, гамма и бета излучение 7

7.Изомеры 8

8.Изотопы 8

9.Естественная и искусственная радиоактивность 9

10.Радий в природе и его свойства 13

11.Кратко о других радиоактивных элементах 20

12.Период полураспада 22

13.Применение 24

Список  используемой литературы 26

 

 

 

 

1.Элементы, которые можно называть радиоактивными

Радиоактивные элементы, химические элементы, все  изотопы которых радиоактивны. К  числу Р. э. принадлежат технеций (атомный номер 43), прометий (61), полоний (84) и все последующие элементы в периодической системе Менделеева. К 1975 известно 25 Р. э. Те из них, которые расположены в периодической системе за ураном, называются трансурановыми элементами. 14 Р. э. с атомным номером 90—103 во многом сходны между собой; они составляют семейство актиноидов . Из природных Р. э. только два — торий (атомный номер 90) и уран (92) имеют изотопы, периоды полураспада которых (T1/2) сравнимы с возрастом Земли. Это 232Th (T1/2 = 1,41×1010 лет), 235U (T1/2 = 7,13×108 лет) и 238U (T1/2 = 4,51×109 лет). Поэтому торий и уран сохранились на нашей планете со времён её формирования и являются первичными Р. э. Изотопы 232Th, 235U и 238U дают начало естественным радиоактивным рядам, в состав которых входят в качестве промежуточных членов вторичные природные Р. э. с атомный номер 84—89 и 91. Периоды полураспадов всех изотопов этих элементов сравнительно невелики, и, если бы их запасы не пополнялись непрерывно за счёт распада долгоживущих изотопов U и Th, они давно бы уже полностью распались.

Р. э. с  атомный номер 43, 61, 93 и все последующие  называются искусственными, т.к. их получают с помощью искусственно проводимых ядерных реакций. Это деление Р. э. на природные и искусственные довольно условно; так, астат (атомный номер 85) был сначала получен искусственно, а затем обнаружен среди членов естественных радиоактивных рядов. В природе найдены также ничтожные количества технеция, прометия, нептуния (атомный номер 93) и плутония (94), возникающих при делении ядер урана — либо спонтанном, либо вынужденном (под действием нейтронов космических лучей и др.).

Два Р. э. — Th и U — образуют большое число различных минералов. Переработка природного сырья позволяет получать эти элементы в больших количествах. Р. э. — члены естественных радиоактивных рядов — могут быть выделены радиохимическими методами из отходов производства Th и U, а также из торий- или урансодержащих препаратов, хранившихся долгое время. Np, Pu и др. лёгкие трансурановые элементы получают в атомных реакторах за счёт ядерных реакций изотопа 238U с нейтронами. С помощью различных ядерных реакций получают и тяжёлые трансурановые элементы Tc и Pm образуются в атомных реакторах и могут быть выделены из продуктов деления.

2.Первый обнаруженный  радиоактивный элемент

Свойство  самопроизвольного испускания подобного  излучения получило название радиоактивности. Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоактивными, элементами, а испускаемое ими излучение  — радиоактивным излучением. Радиоактивные  свойства были впервые обнаружены в 1896 г. у урана французским физиком  Антуаном Анри Беккерелем (1852—1908).

Открытие  радиоактивности произошло вслед  за открытием рентгеновского излучения. Испускание рентгеновского излучения  впервые было замечено при бомбардировке  стеклянных стенок разрядной трубки катодными лучами. Наиболее эффектным  результатом такой бомбардировки  является интенсивное зеленое свечение стекла, люминесценция Это обстоятельство навело на мысль, что рентгеновское излучение есть продукт люминесценции и сопровождает всякую люминесценцию, например возбужденную светом.

Опытной проверкой этого предположения  занялся Беккерель. Он возбуждал  люминесцирующие вещества светом, а  затем подносил их к обернутой  в черную бумагу фотопластинке. Испускание проникающего излучения должно было бы обнаружиться по почернению фотопластинки  после проявления. Из всех испытанных Беккерелем люминесцирующих веществ  почернение пластинки сквозь черную бумагу вызывала лишь соль урана. Но при  этом оказалось, что образец, предварительно возбужденный сильным освещением, давал  такое же почернение, как и невозбужденный образец. Отсюда следовало, что испускаемое урановой солью излучение не связано с люминесценцией, а испускается независимо от внешних воздействий. Этот вывод подтвердился опытами с нелюминесцирующими соединениями урана — они все давали проникающие излучение.

3.Опыты М.Кюри и краткие  выводы о радиоактивности

После открытия радиоактивности урана Беккерелем польский и французский физик  Мария Склодовская-Кюри (1867—1934), которая  основные научные работы выполняла  в сотрудничестве со своим мужем  Пьером Кюри (1859—1906), исследовала большую  часть известных элементов и  многие их соединения с целью установить, не обладают ли какие-либо из них радиоактивными свойствами. В своих опытах М. Кюри использовала в качестве признака радиоактивности  способность радиоактивных веществ  ионизовать воздух. Этот признак гораздо более чувствителен, чем способность радиоактивных веществ действовать на фотопластинку.

Опыты М. Кюри привели к следующим результатам.

1.Радиоактивность  обнаруживают не только уран, но и все его химические  соединения. Кроме того, радиоактивные  свойства были обнаружены еще  у одного элемента — тория  и у всех его химических  соединений.

2.Радиоактивность  препарата с любым химическим  составом равна радиоактивности  чистых урана или тория, взятых в количестве, в котором они содержатся в этом препарате.

Последний результат означает, что свойства молекулы, в состав которой входит радиоактивный элемент, не влияют на радиоактивность. Таким образом, радиоактивность  представляет собой не молекулярное явление, а внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.

Помимо  чистых элементов и их соединений, Кюри исследовала также различные  природные минералы. Радиоактивность  минералов оказалась обусловленной  присутствием в них урана или  тория. При этом, однако, некоторые  минералы обнаружили неожиданно большую  радиоактивность. Так, урановая смоляная руда давала в четыре раза большую  ионизацию, чем содержащийся в ней  уран.

Повышенную  активность смоляной руды можно было объяснить только примесью неизвестного радиоактивного элемента в количестве настолько малом, что он ускользал  от химического анализа. Несмотря на малое содержание, этот элемент испускал больше радиоактивного излучения, чем  присутствующий в большом количестве уран. Следовательно, радиоактивность  этого элемента должна быть во много  раз сильнее радиоактивности  урана.

Исходя  из этих соображений, Пьер и Мария  Кюри предприняли химическое выделение  гипотетического элемента из урановой смоляной руды. Контролем успешности проводимых химических операций служила  радиоактивность на единицу массы  получаемого продукта, которая должна была расти по мере увеличения в  нем содержания нового элемента. После  нескольких лет напряженной работы действительно удалось получить несколько десятых долей грамма чистого элемента, радиоактивность  которого более чем в миллион  раз превосходила радиоактивность  урана. Элемент этот получил название радий (т. е. лучистый).

4.Открытие других радиоактивных  элементов

Дальнейшие  исследования Кюри и других ученых значительно расширили число  известных радиоактивных элементов.

Все элементы с порядковым номером, превышающим 83, оказались радиоактивными. Они  были найдены в виде небольших  примесей к урану, радию и торию.

Таким же образом были найдены радиоактивные  изотопы элементов таллия (Z=81), свинца (Z=82) и висмута (Z=83). Следует отметить, что радиоактивны только редкие изотопы  этих элементов, примешанные к урану, радию и торию. Обычные таллий, свинец и висмут нерадиоактивны.

Помимо  элементов, образующих конец периодической  системы Менделеева, радиоактивными оказались также элементы: самарий, калий, рубидий. Радиоактивность этих элементов слаба и обнаруживается с трудом.

Пользуясь электрическим методом, Г.Шмидт и  М.Кюри в 1898 обнаружили радиоактивность  элемента тория. В следующем году Дебьерн открыл радиоактивный элемент актиний. Начатый супругами П. и М.Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана. Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Проведя тщательное химическое разделение уранинита на составляющие компоненты, они открыли радий, по химическим свойствам сходный с барием, и полоний, который выделялся вместе с висмутом.

5.Радиоактивность горных  пород

В кристаллических горных породах радиоактивные элементы частично входят в состав акцессорных минералов, ортита, циркона, монацита, апатита, сфена и др., а также частично присутствуют в форме окислов, химически не связанных с определёнными минералами.

Содержание  радиоактивных элементов в осадочных  горных породах (U — 3,2×10^-4; Th — 1,1×10^-3) определяется их происхождением; максимальные концентрации в органогенных осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения, фосфатов и др. веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив, хемогенные осадки — гипс, каменная соль — отличаются низкой радиоактивностью).

В почвах отношение Th к U значительно выше, чем в коренных (массивных) породах, что связано с накоплением Th в неразрушаемых остатках пород и миграцией легкоподвижного U.

В молодых  глубоководных морских отложениях наблюдается значительное накопление иония (изотопа Th, члена радиоактивного ряда ), в десятки раз большее по сравнению с равновесным его содержанием в уране. Это обусловлено химическими особенностями иония, благоприятствующими выпадению его из воды с осадками, в отличие от U, удерживающегося в растворе.

Радиоактивность горных пород имеет важное значение как источник тепловой энергии Земли

Содержание радиоактивных элементов в основном в верхней (гранитной) оболочке Земли связано с химическими особенностями силикатов (изоморфным вхождением U и Th в их структуру). Выплавление силикатной земной коры из мантии по принципу зонного плавления неизбежно приводит к обогащению коры U, Th и щелочными элементами.

6.Альфа, гамма и бета излучение

В исследованиях  радиоактивности ведущая роль принадлежала Э.Резерфорду. Сосредоточив внимание на изучении этого явления, он установил  природу радиоактивных превращений  и сопутствующего им излучения.

Излучение радиоактивных веществ. Естественные радиоактивные элементы испускают  три вида излучений: альфа, бета и  гамма. В 1899 Резерфорд идентифицировал  альфа- и бета-излучение; спустя год П.Вийар открыл гамма-излучение.

Альфа-излучение. В воздухе при атмосферном  давлении альфа-излучение преодолевает лишь небольшое расстояние, как правило, от 2,5 до 7,5 см. В условиях вакуума  электрическое и магнитное поля заметно отклоняют его от первоначальной траектории. Направление и величина отклонений указывают на то, что  альфа-излучение - это поток положительно заряженных частиц, для которых отношение  заряда к массе (e/m) в точности соответствует дважды ионизированному атому гелия (He++). Эти данные и результаты спектроскопического исследования собранных альфа-частиц позволили Резерфорду сделать вывод о том, что они являются ядрами атома гелия.

Бета-излучение. Это излучение обладает большей  проникающей способностью, чем альфа-излучение. Как и альфа-излучение, оно отклоняется  в магнитном и электрическом  полях, но в противоположную сторону  и на большее расстояние. Это указывает  на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

Гамма-излучение. Гамма-излучение проникает в вещество гораздо глубже, чем альфа- и бета-излучения. Оно не отклоняется в магнитном поле и, следовательно, не имеет электрического заряда. Гамма-лучи были идентифицированы как жесткое (т.е. имеющее очень высокую энергию) электромагнитное излучение.

7.Изомеры

Особый  интерес представляет вариант распада, когда радиоактивное ядро имеет  большое время жизни возбужденного  состояния. В этом случае у находящихся  в разных энергетических состояниях одинаковых ядер (с одинаковыми значениями Z и A) наблюдаются однотипные радиоактивные  распады, но происходят они с разными  скоростями, поскольку одни ядра распадаются  из возбужденного, а другие из основного  состояния . Это явление получило название ядерной изомерии, а возбужденное и нормальное ядра называются изомерами.

Семейство урана. На элементах семейства урана  можно проследить большинство свойств  радиоактивных превращений. Так, например, у третьего члена семейства наблюдается  ядерная изомерия. Уран X2, испуская бета-частицы, превращается в уран II (T = 1,14 мин). Бета-распад урана Z, также  приводящий к образованию урана II, происходит за 6,7 ч.