Особенности радиохимии
Основные особенности радиохимии, отличающие ее от других разделов химии, вытекают из общего свойства всех объектов ее изучения- радиоактивности
Это свойство делает неприменимым одно из фундаментальных положений классической химии - неизменяемость природы химического элемента.
Наиболее важные аспекты явления радиоактивности, обусловливающие особенности радиохимии:
1) ограниченность времени существования подавляющего большинства радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов;
2) принципиально иная природа процессов, происходящих в радиоактивных нуклидах, и обусловленные этим огромные масштабы энергетических изменений;
3) изменение химической природы элемента в результате радиоактивных превращений.
Ограниченность времени существования объектов радиохимии влечет за собой необходимость проводить исследования с исключительно малыми количествами и концентрациями радиоактивных веществ.
Необходимость работы с малыми концентрациями диктуется не только невозможностью получения ряда некоторых радиоактивных элементов в сколько-нибудь значительных количествах, но и чрезвычайно большими энергетическими эффектами, сопутствующими радиоактивным превращениям. Эти эффекты на 6—8 порядков превышают соответствующие изменения при обычных химических реакциях. Большие энергетические изменения являются причиной возникновения частиц (атомов, атомных и молекулярных ионов) и излучений большой энергии. Так, в результате захвата медленных нейтронов и α-распада образуются атомы с кинетической энергией 103—105 эВ, что соответствует температурам 106—108 К. Один акт деления ядра 235U сопровождается выделением энергии порядка 2∙108 эВ. В результате образуются области с высокой локальной энергией и протекают процессы, которые в классической химии не реализуются.
При малых концентрациях атомов радиоактивных элементов число областей с высокой локальной энергией невелико, и процессы радиоактивного распада не оказывают влияния на поведение изучаемого элемента и системы в целом, которое определяется исключительно индивидуальными химическими свойствами элемента и свойствами исходной системы.
По мере увеличения концентрации радиоактивных нуклидов все большее число атомов оказывается в области высокой энергии (треки излучений радиоактивных атомов). Эти атомы могут изменять химическое состояние в результате радиационно-химических превращений. Начиная с некоторой критической концентрации радиоактивного элемента, такие превращения становятся настолько значительными, что вызывают вполне ощутимые изменения состояния и поведения элемента и системы в целом. Критическая концентрация радиоактивного нуклида зависит от вида и энергии его излучения. В таких системах происходят своеобразные физические и химические явления; иногда они наблюдаются визуально. К физическим явлениям относятся: свечение и саморазогревание радиоактивных веществ и их растворов, газовыделение и повышение давления, саморазбрызгивание осадков и растворов, эрозия и разрушение стенок сосудов и приборов и т. д. Химические изменения, происходящие под действием излучения, включают изменение степени окисления, химической формы, дисперсности и других характеристик исследуемого радиоактивного элемента, а также и других компонентов системы.
Радиационно-химические процессы часто делают невозможным получение правильной информации о свойствах и поведении радиоактивных элементов*.
Необходимость проведения исследований с ничтожно малыми количествами вещества влечет, в свою очередь, за собой целый ряд следствий и прежде всего подверженность радиоактивных элементов сильнейшему влиянию процессов, которые при работе с весомыми количествами веществ не играют сколько-нибудь заметной роли (адсорбция, коллоидообразование).
При очень малых количествах изучаемых веществ (иногда десятки и даже единицы атомов) адсорбционные емкости поверхностей приборов, посуды и частиц случайных загрязнений часто превышают массы исследуемых элементов. С другой стороны, необходимость проводить исследования с ничтожно малыми количествами радиоактивных элементов исключает возможность выделения их соединений в виде самостоятельных твердых фаз.Это приводит к необходимости применения специальных веществ — носителей, которые используются как при разделении и выделении радиоактивных элементов, так и при работах, связанных с получением и изучением свойств соединений этих элементов.
Первоначально возникли сомнения в применимости обычных физико-химических законов к «бесконечно разбавленным» растворам. Сомнения эти возникли потому, что почти с самого начала работы с радиоактивными изотопами резко проявились некоторые особенности их поведения, связанные с ничтожно малыми концентрациями.
Основные особенности поведения ничтожно малых концентраций радиоактивных изотопов приписывались их специфическим свойствам; однако дальнейшие исследования показали, что они присущи поведению любых веществ при ничтожно малых концентрациях, но не могли быть ранее обнаружены из-за отсутствия достаточно чувствительных методов. Так, например, при изучении поведения весомых концентраций вещества адсорбционные явления не обнаруживались, потому что, во-первых, для прямого их определения не было достаточно чувствительных методов, во-вторых, столь незначительные потери не могли быть замечены при определении всей массы вещества.
Действительно, сохранение индивидуальных химических свойств элемента при любых ничтожно малых концентрациях является основным положением радиохимии.
Далее, важным аспектом радиоактивности является изменение химической природы распадающихся атомов. Отсюда, прежде всего следует, что в отличие от объектов классической химии химическая чистота радиоактивного элемента (нуклида), достигнутая в момент его получения, не остается постоянной. Элементный и изотопный состав систем, содержащих радиоактивные вещества, является функцией времени».
Физико-химические процессы, происходящие в системах, включающих радиоактивные элементы, несравнимо более сложны, чем в случае стабильных элементов. Их усложнение связано с вовлечением не только атомов первоначально присутствующих радиоактивных элементов, но и их дочерних продуктов. Это особенно характерно для цепочек последовательных радиоактивных превращений.
Усложнение физико-химических процессов в рассматриваемых системах связано также с тем, что они протекают на фоне изменений, происходящих с непрерывно образующимися атомными и молекулярными ионами атомов дочерних элементов. Возникновение таких ионов является результатом изменения заряда ядра дочернего атома, а также последующих вторичных процессов, развивающихся в электронных оболочках дочерних атомов.
Возможность проведения радиохимических исследований с чрезвычайно малыми количествами вещества определяется очень высокой чувствительностью методов детектирования радиоактивных нуклидов. Так, если считать, что число детектируемых распадов в одну минуту равно 100, то предел обнаружения радиоактивного изотопа с периодом полураспада один месяц составит ~10~17 моль, а с периодом полураспада 1 мин .~10~22 моль. Предел обнаружения наиболее тяжелых элементов составляет десятки и единицы атомов.
Дата добавления: 2021-10-28; просмотров: 305;