Радиохимия. Лекция 1. Введение в радиохимию. История развития

1. Радиохимия

Лекция 1.
Введение в радиохимию. История
развития.

2. Определение

Радиохимия - раздел химии, имеющий дело с
радиоактивными
веществами.
Включает
получение радионуклидов и их соединений
путем обработки облученных материалов или
природных радиоактивных веществ, применение
химических методов к ядерным исследованиям
и
применение
радиоактивности
к
исследованиям химических, биохимических
или биомедицинских проблем.
(«Номенклатурные правила ИЮПАК по химии»,
2001)

3. Радиохимия и ядерная химия

Ядерная
химия
изучает
химические
процессы, протекающие под действием
ядерных излучений (радиационная химия),
а
также
химические
последствия
радиоактивного
распада
и
ядерных
реакций.

4. Основные разделы радиохимии

• Общая радиохимия
• Химия радиоактивных элементов
• Прикладная радиохимия

5. Общая радиохимия изучает

• физико-химические закономерности поведения
радиоактивных изотопов и элементов;
• химические свойства изотопных частиц;
• термодинамическое и кинетическое поведение
изотопных частиц, критерии идентичности
поведения изотопов;
• процессы изотопного обмена;
• состояние радиоактивных элементов в растворах.
• поведение вещества в состоянии крайнего
разведения,
процессы
соосаждения,
сокристаллизации.

6. Химия радиоактивных элементов

• Химия технеция, прометия, астата, урана,
тория и продуктов их распада: полония,
радона, франция, радия, актиния и
протактиния, трансурановых элементов,
а также мезоатомов и водородоподобных
атомов - мюония, позитрония.

7. Прикладная радиохимия изучает

• применение радиоактивных изотопов в
науке и промышленности;
• химию ядерного топливного
цикла:
технологию производства и переработки
ядерных материалов;
• экологические последствия эксплуатации
радиационно опасных объектов.

8. Отличия химии и радиохимии

Химия
Радиохимия
•Свойства отдельных радиоактивных
•Свойства всех
нуклидов
элементов
•Элементный и изотопный состав систем,
•Неизменяемость
природы химического содержащих радиоактивные вещества,
является функцией времени
элемента в ходе
•Энергетические эффекты на 6 - 8 порядков
исследования.
превышают эффекты в хим. реакциях
•Ошибка рассчитанных
•Ультрамалые концентрации
параметров связана с
ошибкой эксперимента, •Высокая чувствительность радиометрических методик
подчиняется
•Ошибка измерения описывается
симметричному
асимметричным распределением Пуассона
распределению Гаусса
•Радионуклиды не образуют собственные
фазы, а существуют в виде включений,

9. Основные положения радиохимии

• Изучает состояние и законы поведения
ультрамалых количеств вещества.
• Сохранение индивидуальных химических
свойств элемента при любых ничтожно
малых концентрациях.

10. Основные понятия радиохимии

• Нуклоны - протоны и нейтроны.
• Нуклид - атом, характеризующийся определенным
количеством протонов и нейтронов в ядре.
• Радионуклиды - нестабильные атомы.
• Изобары - нуклиды с одинаковым числом
нуклонов.
• Изотопы - нуклиды с одинаковым числом
протонов.
• Изотоны - нуклиды с одинаковым числом
нейтронов
• Изомеры - изотопные атомы с данным массовым
числом, но в разных энергетических состояниях.
• Радиоактивный элемент - элемент, все изотопы
которого радиоактивны.

11. Исследования катодных лучей до Рентгена

• 1876 - 1880 гг. Эуген Гольдштейн наблюдал свечение некоторых
солей под действием катодных лучей.
• 1890 – Томсон заметил, что стекло, помещенное более чем в
метре от трубки, фосфоресцирует.
• 1884 - директор Бакинского реального училища Евгений
Каменский описал фотохимическое действие лучей.
• Секретарь Бакинского фотографического кружка Мишон
производил опыты в области фотографии, аналогичные
рентгеновским, но опубликовал сообщение только в 1896 г. в
журнале "Природа и люди" N28.
• 1886 г русский профессор Иван Павлович Пулюй заметил, что
эти лучи проникают через непрозрачные предметы и засвечивают
фотопластинки. В 1890 году им были получены фотографии
скелета лягушки и детской руки и даже опубликованы в
европейских журналах.

12. Открытие Рентгена (1845-1923) (Нобелевская премия по физике 1901 г.)

• 8 ноября 1895 г. – Х-лучи,
университет Вюрцбурга.
• Источник лучей – электроны,
испускаемые
отрицательным
электродом
(катодом)
электронно-вакуумной
лампы,
которые ударяют в другую часть
лампы во время высоковольтного
разряда.
• Наблюдение – свечение
кристаллов цианоплатината
бария, люминесценция экрана
• Статья «Новый вид излучения» -

13.

Катодная трубк
(Тетрацианоплатоат бария)
Ва[Pt(CN)4]

14.

Снимок руки Альберта
фон Кёлликера,
сделанный Рентгеном 23
января 1896 года.

15. Гипотеза А. Беккереля (1852-1908)

Люминесценция, и рентгеновские
лучи образуются посредством
одного и того же механизма и
следовательно могут сопровождать
друг друга.
Для доказательства он исследовал
флуоресценцию сульфата уранилкалия K2UO2(SO4)2 под действием
солнечного света.

16. Неожиданный результат - 1 марта 1896г

Беккерель обнаружил что
пластинка была
засвечена и без
облучения солнечным
светом.
Следовательно, это новый
вид проникающей
радиации, испускаемой
без внешнего облучения
источника – лучи
Беккереля

17. Открытие радиоактивности

18. Продолжение исследований

• Май 1896 г.: излучение чистого урана в 3-4
раза превышает излучение его солей.
• В 1900 г. Беккерель пришел к выводу, что это
излучение частично состоит из электронов,
поскольку отклоняется магнитным полем.
• Беккерель получил Нобелевскую премию по
физике 1903 г.

19. В работу включаются супруги Кюри

Пьер Кюри (1859-1906)
Мария Склодовская–Кюри
(1867-1936)

20. Пьер Кюри

• Родился 1859г. в Париже.
• Отец - врач в лаборатории Музея
естественной истории;
• В 1975 г. сдает экзамен на
аттестат зрелости;
• В 1877 г. получает диплом
лиценциата;
• Возглавляет практические
научные работы студентов в
Парижской школе физики и
химии.

21. Научная деятельность П. Кюри

• 1880 изложение "принципа симметрии"
(принцип Кюри);
• В 1880 Пьер и Жак Кюри открыли
пьезоэлектричество и изобрели прибор кварцевый пьезометр;
• В 1895 г. установил зависимость: χ=С/Т
закон Кюри;
• Определил, температуру Кюри p для
ферромагнетиков.

22. Мария Склодовская

• Родилась в Варшаве в 1867 году;
• Отец - Владислав Склодовский
учитель физики;
• В четыре года Мария научилась
бегло читать;
• В 1882 г. она закончила гимназию
с золотой медалью;

23. Мария Склодовская-Кюри.

• В 1884 г. с целью заработать деньги на
университетское образование отправилась в
деревню домашней учительницей в семью
богатого землевладельца.
• В 1891 г. в возрасте 24 лет поступила учиться в
Парижский университет - Сорбонну.
• 1894 г. - знакомство с Пьером Кюри.

24. Бракосочетание

26 июля 1894 г. состоялось бракосочетание Пьера и
Марии

25. Исследования супругов Кюри

• В апреле 1898 г.
Мария
Кюри
(независимо Г.К.
Шмидт
в
Германии)
открыла
радиоактивность
тяжёлого металла
– тория.

26. Качественный анализ смоляной обманки (урановой смолки)

• Обработка раствора аммиаком: белый осадок
((BiO)2SO4 и Вi(OH)3) сильно радиоактивен, значит
висмут содержит примесь нового элемента.
• Осадок перевели в темно-коричневый Bi2S3, нагрели
в ампуле, сульфид висмута – без изменений, но
какие-то пары осели в виде черной пленки на
холодной части ампулы.
• Пленка была сильно радиоактивной (превышала
урановую в 400 раз) и, очевидно, содержала новый
химический элемент — сосед висмута в
периодической таблице. Это и был полоний Po (
от лат. Polonia - Польша).

27. Качественный анализ смоляной обманки (урановой смолки)

• Растворение в азотной кислоте, осаждение
сероводородом (Фрезениус, 1841): черный осадок
сульфидов радиоактивен, хотя уран и торий
остались в растворе.
• Отделение мышьяка и сурьмы избытком
сульфида аммония: раствор ((NH4)3AsS4 и
(NH4)3SbS3) не радиоактивен.
• Растворение осадка в азотной кислоте,
действие избытком серной и упаривания для
получения сульфатов. Осадок PbSO4 – не
радиоактивен.

28. Качественный анализ смоляной обманки (урановой смолки)

• Выделен (0,1 мг) в 1910 году в результате
переработки многих тонн урановой руды: на 1 тонну
чистого урана в его рудах приходится примерно 0,34
г радия и около 0,01 мг 210Ро.
• 1898 г. супруги Кюри обнаружили в бариевой
фракции еще один элемент. Они предложили
назвать его радием Ra ( от лат. radius- луч).

29. Исследования супругов Кюри

• C 1898 по 1902 гг. извлечение
радия из урановой смолки и
хальколита.
• Конец 1902 года: 1 г радия из 8
тонн уранинита
• Пьер и Мари Кюри вместе с
Беккерелем
получили
Нобелевскую премию по физике
1903 г. за исследование явления
радиоактивности.

30. Радиохимические исследования Кюри

• В осадке гидрооксида висмута обнаружен
ранее
неизвестный
элемент,
названный
в
честь
родины
Марии
Кюри полонием.
• Разработан новый радиохимический метод
носителей: соосаждение микроколичеств
элементов с весовым количеством носителей.
• В
поисках
радиоактивных
элементов,
содержащихся
в
урановой
руде,
зародились
первые
методы
радиохимии,
зародился
новый
раздел
химии – радиохимия (термин введен
А.Камероном в 1910 г.)

31. Лаборатория Кюри

32. Радиоактивность

• Понятие радиоактивность введено Марией
Кюри.
• Радиоактивность (от лат. radio – испускаю
лучи и activus – действенный) самопроизвольное превращение
неустойчивых атомных ядер в ядра других
элементов, сопровождающееся
испусканием ядерных излучений.

33.

Образец бромида радия,
светящийся из-за высокой
радиоактивности
• В 1902 г. П. Кюри впервые показал, что
радиоактивный распад может служить "эталоном"
времени;
• В 1903 г. П. Кюри вместе с Л. Лабордом открыли
непрерывное тепловое лучеиспускание: 1г Ra
выделял 136 кал в час,
т.е. за 20 000 лет – столько
тепла, сколько 500 кг угля
• С 1899 по 1904 г. Супруги
Кюри публикуют
32 научных сообщения.

34. Научные публикации

• "О химическом действии лучей радия" ( 1899),
• "Новые
радиоактивные
вещества
и
их
лучеиспускание" (1900),
• "Физиологическое действие лучей радия" (1901),
• "Об атомном весе радия" (1902),
• "Об абсолютном измерении времени" (1902),
• "Об индуцированной радиоактивности и эманации
радия" (1903),
• "О теплоте, самопроизвольно выделяемой солями
радия" (1903),
• "Физиологическое действие эманации радия"
(1904).

35. Исследования супругов Кюри

• 25 июня 1903 г. Мария защитила
докторскую
диссертацию
на
тему
"Исследование радиоактивных веществ";
• В 1903 г. доклад о радиоактивности в
Лондонском королевском обществе;
• 10 декабря 1903 г супруги Кюри и
Беккерель получили Нобелевскую премию
по физике;
• В 1904 г. П. Кюри получил кафедру физики.

36. Супруги Кюри

• 6 июня 1905 г. Пьер и Мария приехали в
Стокгольм, и Пьер выступил на заседании
Академии наук;
• В четверг 19 апреля 1906 г. Пьер погиб
под колёсами тяжелой конной повозки;
• 13 мая 1906 г. Совет факультета
естествознания решает сохранить кафедру
П. Кюри и передать ее М. Кюри, присвоив
ей звание профессора;

37. Исследования Марии Кюри

• В 1910 г. М. СклодовскойКюри предложили орден
Почетного легиона, от
которого она отказалась.
• В декабре 1911 г. Шведская
Академия наук присуждает
Марии Кюри Нобелевскую
премию по химии.

38. Дальнейшая работа Марии Кюри

Дальнейшая работа Марии Кюри
• Во время Первой мировой войны М. Кюри
создает 20 передвижных "радиологических
автомобилей" ("кюрички") и 200 стационарных
рентгеновских кабинетов;
• В мае 1920 г. в Институте радия в Париже
появилась редактор крупного нью-йоркского
журнала Мелони, чтобы взять интервью у
Марии Кюри.
• В конце 1920 М. Кюри вместе с дочерьми
приглашена в Америку, где президент США
дарит мадам Кюри 1 г радия.

39. Организация Института радия

• В 1925 г. Мария приезжает в Варшаву на
закладку института;
• Покупка 1 г радия в качестве подарка Америки
Институту радия в Варшаве;
• В 1932 г. она приезжает в Варшаву на
открытие Института радия;
• С 1919 по 1935 г. в Институте радия в Париже
прошли лечение 8319 больных раком;
• В 1922 г. избрана членом Медицинской
академии Франции;

40. Мария Склодовская Кюри

• Мария Кюри скончалась 4 июля 1934 г. Она
стала жертвой длительного общения с
радиоактивными веществами, которые она
открыла вместе с мужем.

41. Исследование радиоактивности Э.Резерфордом

Резерфорд пропустил
сильный пучок лучей
радия между полюсами
мощного магнита.
В 1903 г. В. Рамзай и Ф.
Содди доказали, что лучи - ионизированный
гелий.

42. Первый этап развития радиохимии: 1898-1913 гг.

• Исследования Кюри
• Обнаружение изотопов радона (Э. Резерфорд, 1899 торон, т.е. радон-220; Дорн, 1900 - основной изотоп
радона, радон-222; А. Дебьерн, 1904 - актинон, т.е.
радон-219).
• Исследования состава радиоактивных лучей -альфаи бета-лучи (Э. Резерфорд, М. и П. Кюри, П. Виллар
(1898-1900).
• Открытие гамма-лучей (П.Вийяр, 1900).
• Открыто свыше 40 радиоактивных изотопов (5
элементов: Ra, Po, Rn, Ac, Pa);
• Установление правила сдвига Содди-Фаянса.
• Установление
закономерности
изменения
химической природы элементов в результате

43. Второй этап развития радиохимии: 1913-1934 гг.

• 1913 г. - К. Фаянса и Ф. Панета - изучение
закономерностей поведения ничтожно малых
количеств радиоактивных элементов в процессах
соосаждения: правила соосаждения адсорбции
Фаянса-Панета. и О. Хана.
• 1924 г. - закон сокристаллизации В.Г. Хлопина
• 1933 г. - А.П. Ратнер - термодинамическая теория
изоморфной сокристаллизации и адсорбции
радиоактивных нуклидов.
• Метод радиоактивных индикаторов (Г. Хевеши и
Ф. Панет)
• Первые работы по электрохимии радиоактивных
элементов.

44. Третий этап развития радиохимии с 1933 г

• 1932 г. - Дж. Чедвиг - открытие нейтрона;
• 1934 г. - И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри – открытие
искусственной радиоактивности;
• 1934 г. - Л. Сциллард и Т. Чалмерс - химические эффекты
при процессах захвата атомными ядрами медленных
нейтронов.
• 1939 г. - О. Хан, Ф.Штрассман и Л. Майтнер - открытие
процесса деления ядер урана.
• Г. Сиборг, А. Гиорсо, Г.Н. Флеров: проведена
идентификация синтезированных элементов.
• Создание новых направлений в радиохимии (химия
«горячих» атомов).
• Создание ядерной химии.
• Возникновение ядерной индустрии, включающей ядерное
материаловедение, производство компонентов ядерного
оружия и топлива для АЭС.

45. Исследование радиоактивного излучения

В 1899 г. Резерфорд (18711937) в Канаде обнаружил
неоднород-ность
радиоактивного излучения
урана. Легко поглощающую
часть он назвал -лучами,
менее поглощаемую - βлучами.
Спустя год П. Виллард
открыл гамма-излучение.