Лекци-4.1

Дисциплина “Основы ядерной физики,
радиохимии и дозиметрии”
4. Химические явления,
сопровождающие ядерные превращения
(химия горячих атомов).
Лекция 1.
Атомы отдачи.
Н.Д. Бетенеков
зав. каф. радиохимии ГОУ ВПО
УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург
Содержание лекции
ОБРАЗОВАНИЕ
РАДИОАКТИВНЫХ
ИЗОТОПОВ И РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ
ОТДАЧИ. ОБРАЗОВАНИЕ АТОМОВ
ОТДАЧИ. ЗАРЯД АТОМОВ ОТДАЧИ.
ЭНЕРГИЯ ОТДАЧИ ДЛЯ РАЗНЫХ
ТИПОВ ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ.
МЕТОД РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ
СЦИЛЛАРДА-ЧАЛМЕРСА.
4.1. Явление отдачи.
Радиоактивные изотопы образуются при радиоактивном распаде,
в результате ядерных реакций, и при делении ядер, т. е. в результате
ядерных превращений. В случае ядерных реакций процесс получения
атомов радиоактивного изотопа идет через образование так
называемого промежуточного (составного) ядра. Исключение
составляют реакции, протекающие с быстрыми частицами, энергия
которых во много раз превышает энергию связи нуклонов в ядре
атома (более 30—50 МэВ).
• Распад атомов материнского радиоактивного изотопа с превращением
их в атомы дочернего радиоактивного изотопа, распад
промежуточного ядра, получающегося при ядерных реакциях, и
деление ядер протекают с испусканием частиц (нейтронов, протонов,
 льфа-частиц, электронов, осколков деления) или квантов (гаммаквантов, лучей Рентгена).
• В результате испускания частицы или кванта ядро получает энергию
отдачи, которая может быть рассчитана, исходя из закона равенства
импульсов испускаемой частицы или фотона р и атома отдачи Р:
•
2.1. Явление отдачи (продолжение).
•
Импульс атома отдачи равен:
•
•
где М — масса атома отдачи; V — его скорость.
Кинетическая энергия атома отдачи Е равна:
•
Исходя из этого, получим значение энергии отдачи
•
Рассмотрим четыре случая: испускание «тяжелых» частиц, ( льфачастиц, протонов, нейтронов и т. п.), квантов, электронов бета-распада.
2.1.1. Испускание «тяжелых» частиц.
•
Импульс частицы равен:
•
•
где m и v — масса и скорость частицы.
кинетическая энергия атома отдачи в этом случае равна:
•
•
где е — кинетическая энергия испускаемой частицы.
Подставляя е в МзВ, а М и m в атомных единицах массы, получаем значение
энергии отдачи в МэВ.
Пример. При радиоактивном распаде радон испускает  льфа-частицу с
энергией 5,482 МзВ. Образующийся при этом атом отдачи RaA будет иметь
энергию отдачи « 0,1 МэВ
•
•
2.1.2. Испускание квантов.
• Импульс кванта (фотона) определяется из уравнения
• где — энергия фотона; с— скорость света.
• кинетическая энергия атома отдачи после испускания фотона равна:
• Если в это выражение подставить энергию кванта в мэв, а массу атома
отдачи — в атомных единицах массы, то получим энергию отдачи в
МэВ:
Эмиссия гамма-квантов при распаде промежуточных ядер,
получающихся при ядерных реакциях. Зависимость энергии отдачи от
массы атомов отдачи и энергии испускаемых гамма-квантов.
2.1.3. Испускание моноэнергетических
электронов.
• Моноэнергетические электроны испускаются при изомерном переходе
возбужденных и метастабильных ядер путем внутренней конверсии.
Импульс электрона определяется из уравнения
• кинетическая энергия атома отдачи равна:
• Введя значение скорости света, массы электрона и взяв массу в
атомных единицах, получим выражение для энергии отдачи в МэВ:
Зависимость энергии отдачи от массы атомов
отдачи и энергии электронов конверсии
2.1.4. Испускание электронов (позитронов)
бета-распада.
• При бета-распаде одновременно с электроном испускается нейтрино.
Суммарный импульс определяется уравнением
• энергия атома отдачи после бета-распада
• или, взяв значения массы в атомных единицах массы и энергию в
МэВ, получим:
•
Энергия отдачи для разных типов ядерных
превращений.
Энергия отдачи (эВ) для
Мя (а.е.м.)
Е γ = 2 Mev
Е α = 5 Mev
Е ē = 1 Mev
Еβmax= 1,5
Mev
Eν = 0,5 Mev
Θ=0
20
107
106
53,8
87,63
50
43
0,4.106
21,5
35,04
100
21
0,2.106
10,7
17,52
200
11
105
5,4
8,16
Важность знания химии горячих атомов
обусловлена:
• Возможностью разделения изотопов и изомеров,
получаемых с использованием ядерных реакций
• Возможностью выделения радионуклидов из
облучаемой мишени без носителя
• Возможностью осуществления реакций
микросинтеза меченых радионуклидами
химических соединений
• Возможностью установления форм состояния
радионуклидов (или их продуктов распада) в
твердой фазе
Опыт Сцилларда-Чалмерса
• Облучают C2H4 127J нейтронами, при этом
• протекает ядерная реакция
• 127J (n,γ) 128J (T1/2 =25 мин)
• Получающийся 128J за счет отдачи рвет связь
в молекуле и находится в молекулярном
состоянии
• При отмывке водой с восстановителем
• Na2SO3+ J2+ H2O= Na2SO4+2J- +2H+ • весь йод-128 переходит в водную фазу, т.е.
достигли разделения изотопов йода
Основные характеристики процесса
разделения изотопов
• Коэффициент обогащения
• K = Am(J-138)/ Am(J-137) >>106
• Выход - h
• Удержание – Y
h + Y= 1
Выводы
• Энергия отдачи охватывает широкий диапазон от
долей эВ до миллионов эВ, во многих случаях
значительно превышая энергию связи атомов в
молекулах (1-5 эВ)
• Условная температура атомов отдачи
• T=1,16. 104Eкин, К/эВ
• в момент их образования лежит в диапазоне от
десятков до десятков миллиардов градусов К –
ядра находятся в перегретом состоянии (энергия
теплового движения одноатомного газа – 0,025
эВ) - поэтому их химическое поведение и
называется химией горячих атомов.
Рекомендуемая литература.
•
•
•
•
•
•
•
Радиоактивные индикаторы в химии. Основы
метода: Учеб. пособие для ун-тов/В.Б.Лукьянов,
С.С.Бердоносов, И.О.Богатырев и др.; Под ред.
В.Б.Лукьянова. М.:Высш.шк., 1985.
Келлер К. Радиохимия. М.: Атомиздат, 1978.
Несмеянов А.Н. Радиохимия. М.: Химия, 1979.
559с.
Чоппин Г., Ридберг Я. Ядерная химия. Основы
теории и применения. М.:Энергоатомиздат,
1984.
Мурин А.Н. Физические основы радиохимии. М.:
Высшая школа, 1971.
Фридлендер Г., Кеннеди Дж., Миллер Дж.
Ядерная химия и радиохимия. М.: Мир, 1967.
Нефедов В.Д., Текстер Е.Н., Торопова М.А.
Радиохимия. Учебное пособие.- М.: Высш. шк.,