Радиоактивные металлы: применение, добыча, месторождения, характеристики, свойства, история открытия

Какие элементы относятся к радиоактивным?

Группа радиоактивных элементов в периодической таблице начинается со свинца и заканчивается последней ячейкой. Излучение происходит за счет определенного периода полураспада — превращения металлического ядра в дочернюю. Радиоактивные элементы:

  • уран;
  • плутоний;
  • радио;
  • берклий;
  • торий;
  • нептуний;
  • франсио;
  • эйнштейний;
  • технический.

Среди них цветные и черные радиоактивные металлы.

Есть три типа радиоактивного излучения: альфа, бета, гамма. Они различаются длиной волны, проникающей способностью. Если альфа-излучение может сдерживаться толстой бумагой или картоном, гамма-излучение остановит только слой свинца.

Фото 965

Химический элемент нептуний (Фото: Instagram / amurasoap)

Что такое радиация

Всем известно, что радиация очень опасна и от радиации лучше держаться подальше. С этим сложно спорить, хотя на самом деле мы постоянно подвергаемся воздействию радиации, где бы мы ни находились. В земле обнаружено довольно большое количество радиоактивных минералов, а заряженные частицы постоянно летают на Землю из космоса.

Короче говоря, излучение — это спонтанное излучение элементарных частиц. Протоны и нейтроны отделяются от атомов радиоактивного вещества, «улетая» во внешнюю среду. При этом ядро ​​атома постепенно изменяется, превращаясь в другой химический элемент. Когда все нестабильные частицы отделены от ядра, атом перестает быть радиоактивным. Например, торий-232 в конце своего радиоактивного распада превращается в стабильный свинец.

Наука выделяет 3 основных типа радиоактивного излучения

Альфа (α) излучение — поток положительно заряженных альфа-частиц. Они относительно большие по размеру и даже не проходят сквозь одежду или бумагу.

Бета (β) излучение — поток отрицательно заряженных бета-частиц. Они довольно маленькие, легко проходят сквозь одежду и проникают в клетки кожи, что очень вредно для здоровья. Но бета-частицы не проходят через плотные материалы, такие как алюминий.

Гамма (γ) излучение — это высокочастотное электромагнитное излучение. Гамма-лучи не имеют заряда, но содержат много энергии. Скопление гамма-частиц излучает яркое свечение. Гамма-частицы также проходят через плотные материалы, что делает их очень опасными для живых существ. Их останавливают только самые плотные материалы, например, свинец.

Все эти типы излучения так или иначе присутствуют в любой точке планеты. В малых дозах они не опасны, но в высоких концентрациях могут нанести очень серьезный ущерб.

Гамма-распад

При гамма-распаде ядро ​​испускает пучок фотонов с разной энергией. Эти лучи называются гамма-лучами. При этом радиоактивный элемент не изменяется. Он просто теряет энергию.

искусственный радиоактивный элемент

Сама нестабильность того или иного радиоактивного элемента вовсе не означает, что при наличии определенного количества изотопов наша материя внезапно исчезнет, ​​высвободив колоссальную энергию. На самом деле распад зерна напоминает приготовление попкорна — хаотичное движение кукурузных зерен на сковороде, и совершенно неизвестно, какое из них откроется первым. Закон реакции радиоактивного распада может гарантировать только то, что за определенный период времени из ядра вылетит количество частиц, пропорциональное количеству нуклонов, оставшихся в ядре. На языке математики этот процесс можно описать следующей формулой:

dN = λNdt.

Здесь мы видим пропорциональную зависимость числа нуклонов dN, покидающих ядро ​​за период dt, от числа всех нуклонов, присутствующих в ядре N. Коэффициент представляет собой константу радиоактивности распадающегося вещества.

Число нуклонов, оставшихся в ядре в момент времени t, описывается формулой:

N = N0e — λt,

где N0 — количество нуклонов в ядре в начале наблюдения.

Например, радиоактивный элемент галоген с атомным номером 85 был открыт только в 1940 году. Его период полураспада довольно большой — 7,2 часа. Содержание радиоактивного галогена (астата) на всей планете не превышает одного грамма чистого вещества. Так что за 3,1 часа его количество в природе теоретически должно сократиться вдвое. Но непрерывные процессы распада урана и тория приводят к появлению новых и новых атомов астата, хотя и в очень малых дозах. Поэтому его количество в природе остается стабильным.

галоген радиоактивный элемент

История открытия

Открытием излучения человечество обязано прусскому физику Вильгельму Рентгену. В 1895 году он смог увидеть радиоактивное излучение. Благодаря работе этого ученого был разработан рентгеновский аппарат.

Изучение радиоактивности было продолжено Анри Беккерелем в 1896 году. Этот ученый проводил эксперименты с солями урана. Переломный момент в этом секторе наступил через 2 года. Пьер Кюри получил первый чистый радиоактивный материал: радий. После открытия этого элемента ученый не смог продолжить его изучение, так как умер от радиации.

Следующий прорыв в этой области произошел в 1934 году. В этом году ученым удалось синтезировать искусственный радиоактивный изотоп. Сейчас это направление — одно из самых актуальных. Его изучением занимается огромное количество ученых и крупных научных организаций.

Альфа-распад

Радиоактивный химический элемент может быть преобразован по первой схеме распада. В этом случае из ядра вылетает альфа-частица, энергия которой достигает 6 миллионов эВ. При детальном изучении результатов реакции выяснилось, что эта частица является атомом гелия. Он забирает два протона от ядра, поэтому полученный радиоактивный элемент будет иметь атомный номер на две позиции ниже в периодической таблице, чем у исходного вещества.

радиоактивный химический элемент

Бета-распад

Реакция бета-распада сопровождается испусканием электрона из ядра. Появление этой частицы в атоме связано с распадом нейрона на электрон, протон и нейтрино. Когда электрон покидает ядро, радиоактивный химический элемент увеличивает свой атомный номер на одну единицу и становится тяжелее своего родителя.

искусственно созданный радиоактивный элемент

Добыча и синтез



Даже встречающиеся в природе радиоактивные металлы не встречаются в природе в чистом виде. Их синтезируют из урановой руды. Процесс получения чистого металла чрезвычайно трудоемок. Он состоит из нескольких этапов:

  • концентрирование (измельчение и разделение осадков с ураном в воде);
  • выщелачивание — то есть перевод осадка урана в раствор;
  • отделение чистого урана от полученного раствора;
  • перевод урана в твердое состояние.

В результате из одной тонны урановой руды можно получить всего несколько граммов урана.

Синтез искусственных радиоактивных элементов и их изотопов происходит в специальных лабораториях, которые создают условия для работы с такими веществами.

Самый радиоактивный металл

Самый радиоактивный металл на данный момент — ливерморий. Его изотоп Livermorium-293 распадается всего за 61 миллисекунду. Впервые этот изотоп был получен в Дубне в 2000 году.

Еще один высокорадиоактивный металл — унунпентий. Изотоп унунпентия-289 имеет немного более длительный период распада (87 миллисекунд).

Среди более или менее стабильных веществ, используемых на практике, полоний (изотоп полоний-210) считается наиболее радиоактивным металлом. Это серебристо-белый радиоактивный металл. Хотя его период полураспада достигает 100 дней и более, даже один грамм этого вещества нагревается до 500 ° C, и радиация может мгновенно убить человека.

Запасы и месторождения

Запасы и месторождения представителей радиоактивной группы:

  1. Уран. Отложения металлов в слоях литосферы толщиной 20 км — 1,3х1014 т. Содержание в морской воде — 3 мкг / л. Больше всего урана содержится в кислых породах, содержащих кремний.
  2. Радио. Редкий элемент, за все время добывалось не более 1,5 килограмма чистого радия. Природный радий появляется после распада урана-235 и урана-238.
  3. Плутоний. Из-за отсутствия стабильных изотопов его сложно найти в природе. Изотопы с большим периодом полураспада — 239, 244. В природе встречается в виде соединения PuO2. Его производство не имеет смысла из-за небольшого количества.
  4. Торий. Он был открыт в 1815 году. Все природные изотопы элемента состоят из этого нуклида. В природе встречается в большом количестве. Наиболее стабильные изотопы — 232, 230, 229.
  5. Беркелио. Некоторые изотопы этого радиоактивного элемента можно получить при облучении урановых, плутониевых руд в ядерных реакторах. Наиболее стабильные изотопы — 247, 249.

Большинство радиоактивных металлов редки по своей природе и трудно извлекаются.

Фото 966

Изучение радиоактивных элементов



Первооткрыватель радиоактивности — Вильгельм Рентген. В 1895 году этот прусский физик впервые обнаружил радиоактивное излучение. На основе этого открытия было создано известное медицинское устройство, названное в честь ученого.

В 1896 году изучение радиоактивности было продолжено Анри Беккерелем, который экспериментировал с солями урана.

В 1898 году Пьер Кюри получил первый радиоактивный металл в чистом виде: радий. Хотя Кюри открыл первый радиоактивный элемент, однако у него не было времени на его изучение. А исключительные свойства радия привели к быстрой смерти ученого, неосторожно носившего в кармане свое «гениальное дитя». Великое открытие отомстило первооткрывателю: Кюри умерла в возрасте 47 лет от мощной дозы радиации.

В 1934 году впервые был синтезирован искусственный радиоактивный изотоп.

В настоящее время изучением радиоактивности занимаются многие ученые и организации.

Добыча и промышленное получение

Природные радиоактивные металлы в чистом виде найти нельзя. Чаще всего их синтезируют из урановых руд. Это дорогостоящий и трудоемкий процесс, состоящий из нескольких этапов:

  1. Концентрация. Минерал измельчают в воде, чтобы отделить осадок.
  2. Выщелачивание. Осадок переводят в раствор.
  3. Выделение чистого урана.
  4. Твердотельный перенос.

После обработки из тонны руды получается несколько граммов чистого вещества. Такие процедуры можно проводить только в специальных мастерских.

Свойства и характеристики

Знание характеристик радиоактивных металлов поможет раскрыть уникальные свойства этих элементов, понять, где их лучше всего использовать.

Уран

Имущество:

  1. Либеро — светло-серый металл.
  2. Плотность — 18700 кг / м3.
  3. Атомный номер 92.
  4. Электрическое сопротивление — 29,0 • 10-4 (Ом • м).
  5. Температура плавления — 1135 ° С.
  6. Теплоемкость — 27,66 Дж / (моль • К).
  7. Температура кипения — 3818 ° C.
  8. Теплопроводность — 22,5 Вт / (м • К).
  9. Степень окисления до +6.
  10. Коэффициент линейного расширения 10,7 • 10-6 К-1.

Уран растворяется в азотной и соляной кислотах, со щелочами не взаимодействует. При нагревании может реагировать с азотом, фосфором.

Уран химический элемент

Радий

Характеристики:

  1. В нормальных условиях это серебристо-белый металл.
  2. Показатель плотности 5500 кг / м3.
  3. Атомный номер 88.
  4. Показатель теплоемкости — Cp0 29 Дж / (моль • К).
  5. Температура плавления — 969 ° C.
  6. Степень окисления +2.
  7. Температура кипения — 1500 ° C.

По химической активности радий можно сравнить с барием. Быстро окисляется на воздухе. При соединении с водой происходит бурная реакция с нагреванием жидкости.

Плутоний

Характеристики:

  1. В нормальных условиях это серебристо-белый металл.
  2. Индекс плотности 19,82 (25 ° C, г / см3).
  3. Атомная скорость — 94.
  4. Удельное электрическое сопротивление — 150 мкОм · см (при +22 ° С).
  5. Температура плавления — 640 ° С.
  6. Температура кипения — 3235 ° C.

Реагирует с водой.

Фото 967

Окисленный плутоний (Фото: Instagram / thoisoi)

Сферы применения

Радиоактивные металлы используются по-разному. С их помощью проводят эксперименты, изучают влияние на другие материалы, живые организмы. Их часто используют для выработки энергии в реакторах.

Изотопы

Неустойчивость химических элементов можно объяснить существованием разных изотопов одного и того же вещества. Изотопы — это разновидности некоторых элементов таблицы Менделеева с одинаковыми свойствами, но с разным количеством нейтронов в ядре. Многие обычные химические вещества содержат по крайней мере один изотоп. Тот факт, что эти элементы широко распространены и хорошо изучены, подтверждает, что они остаются в стабильном состоянии сколь угодно долго. Но каждый из этих «долгоживущих» элементов содержит изотопы. Свои ядра ученые получают в процессе реакций, проводимых в лабораторных условиях. Искусственно полученный искусственный радиоактивный элемент не может долго существовать в стабильном состоянии и со временем распадается. Этот процесс может происходить тремя способами. Благодаря названию элементарных частиц, являющихся побочными продуктами термоядерной реакции, все три типа распада получили свое название.

Возникновение радиоактивных элементов

Естественно, радиоактивные вещества образуются в верхних слоях земной атмосферы, в ионосфере. Под действием космического излучения газ на больших высотах претерпевает различные изменения, превращающие устойчивое вещество в радиоактивный элемент. Самый распространенный газ в нашей атмосфере — это N2, например, из стабильного изотопа азота-14, он превращается в радиоактивный изотоп углерода-14.

В наше время гораздо чаще радиоактивный элемент возникает в цепочке искусственных реакций деления атома. Так называются процессы, при которых ядро ​​исходного вещества распадается на два дочерних ядра и, следовательно, на четыре радиоактивных «внука». Классическим примером является изотоп уран 238. Его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет. Почти столько же, сколько существует наша планета. После десяти стадий распада радиоактивный уран превращается в стабильный свинец 206. Искусственно полученный радиоактивный элемент не отличается по своим свойствам от своего природного аналога.

радиоактивный элемент

Период полураспада

Константа радиоактивности служит для того, чтобы с ее помощью можно было определить, насколько быстро изучаемый элемент распадается. Но для практических целей физики часто используют значение, называемое периодом полураспада. Этот показатель показывает, сколько времени требуется веществу, чтобы потерять ровно половину своих нуклонов. Для разных изотопов этот период составляет от крошечных 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 период 2t оно потеряет еще половину оставшихся нуклонов, то есть четверть от первоначального количества нуклонов.

Опыты Кюри

Результаты наблюдений Беккереля заинтересовали французских ученых Мари и Поля Кюри. Они справедливо считали, что не только уран может обладать радиоактивными свойствами. Исследователи отметили, что остатки минерала, из которого извлекается это вещество, все еще высокорадиоактивны. Поиск элементов, отличных от оригинальных, привел к открытию вещества со свойствами, аналогичными урану. Новый радиоактивный элемент получил название полоний. Такое название Мария Кюри дала веществу в честь своей родины — Польши. Затем последовало открытие радия. Радиоактивный элемент оказался продуктом распада чистого урана. После этого в химии началась эра ранее неестественных новых химикатов.

Оцените статью
Блог про металлы и сплавы