"Изотопы. Их свойства и применение"

изотопы

их свойства

применение

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра.

Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество

В периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку.

Исходя из вышеперечисленного таким разновидностям одного и того же вещества было дано название «изотопы».

Название «изотопы» было предложено в 1912 г английским радиохимиком Фредериком Содди , который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место.

Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу.

По принятой нейтронно-протонной модели ядра объяснить существование изотопов удалось следующим образом:

ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов , но одинаковое количество протонов.  

Те элементы,  количество протонов которых нечетно , могут иметь лишь по два стабильных изотопа.

У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп.

Это такие вещества как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие.

Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связано со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Сколько изотопов может содержать ядро?

Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно, количество изотопов ограниченно.

  У четных по количеству протонов  

элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти.

Например , олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.

В природе встречаются как стабильные изотопы , так и нестабильные

Стабильные изотопы  – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Сейчас известно около 270 стабильных

изотопов

Нестабильные – радиоактивные изотопы, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада).

Большая часть  нестабильных изотопов  была получена искусственным путем.

Нестабильные изотопы радиоактивны, их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц или излучений.

Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд . 

Число нестабильных изотопов превышает 2000.

Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях.

Меченые атомы (изотопные индикаторы) содержат изотопы, которые по своим свойствам (радиоактивности, атомной массе) отличаются от других изотопов данного элемента. Их добавляют к химическому соединению или смеси, где находится исследуемый элемент; поведение меченых атомов характеризует поведение элемента в исследуемом процессе.

В качестве меченых атомов используют как стабильные (устойчивые) изотопы, так и радиоактивные (неустойчивые) изотопы.

Для регистрации радиоактивных меченых атомов применяют счетчики, ионизационные камеры;

нерадиоактивные изотопы регистрируют с помощью масс-спектрографов

В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно.

Для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений.

С помощью стабильных и радиоактивных изотопов были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке

Радиоактивные изотопы в археологии

Метод радиоактивного углерода получил интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т.д.).

Этим методом можно узнать

возраст египетских мумий,

остатков доисторических

костров

.

Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет,

т. е. около 10 периодов полураспада 14C

За это время содержание 14C уменьшается примерно в 1000 раз

(около 1 распада в час на грамм углерода).

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов Туринской плащаницы (христианской святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого Христа), проведённый в

1988 году , одновременно в нескольких лабораториях слепым методом.

Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом

XI — XIII веков

Радиоактивные изотопы применяются в медицине , как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.

Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения.

Радиоактивный Йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни.

Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используется для лечения базедовой болезни .

Интенсивное гамма-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).

С применением радиоактивных изотопов чрезвычайно интересные возможности открываются перед хирургами для изучения наркоза.

Применяется пенициллин и другие , антибиотики однако работ, которые бы полно освещали вопрос распределения этих препаратов в организме, нет.

С помощью антибиотиков, меченных радиоактивными изотопами, становится возможным разрешить и эти вопросы.

использования радиоактивных веществ для

диагностики

Применение радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа

поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания .

Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя,

определяют износ кольца.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о

диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.

Мощное гамма-излучение радиоактивных

препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок

с целью обнаружения в них дефектов. 

Батарейки для приборов

стабилизации ритмов

сердца

В химической промышленности ...

В резиновой промышленности с помощью радиоактивного изотопа серы изучается механическое и химическое поведение серы в условиях вулканизации.

Облучение полиэтиленовых труб радиоактивными изотопами позволяет повысит их термостойкость и стойкость к агрессивным средам.

В текстильной промышленности:

С помощью радиоактивных изотопов получают хлопчатобумажные ткани с антимикробными свойствами;

Радиоизотопные приборы применяют для контроля массы волокнистого слоя

Облучение текстильных материалов радиоизотопными изотопами используется для получения шерстоподобных свойств ткани

В деревообрабатывающей промышленности:

в результате облучения радиоактивными изотопами мягкое дерево приобретает значительно низкую способность собирать воду и более высокую твердость

В строительной промышленности:

применение радиоактивных изотопов для исследования

строительных материалов и строительных механизмов,

контроля металлических конструкций, вентиляции

и отопительных систем, а также некоторым другим

вопросам, связанным с задачами строительной промышленности

Пищевая промышленность:

Радиационное облучение пищевых продуктов питания способствует увеличению сроков хранения;

Радиоизотопные приборы применяются для измерения уровня содержания искусственных красителей в продукте питания;

Угольная промышленность:

Радиоизотопные приборы используются для контроля и регулировки скиповых установок, для контроля в угольных и породных бункерах.

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве :

Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности.

Большие дозы 'радиации вызывают

мутации у растений и

микроорганизмов, что в

отдельных случаях приводит

к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция ).

Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков.

Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике.

Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором.

Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество , усвоенного ими фосфора из разных

сортов удобрения.

Криминалистика

В 1937 г. в печати

появилось сообщение о

том, что найдена дотоле

неизвестная картина

голландца Яна Вермера

Делфтского – одного из

самых знаменитых

художников 17-того

столетия.

« Девушка с жемчужной сережкой»

В ходе судебного процесса и открылось, что

картины, "найденные" Ван Меегереном,

написаны не Вермером, а им самим.

В 1972 г. на

II Международной

конференции голландские

исследователи сообщили об

обнаруженных ими

посредством нейтронно-

активационного и гамма-

активационного анализов

подделках античных монет.

Изучая письма Исаака Ньютона, группа английских и американских исследователей высказала предположение о том, что причина его болезни — отравление ртутью .

Производство изотопов

Ядерные реакторы

Ускорители

Крупнейшие производители

ПО «Маяк»

Димитровградский НИИ

«Сибирский химический комбинат»

«Росатом»

Завод разделения изотопов в Томске

Завода в Челябинске «Маяк»

Нейтронный реактор

ИЗОТОПЫ

Применение изотопов водорода

Легкий водород используется во множестве отраслей: в химической промышленности, где с его помощью ведется производство аммиака, метанола, соляной кислоты и других веществ;

в нефтепереработке и металлургии, где он необходим для восстановления тугоплавких металлов из оксидов.

Также он применяется на некоторых стадиях производственного цикла (в производстве твердых жиров) в пищевой и косметической промышленности.

Водород служит одним из видов ракетного топлива и используется в лабораторной практике в науке и на производстве.

Дейтерий незаменим в ядерной энергетике как прекрасный замедлитель нейтронов.

Он применяется в этом качестве, а также как теплоноситель в тяжеловодных реакторах, позволяющих использовать природный уран, что снижает затраты на обогащение.

Химические свойства тяжелого водорода позволяют использовать его в производстве медицинских препаратов в целях замедления выведения их из организма .

Он также, наряду с тритием, является компонентом рабочей смеси в термоядерном оружии.

Содержание в природе.

Тритий образуется в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия нейтронов вторичного космического излучения с ядрами атомов азота;

Термоядерных реакций, осуществляемых на энергетических комплексах и при ядерных испытаниях. 

Изотопы кислорода

Известно, что в природе кислород может находиться в виде трех изотопов  16 O (99,76%),  17 O (0,04%) и  18 O (0,2%).

Кислород-15O часто используется в

позитронно-эмиссионной томографии.

  Наиболее стабильные изотопы имеют период

полураспада 122,24 с; 70,606 с;

Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды

полураспада менее 27 с; большинство из них имеют

периоды полураспада менее 83 мс

Калий

Природный калий состоит из трех  изотопов двух стабильных  и одного радиоактивного

Период полураспада – 1,32 года

40К содержится в живых организмах и своим излучением создает естественное (фоновое) облучение. Остальные радиоактивные изотопы К в природе не встречаются. 

42К используется как индикатор в аналитической химии, биологии, медицине.

Цезий

Природный цезий состоит из одного стабильного изотопа. Известны 23 радиоактивных изотопа цезия. Наибольшее практическое значение имеет 137Cs.

Период полураспада 30,1 года,

В небольших количествах радиоактивные изотопы цезия содержатся практически во всех объектах внешней среды.

Получение: Образуется при делении ядер атомов тяжелых элементов при ядерных реакциях на АЭС и при взрывах, а также при помощи ускорителей заряженных частиц.

Применяется в химических и радиобиологических исследованиях, в дефектоскопии, в радиационной технологии137Сs используют в качестве источника альфа-излучения. 

Стронций

Природный стронций состоит из смеси стабильных изотопов: 

Наибольший токсикологический интерес представляет 90Sr с

Периодом полураспада 28,1 года. 

Чистый бета-излучатель

Антропогенные источники поступления в окружающую среду :

Стронций, образующийся в ядерных реакторах, может поступать в теплоноситель.

При очистке теплоносителя - в газообразные и жидкие отходы.

В результате крупных ядерных испытаний и аварий на АЭС.

Церий

Радиоактивные изотопы церия получают в ядерном реакторе при делении ядер атомов тяжелых элементов или при ядерных взрывах.

Содержание изотопов церия в неразделенной смеси продуктов деления составляют 6 %.

 -излучатель.

Применяется в медицине

Период полураспада 284,3 суток,

Плутоний

Стабильных изотопов не обнаружено. Известны радиоактивные изотопы с массовыми числами 232-246.

Практическое значение имеют 238Pu и 239Pu. 

Период полураспада - 24360 лет

Испускает альфа- частицы

Содержание в природе:

239Pu в природе образуется в урановых.

Изотопы плутония получают в урановых реакторах. Также образуется при испытаниях ядерного оружия.

Антропогенными источниками поступления в окружающую среду, являются испытания ядерного оружия, некоторые этапы ядерного топливного цикла, аварии на атомных электростанциях, связанные с разгерметизацией ядерных систем.

Производство и переработка ядерного топлива , захоронение радиоактивных отходов также является источником поступления плутония в окружающую среду.

Углерод

Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12C (98,0992%) и 13С (1,108%).

Известно 6 радиоактивных изотопов с массовыми числами 9-11 и 14-16. Наибольшее значение с точки зрения радиационной опасности представляет долгоживущий изотоп 14С.

Антропогенные источники  поступления 14С в окружающую среду в основном выбросы и сточные воды АЭС.

Выброс изотопа 14С из реакторов с графитовым замедлителем  14С является также одним из компонентов по регенерации ядерного топлива.

При попадании в окружающую среду 14С участвует в фотосинтезе, накапливается в растениях, хорошо мигрирует по пищевым цепочкам.

10% 14С из атмосферы поглощается наземными биоценозами.

Остальные 90% 14C фиксируются морскими организмами, в основном фитопланктоном.

Йод

Природный изотоп йода 127I. Известны радиоактивные изотопы с массовыми числами 115-126, 128-141.

С точки зрения радиационной опасности интерес представляет 131I, 132I, 133I, 129I.

Содержание в природе: образуется в реакциях деления урана и плутония

Применение. 131I и 125I применяется в физической химии, биологии, медицине.

Содержание в природе: образуется в реакциях деления урана и плутония

Применение:

131I и 125I применяется в физической химии, биологии, медицине.

Антропогенными источниками поступления в окружающую среду радиоактивного йода являются ядерные взрывы и атомные электростанции.

Йод характеризуется высокой миграционной способностью.

Поступая во внешнюю среду, он включается в биологические цепи миграции, становится источником внешнего и внутреннего облучения.

Изотопы урана

На данный момент известны 26 изотопов урана и еще 6 возбуждённых изомерных состояний.

В природе встречаются три изотопа

урана:  234 U  (0,0055 %),  235 U  (0,7200 %), 

238 U (99,2745 %)

Нуклиды  235 U и  238 U являются

родоначальниками радиоактивных рядов 

ряда актиния и ряда радия соответственно .

Нуклид  235 U используется как топливо  в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии  (благодаря тому, что в нём возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция).

Нуклид  238 U используется для производства плутония-239, который также имеет чрезвычайно большое значение как в качестве топлива для ядерных реакторов, так и в производстве ядерного оружия.

Применение:

238 U  служит источником вторичного

ядерного горючего - плутония.

Соединения химического элемента ранее

использовались в качестве красителей для керамики;

В настоящее время незначительное количество уранового стекла и изделий из него производится в Чехии.

Также уран вводится в некоторые сорта оптических стёкол;

В геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов.

Этим занимается геохронология.

В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы

  Самое известное применение обеднённого урана

в качестве сердечников для бронебойных снарядов.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне (в боевом танке США M-1 «Абрамс»),

Обедненный уран используется для радиационной защиты и  балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов.

Материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.