Радіохімія

Радіохімія, область хімії, що вивчає хімію радіоактивних ізотопів, елементів і речовин, закони їх физико-хімічної поведінки, хімію ядерних перетворень і супутні їм физико-хімічні процеси. Предмет, методи і об'єкти дослідження Р. дозволяють виділити в ній наступні розділи: загальна Р.; хімія ядерних перетворень; хімія радіоактивних елементів і прикладний Р.

  Загальний Р. вивчає физико-хімічні закономірності поведінка радіоактивних ізотопів і елементів. Радіоактивні ізотопи по хімічних властивостях практично не відрізняються від нерадіоактивних. У природних об'єктах, рудах, в продуктах, що отримуються штучно, в розчинах, що утворюються після переробки сировини, вони присутні в наднизьких концентраціях; розпад, що зазнає ними, супроводиться ядерним випромінюванням (див. Радіоактивність ). Більшість природних радіоактивних ізотопів — дочірні ізотопи, продукти розпаду ²³⁸ U, ²³⁵ U і ²³² Th (див. Радіоактивні ряди ). Концентрація деяких з них в рівноважних рудах U і Th на 1 г чистого материнського ізотопу приведені нижче.

Дочірній ізотоп, г

  Радіоактивні ізотопи отримують і штучним шляхом — опроміненням різних речовин ядерними частками (вихід порядку 10 ^-8 — 10 ^-12 % по масі). У ряді випадків у великій кількості ін. атомів знаходяться сотні десятки і навіть одиниці атомів радіоактивних ізотопів. (Лише у виробництві ядерного пального Pu виходить у відносно великих кількостях, хоча і його концентрація в опроміненому нейтронами U мала.). Виділяти радіоактивні елементи і ізотопи доводиться, отже, з ультраразбавленних систем, а маси їх в більшості випадків не піддаються зважуванню. Физико-хімічна поведінка ультраразбавленних розчинів вельми складно; воно може описуватися законами ідеальних розчинів, проте інколи із-за побічних процесів, пов'язаних з адсорбцією, радіолізом і пр., ці закони не дотримуються. У загальному Р. розглядається ізотопний обмін, процеси розподілу мікрокількостей радіоактивних ізотопів між фазами, процеси соосажденія, адсорбції і екстракції, електрохімія радіоактивних елементів, полягання радіоактивних ізотопів в ультраразбавленних системах — дисперсність (утворення радіоколоїдів ) і комплексообразованіє.

  Хімія ядерних перетворень включає вивчення реакцій атомів, що утворюються при ядерних перетвореннях ( «гарячих» атомів ), продуктів ядерних реакцій, методи здобуття, концентрації і виділення радіоактивних ізотопів і їх ядерних ізомерів, а також перетворень радіоактивних речовин під дією власного випромінювання, вивчення їх властивостей.

  Хімія радіоактивних елементів — це хімія природних (природних) радіоактивних елементів від Po до U (№ № 84—92) і штучних: Te (№ 43), Pm (№ 61), Np (№ 94) і всіх подальших до № 106. Умовно до цього розділу відносять хімію і технологію ядерного пального — здобуття і хімічне виділення ²³⁹ Pu з опроміненого урану, ²³³ U — з опроміненого нейтронами торія і ²³⁵ U — з природної суміші ізотопів.

  Прикладний Р. включає розробку методів синтезу мічених сполук і вживання радіоактивних ізотопів в хімічній науці і промисловості (див. Ізотопні індикатори ) і ядерних випромінювань в хімічному аналізі (наприклад, ядерна g-резонансна спектроскопія).

  Об'єктами дослідження в Р. є радіоактивні речовини, що містять радіоактивні ізотопи, багато хто з яких характеризується обмеженим часом існування і ядерним (радіоактивним) випромінюванням; це обумовлює специфічні особливості методів дослідження.

  Радіоактивне випромінювання дає можливість використовувати в Р. специфічні радіометричні методи виміру кількості радіоактивної речовини (див. Радіометричний аналіз і Радіохімічний аналіз ) і в той же час викликає необхідність вживання особливої техніки безпеки при роботі, т.к. радіоактівноє випромінювання в дозах, що перевищують гранично допустимі, шкідливо для здоров'я людини (див. Дозиметрія ). Методи виміру радіоактивності перевершують по чутливості всі ін. методи і дозволяють мати справу з мінімальною кількістю речовини, непіддатливою вивченню якими-небудь іншими методами. За допомогою звичайних в радіохімічній практиці приладів можна визначити, наприклад, 10 ^{— 10} —10 ^{— 15} г ²²⁶ Ra, 10 ^{— 17} г ³² P, 10 ¹⁷ г ²³² Rn. Використовуючи особливо чутливі методи реєстрації радіоактивного розпаду, можна визначити наявність окремих атомів радіоактивного ізотопу, встановити факт їх розпаду.

  Становлення Р. як самостійної області хімії почалося в кінці 19 ст Основоположними були роботи М. Ськлодовськой-кюрі і П. Кюрі, що відкрили і Ra, що виділили (1898), і Po. При це Ськлодовськая-кюрі вперше застосувала методи соосажденія мікрокількостей радіоактивних елементів з розчинів з макрокількостями елементів аналогів. У 1911 Ф. Содді визначав Р. як науку, що займається вивченням властивостей продуктів радіоактивних перетворень, їх розділенням і ідентифікацією. Можна намітити 4 періоди становлення Р., пов'язаних з розвитком вчення про радіоактивність і ядерної фізики.

  Перший період (1898—1913) характеризується відкриттям 5 природних радіоактивних елементів — Po, Ra, Rn, Ас, Ра — і ряду їх ізотопів (це стало ясно після відкриття в 1913 Содді явища ізотопії). В результаті встановлення До. Фаянсом і Содді правила зрушення, по якому з радіоактивного елементу утворюється новий елемент, що стоїть в періодичній системі Д. І. Менделєєва або на дві клітки лівіше початкового (а-розпад), або на одну клітку правіше за нього (b-розпад), Е. Резерфордом і Содді був знайдений генетичний зв'язок між всіма відкритими ізотопами і визначено їх місце в періодичній системі. У цей період ведуться інтенсивні пошуки радіоактивних речовин в природі — радіоактивних мінералів і вод. У Росії А. П. Соколов і ін. учені вивчають радіоактивність мінеральних вод, атмосфери і пр. об'єктів, П. П. Орлов починає дослідження радіоактивності мінералів, а Ст І. Вернадський виступає з основоположними роботами по геохімії радіоактивних елементів.

  Другий період (1914—33) пов'язаний зі встановленням ряду закономірностей поведінки радіоактивних ізотопів в ультраразбавленних системах — розчинах і газовому середовищі, відкриттям (Д. Хевеши і Ф. Панетом ) ізотопного обміну . В цей період Панет і Фаянс формулюють правила адсорбції; О. Ган і Ст Р. Хлопін проводять систематичне вивчення процесів соосажденія і адсорбції. В результаті Ган формулює закони, що якісно характеризують ці процеси, Хлопін встановлює кількісний закон соосажденія ( Хлопіна закон ), а його учень А. П. Ратнер розробляє термодинамічну теорію процесів розподілу речовини між твердою кристалічною фазою і розчином. У цей же період ін. сов.(радянський) учений Л. С. Коловрат-Червінський і потім Ган розвивають роботи по еманірованію твердих речовин, що містять ізотопи радію, а пізніше Б. А. Никітін виконує обширні дослідження клатратних з'єднань інертних газів (на прикладі з'єднань радону). У 1917 Вл. І. Спіцин проводить серію робіт за визначенням методом радіоактивних індикаторів (основи його розробили раніше Хевеши і Панет) розчинності ряду з'єднань торія. У ці роки Ськлодовськая-кюрі, Панет і ін. вивчають радіоактивні ізотопи в ультраразбавленних розчинах, умови утворення радіоколоїдів.

  Третій період (1934—45) починається після відкриття подружжям І. Жоліо-кюрі і Ф. Жоліо-кюрі штучної радіоактивності. У цей період в результаті робіт Е. Фермі (по дослідженню дії нейтронів на хімічні елементи), І. Ст Курчатова із співробітниками (що відкрили і що вивчили ядерну ізомерію штучних радіоактивних ізотопів), Гана і йому.(німецький) ученого Ф. Штрасмана (ядер урану, що встановили ділення, під дією нейтронів), відкриття Силарда — Чалмерса ефекту розробляються основи методів здобуття, концентрації і виділення штучних радіоактивних ізотопів. Використання циклотрона дозволило Е. Сегре із співробітниками синтезувати нові штучні елементи — Te і At. Застосовуючи радіометричні методи у поєднанні з тонкими радіохімічними методами розділення мікрокількостей радіоактивних елементів, М. Пере (Франція) виділила з продуктів розпаду Ас елемент № 87 (Fr). З середини 30-х рр. бурхливо розвивається прикладна Р. Метод радіоактивних (ізотопних) індикаторів набуває широкого поширення.

  Сучасний, четвертий період розвитку Р. зв'язаний з використанням потужних прискорювачів ядерних часток і ядерних реакторів. Здійснюється синтез і виділення штучних хімічних елементів — прометію (американські учені Дж. Марійський і Л. Гленденін), трансуранових елементів від № 93 до № 105 (Р. Сиборг із співробітниками, Р. Н. Флеров із співробітниками) і ін. (див. також Актиноїди, Курчатовій ). Удосконалюються методи здобуття ядерного пального, способи виділення Pu і продуктів ділення з опроміненого в ядерному реакторі U, а також регенерації відпрацьованого в реакторі U, вирішується низка інших запитань технології ядерного пального. При цьому на основі виникаючих технологічних проблем широко розвивається хімія штучних (особливо трансуранових) і природних (особливо U, Th, Ра) радіоактивних елементів, зокрема хімія їх комплексних з'єднань. Отримує обгрунтування хімія нових атомоподобних утворень — позитронію, мюонію і мезоатомів. У Р. особливого значення набуває екстракція і хроматографія; все ширше застосовується метод радіоактивних індикаторів в додатку до досліджень механізму і кінетики хімічних реакцій, будови хімічних сполук, явищ адсорбції соосажденія, каталізу, виміру физико-хімічних постійних, розробці методів радіометричного аналізу. Радіохімічні методи дослідження знаходять широке вживання у вирішенні багатьох проблем геохімії і космохімії, а також при пошуку корисних копалини. Розвивається новий напрям в Р. — хімія процесів, що відбуваються услід за ядерною реакцією утворення радіоактивних ізотопів, коли знов отримані атоми володіють високою енергією. Нарешті, проводяться роботи по вивченню продуктів ядерних перетворень під дією часток високої енергії (див. Ядерна хімія ). У всіх цих областях Р. активно працюють сов.(радянський) учені і учені низки зарубіжних країн. Розвиток Р. продовжується, охоплюючи все нові області хімії радіоактивних речовин.

  Літ.: Радіоактивні ізотопи в хімічних дослідженнях, під ред. А. Н. Муріна, Л. — М., 1965 (спільно з др.); Старий І. Е., Основи радіохімії, 2 видавництва, Л., 1969; Вдовенко Ст М., Сучасна радіохімія, М., 1969; Мурін А. Н., Фізичні основи радіохімії, М., 1971; Несмеянов Ан. Н., Радіохімія, М., 1972.

  Ан. Н. Несмеянов.