Особенности радиохимии

Основные особенности радиохимии, отличающие ее от других раз­делов химии, вытекают из общего свойства всех объектов ее изучения- радиоактивности

Это свойство делает неприменимым одно из фундаментальных положений классической химии - неиз­меняемость природы химического элемента.

Наиболее важные аспекты явления радиоактивности, обусловливающие особенности радиохимии:

1) ограниченность времени существования подавляющего большинства радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов;

2) принципиально иная природа процессов, происходящих в радиоактивных нуклидах, и обусловлен­ные этим огромные масштабы энергетических изменений;

3) изме­нение химической природы элемента в результате радиоактивных превращений.

Ограниченность времени существования объектов радиохимии влечет за собой необходимость проводить исследования с исключи­тельно малыми количествами и концентрациями радиоактивных веществ.

Необходимость работы с малыми концентрациями диктуется не только невозможностью получения ряда некоторых радиоактивных элементов в сколько-нибудь значительных количествах, но и чрез­вычайно большими энергетическими эффектами, сопутствующими радиоактивным превращениям. Эти эффекты на 6—8 порядков пре­вышают соответствующие изменения при обычных химических реакциях. Большие энергетические изменения являются причиной воз­никновения частиц (атомов, атомных и молекулярных ионов) и излучений большой энергии. Так, в результате захвата медленных нейтронов и α-распада образуются атомы с кинетической энергией 10³—10⁵ эВ, что соответствует температурам 10⁶—10⁸ К. Один акт деления ядра ²³⁵U сопровождается выделением энергии порядка 2∙10⁸ эВ. В результате образуются области с высокой локальной энергией и протекают процессы, которые в классической химии не реализуются.

При малых концентрациях атомов радиоактивных элементов число областей с высокой локальной энергией невелико, и процес­сы радиоактивного распада не оказывают влияния на поведение изучаемого элемента и системы в целом, которое определяется ис­ключительно индивидуальными химическими свойствами элемента и свойствами исходной системы.

По мере увеличения концентрации радиоактивных нуклидов все большее число атомов оказывается в области высокой энергии (треки излучений радиоактивных атомов). Эти атомы могут изме­нять химическое состояние в результате радиационно-химических превращений. Начиная с некоторой критической концентрации ра­диоактивного элемента, такие превращения становятся настолько значительными, что вызывают вполне ощутимые изменения состоя­ния и поведения элемента и системы в целом. Критическая кон­центрация радиоактивного нуклида зависит от вида и энергии его излучения. В таких системах происходят своеобразные физические и химические явления; иногда они наблюдаются визуально. К фи­зическим явлениям относятся: свечение и саморазогревание радио­активных веществ и их растворов, газовыделение и повышение давления, саморазбрызгивание осадков и растворов, эрозия и раз­рушение стенок сосудов и приборов и т. д. Химические изменения, происходящие под действием излучения, включают изменение сте­пени окисления, химической формы, дисперсности и других харак­теристик исследуемого радиоактивного элемента, а также и других компонентов системы.

Радиационно-химические процессы часто делают невозможным получение правильной информации о свойствах и поведении радио­активных элементов*.

Необходимость проведения исследований с ничтожно малыми количествами вещества влечет, в свою очередь, за собой целый ряд следствий и прежде всего подверженность радиоактивных элемен­тов сильнейшему влиянию процессов, которые при работе с весо­мыми количествами веществ не играют сколько-нибудь заметной роли (адсорбция, коллоидообразование).

При очень малых количествах изучаемых веществ (иногда де­сятки и даже единицы атомов) адсорбционные емкости поверхностей приборов, посуды и частиц случайных загрязнений часто превыша­ют массы исследуемых элементов. С другой стороны, необходи­мость проводить исследования с ничтожно малыми количествами радиоактивных элементов исключает возможность выделения их соединений в виде самостоятельных твердых фаз. Это приводит к необходимости применения специальных веществ — носителей, ко­торые используются как при разделении и выделении радиоактив­ных элементов, так и при работах, связанных с получением и изу­чением свойств соединений этих элементов.

Первоначально возникли сомнения в применимости обычных физико-химических законов к «бесконечно разбавленным» раство­рам. Сомнения эти возникли потому, что почти с самого начала работы с радиоактивными изотопами резко проявились некоторые особенности их поведения, связанные с ничтожно малыми кон­центрациями.

Основные особенности поведения ничтожно малых концентра­ций радиоактивных изотопов приписывались их специфическим свойствам; однако дальнейшие исследования показали, что они присущи поведению любых веществ при ничтожно малых концентрациях, но не могли быть ранее обнаружены из-за отсут­ствия достаточно чувствительных методов. Так, например, при изучении поведения весомых концентраций вещества адсорбцион­ные явления не обнаруживались, потому что, во-первых, для прямого их определения не было достаточно чувствительных методов, во-вторых, столь незначительные потери не могли быть замечены при определении всей массы вещества.

 

Действительно, сохранение индиви­дуальных химических свойств элемента при любых ничтожно малых концентра­циях является основным положением радиохимии.

Далее, важным аспектом радиоактивности является изменение химической природы распадающихся ато­мов. Отсюда, прежде всего следует, что в отличие от объектов клас­сической химии химическая чистота радиоактивного элемента (нуклида), достигнутая в момент его получения, не остается по­стоянной. Элементный и изотопный состав систем, содержащих радиоактивные вещества, является функцией времени».

Физико-химические процессы, происходящие в системах, вклю­чающих радиоактивные элементы, несравнимо более сложны, чем в случае стабильных элементов. Их усложнение связано с вовле­чением не только атомов первоначально присутствующих радиоак­тивных элементов, но и их дочерних продуктов. Это особенно ха­рактерно для цепочек последовательных радиоактивных превра­щений.

Усложнение физико-химических процессов в рассматриваемых системах связано также с тем, что они протекают на фоне измене­ний, происходящих с непрерывно образующимися атомными и мо­лекулярными ионами атомов дочерних элементов. Возникновение таких ионов является результатом изменения заряда ядра дочер­него атома, а также последующих вторичных процессов, развиваю­щихся в электронных оболочках дочерних атомов.

Возможность проведения радиохимических исследований с чре­звычайно малыми количествами вещества определяется очень вы­сокой чувствительностью методов детектирования радиоактивных нуклидов. Так, если считать, что число детектируемых распадов в одну минуту равно 100, то предел обнаружения радиоактивного изотопа с периодом полураспада один месяц составит ~10~¹⁷ моль, а с периодом полураспада 1 мин.~10~²² моль. Предел об­наружения наиболее тяжелых элементов состав­ляет десятки и единицы атомов.