ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΝΟΥΚΛΙΔΙΑ 1. ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ

Transcript

1 ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΝΟΥΚΛΙΔΙΑ 1. ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 3 Κατά καιρούς έχουν προταθεί διάφοροι τρόποι, οι οποίοι να μπορούν να περιγράψουν και να κατατάξουν τα ραδιονουκλίδια σε κατηγορίες. Μεταξύ αυτών συμπεριλαμβάνεται και εκείνος που κατατάσσει τα νουκλίδια με βάση τον χρόνο υποδιπλασιασμού. Σύμφωνα με τον τρόπο αυτό τα νουκλίδια διαχωρίζονται σε: Σταθερά νουκλίδια. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν εκείνα τα νουκλίδια που δεν εμφανίζουν ραδιενεργό διάσπαση. Αρχικά υπολογίσθηκαν 264 σταθερά νουκλίδια, αλλά με τις αναπτυσσόμενες μεθόδους ανάλυσης ο αριθμός μειώνεται δραστικά, επειδή διαπιστώθηκε ότι πρόκειται για τα ισότοπά τους. Στην κατηγορία των σταθερών νουκλιδίων συγκαταλέγονται τα στοιχεία: 12 C, 14 Ν και 16 Ο. Αρχικά φυσικά ραδιoνoυκλίδια. Στην κατηγορία αυτή συμπεριλαμβάνονται τα ραδιενεργά νουκλίδια που υπάρχουν στην Γη από την γένεση του πλανήτη και που έχουν μεγάλο χρόνο ημιζωής. Υπάρχουν συνολικά 26 φυσικά νουκλίδια, μεταξύ των οποίων το 238 U (t 1/2 =4,47x109 έτη), 40 Κ (1,28χ109 έτη) και 89 Rb (4,8x1010 έτη). Δευτερογενή φυσικά νουκλίδια. Είναι εκείνα τα νουκλίδια που προέρχονται από τις φυσικές διασπάσεις των φυσικών ραδιονουκλιδίων. Μέχρι σήμερα είναι γνωστά 38 δευτερογενή νουκλίδια. Μεταξύ αυτών τα πιο γνωστά είναι το 234 Th (t 1/2 =24,1 ημ) και το 226 Ra (t 1/2 =1600 έτη).

4 4 Τα παραγόμενα από την κοσμική ακτινοβολία. Είναι εκείνα τα νουκλίδια που παράγονται συνέχεια λόγω της επίδρασης της κοσμικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Στην κατηγορία αυτή υπάγεται το τρίτιο, 3 Η (t 1/2 =12,3 έτη) και 14 C (t 1/2 =5730 έτη). Ο 14 C παράγεται από την επίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας στο 14Ν της ατμόσφαιρας. 14 N(n,p) 14 C, 14 N(n,t) 12 C Τεχνητά ραδιονουκλίδια. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα νουκλίδια που παράγονται στους αντιδραστήρες και ανέρχονται σε Τα πλέον γνωστά είναι τα: 60 Co, 137 Cs και 24 Na. Επίσης είναι δυνατόν τα νουκλίδια να καταταγούν σύμφωνα με τον ατομικό και μαζικό τους αριθμό, όπως φαίνεται παρακάτω: Ισότοπα καλούνται τα ραδιονουκλίδια που έχουν τον ίδιο ατομικό (Ζ) αριθμό και διαφορετικό μαζικό (Α=Ζ+η), δηλαδή διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Ως παράδειγμα αναφέρονται οι πυρήνες του άνθρακα: (ραδιενεργός), (σταθερός), (σταθερός) και (ραδιενεργός). Ισοβαρή καλούνται τα ραδιονουκλίδια που έχουν τον ίδιο μαζικό αριθμό (Α), αλλά διαφορετικό ατομικό (Ζ). Παράδειγμα αποτελούν ο άνθρακας-14 και το άζωτο-14: και.

5 5 Ισότονα καλούνται τα ραδιονουκλίδια που έχουν τον ίδιο αριθμό νετρονίων (Ν), αλλά διαφορετικό αριθμό πρωτονίων, όπως για παράδειγμα τα νουκλίδια άνθρακας-13, άζωτο-14 και οξυγόνο-15:, και, τα οποία έχουν τον ίδιο αριθμό νετρονίων (Α-Ζ=7). Ισομερή καλούνται τα νουκλίδια τα οποία έχουν τον ίδιο ατομικό και μαζικό αριθμό, αλλά διαφορετική ενεργειακή κατάσταση. Συμβολίζονται με το γράμμα m δίπλα από τον μαζικό αριθμό: 234m Pa για να διακριθούν από την βασική ενεργειακή κατάσταση, 234s Pa όπου g είναι η βασική κατάσταση (ground state)*. Ισοδιαφορικά λέγονται τα ραδιονουκλίδια που έχουν την ίδια διαφορά πρωτονίου νετρονίου, δηλαδή έχουν την ίδια διαφορά Ν-Ρ. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα ραδιονουκλίδια Re-174, Os- 176, 13 N, 11 C, 17 O. *το g συνήθως παραλείπεται στα ισότοπα που βρίσκονται στην βασική ενεργειακή κατάσταση

6 6 Σχήμα 2.1 Αναζήτηση ισότονων, ισότοπων, ισοβαρών και ισοδιαφορικών νουκλιδίων στον Περιοδικό Πίνακα των νουκλιδίων. Τα ραδιενεργά στοιχεία, όπως και τα χημικά κατατάσσονται σε έναν Περιοδικό Πίνακα, ο οποίος αποτελεί ένα εύχρηστο εργαλείο στα χέρια των επιστημόνων. Στον κλασσικό Περιοδικό Πίνακα των χημικών στοιχείων αντιστοιχεί ένα τετραγωνίδιο για κάθε στοιχείο. Αντίθετα, στον Περιοδικό Πίνακα των νουκλιδίων αντιστοιχεί ένα τετραγωνίδιο για κάθε νουκλίδιο και για κάθε ραδιοϊσότοπο του νουκλιδίου αυτού. Ο Περιοδικός Πίνακας των νουκλιδίων περιέχει τα ισότοπα με τρόπο ώστε από αριστερά προς τα δεξιά να έχουμε αύξηση του αριθμού των νετρονίων, ο δε αριθμός των πρωτονίων να αυξάνει κάθετα από πάνω προς τα κάτω. Επομένως κάθε οριζόντια σειρά θα περιλαμβάνει όλα τα ισότοπα και κάθε κατακόρυφη σειρά θα περιέχει όλα τα ισότονα ραδιονουκλίδια, ενώ τα ισοβαρή και ισοδιαφορικά κατέχουν διαγώνιες θέσεις (Σχήμα 2.1).

7 7 Σχήμα 2.2. Πληροφορίες που περιέχονται σε ένα τυπικό τετραγωνίδιο του Περιοδικού Πίνακα των νουκλιδίων: e - =ηλεκτρόνιο μετατροπής, ΙΤ=ισομερής μετάπτωση, β=εκπομπή ακτίνων β από το 60 Ni, γ= ενέργειες των ακτίνων γ, Ε=η ολική ενέργεια των ακτίνων β μετάπτωσης του θυγατρικού νουκλιδίου στην βασική κατάσταση. Το κάθε τετραγωνίδιο του Περιοδικού Πίνακα εκτός από τον ατομικό και μαζικό αριθμό του νουκλιδίου παρέχει αρκετές άλλες πληροφορίες, όπως είναι ο χρόνος ημιζωής, το είδος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και την ενέργειά του, το ποσοστό του σταθερού νουκλιδίου (αν υπάρχει). Τα τετραγωνίδια που περιέχουν μη ραδιενεργά (σταθερά) ισότοπα εμφανίζονται στον Περιοδικό Πίνακα ως έντονα περιγεγραμμένα ή σκιαγραμμισμένα, όπως φαίνεται παρακάτω:

8 8 Στο Σχήμα 2.3 δίνεται ένα τμήμα από τον Περιοδικό Πίνακα των νουκλιδίων ή χάρτη των νουκλιδίων. Σχήμα 2.3. Τμήμα Περιοδικού Πίνακα των νουκλιδίων

9 9 Στην πρώτη κάθετη στήλη φαίνεται η μεταβολή του ατομικού αριθμού και οριζόντια η μεταβολή του αριθμού των νετρονίων 3. Στα σταθερά νουκλίδια φαίνεται η % σύσταση, όπως βρίσκονται στη φύση. Στα ραδιονουκλίδια δίνεται ο χρόνος ημιζωής (s=δευτερόλεπτα, ms = χιλιοστά του δευτερολέπτου, h= ώρες, d= ημέρες, y=έτη). Στην αριστερή στήλη φαίνεται ο ατομικός αριθμός και το ατομικό βάρος σε Dalton με βάση το άτομο του 12 C=12,0 daltons. Διαγώνια πάνω αριστερά και κάτω δεξιά φαίνεται η μεταβολή για μεταπτώσεις με εκπομπή ποζιτρονίων και ηλεκτρονίων, αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο τετραγωνίδιο του στοιχείου Co60 (Σχήμα 2.2) τα ραδιοϊσότοπα του ιδίου νουκλιδίου δεν έχουν απαραίτητα τον ίδιο χρόνο ημιζωής, ούτε και τις ίδιες εκπεμπόμενες ενέργειες. Ένα νουκλίδιο μπορεί να έχει περισσότερα από ένα ραδιενεργά ή σταθερά ισότοπα, όπως γνωρίζουμε από την κλασσική χημεία. Επίσης φαίνεται καθαρά ότι οι κάθετες στήλες περιέχουν τα ισότονα ραδιονουκλίδια, ενώ οι διαγώνιες τα ισοβαρή και ισοδιαφορικά νουκλίδια (Σχήμα 2.3).

10 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.