ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ 3. ΥΠΕΡΟΥΡΑΝΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Transcript

1 ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΗΤΑ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΑ 3. ΥΠΕΡΟΥΡΑΝΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα

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

3 4.3 ΥΠΕΡΟΥΡΑΝΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 3 Τα υπερουράνια στοιχεία είναι εκείνα που έχουν ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του ουρανίου. Θεωρείται ότι η παρασκευή τους ικανοποίησε κατά κάποιο τρόπο το όνειρο των αλχημιστών να παρασκευάσουν νέα στοιχεία. Είναι συνθετικά στοιχεία, επειδή προέρχονται από την μεταλλαγή του φυσικού ουρανίου μετά τον βομβαρδισμό του με νετρόνια. Ο Chadwick μελέτησε πρώτος τα νετρόνια, αλλά οι Hevesy και Levi χρησιμοποίησαν τα νετρόνια για αναλυτικούς σκοπούς. Παρατήρησαν ότι αν βομβαρδίσουν στοιχεία των σπανίων γαιών τότε αυτά γίνονται ραδιενεργά. Το 1934 ο Fermi υπέθεσε ότι αν βομβαρδίσει ουράνιο με νετρόνια θα παρασκευάσει στοιχεία με μάζα μεγαλύτερη αυτής του ουρανίου (υπερουράνια). Αν και η αντίδραση επέτυχε, η αδυναμία του να διαχωρίσει τα προϊόντα της αντίδρασης τον έκανε να μην το αντιληφθεί. Αργότερα (1938) για την δουλειά αυτή ο Fermi έλαβε το βραβείο Nbel. Έχει παρατηρηθεί ότι στην ραδιοχημεία τα περισσότερα ραδιενεργά στοιχεία ανήκουν στον Περιοδικό Πίνακα και είναι φυσικά. Πολύ λίγα στοιχεία-στόχοι μπορούν να μετατραπούν σε συνθετικά στοιχεία. Προκειμένου να γίνει η μελέτη των υπερουράνιων στοιχείων έπρεπε να γίνει αντιληπτή η θέση τους στον Περιοδικό Πίνακα. Η αναγνώριση ότι τα υπερουράνια στοιχεία ανήκουν στην ίδια οικογένεια, των ακτινιδίων, στοιχείων δηλαδή αναλόγων των λανθανίδων (σπάνιες γαίες) προέκυψε από τις χημικές ιδιότητες των στοιχείων, αν και ήταν άγνωστα. Μέχρι το 1963 βρέθηκαν 11 στοιχεία με ατομικό αριθμό

4 4.3.1 ΠΟΣΕΙΔΩΝΙΟ (NEPTUNIUM, Np) 4 Το 1940 ο McMillan στο Πανεπιστήμιο του Berkeley μαζί με τον Abelsn διαπίστωσαν τον σχηματισμό του Np σύμφωνα με την αντίδραση: (4.3) Οι McMillan και Abelsn διαπίστωσαν ότι οι χημικές ιδιότητες του ποσειδωνίου έμοιαζαν με εκείνες του ουρανίου και ότι για την κατάταξη των ηλεκτρονίων στα τροχιακά έπρεπε να υπάρχει και 5f τροχιακό. Το ποσειδώνιο με εκπομπή ακτίνων β μεταπίπτει σε πλουτώνιο, αλλά ο McMillan με τον Abelsn δεν μπόρεσαν να το παρατηρήσουν επειδή ο χρόνος ημιζωής του πλουτωνίου είναι χρόνια.

5 4.3.2 ΠΛΟΥΤΩΝΙΟ (PLUTONIUM, Pu) 5 Είναι το δεύτερο κατά σειρά μελετημένο τεχνητό στοιχείο. Παράγεται με βομβαρδισμό του 238 U με δευτέριο: (4.4) (4.5)

6 4.3.3 ΑΜΕΡΙΚΙΟ (AMERICIUM, Am) ΚΑΙ ΚΟΥΡΙΟ (CURIUM, Cm) 6 Μετά την παρασκευή του πλουτωνίου οι Ghirs, James, Seabrg και Mrgan στράφηκαν στη σύνθεση του επόμενου υπερουράνιου στοιχείου. Η σύνθεση των στοιχείων με ατομικούς αριθμούς 95 και 96 δεν ήταν εύκολη, επειδή πίστευαν ότι τα στοιχεία αυτά μπορούν να σχηματίζουν οξείδια σε οξειδωτική κατάσταση VI. Μόλις όμως συνειδητοποίησαν ότι η οξειδωτική κατάσταση ήταν III διαχώρισαν τα στοιχεία αυτά χημικά ως ισότοπα του πλουτωνίου. Έτσι, το καλοκαίρι του 1944 συνέθεσαν το κιούριο βομβαρδίζοντας το πλουτώνιο με πυρήνες ηλίου: (4.6) 239 Pu(a,n) 242 Cm Επίσης, βομβαρδίζοντας το πλουτώνιο με νετρόνια, κατάφεραν στα τέλη του 1944 με αρχές του 1945 να συνθέσουν το αμερίκιο: (4.7) (4.8) (4.9)

7 4.3.3 ΑΜΕΡΙΚΙΟ (AMERICIUM, Am) ΚΑΙ ΚΟΥΡΙΟ (CURIUM, Cm) 7 Από τους υπολογισμούς των παραπάνω ερευνητών διαπιστώθηκε ότι τα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 95 και 96 είχαν σταθερή οξειδωτική κατάσταση III, αλλά ήταν δύσκολο να αποδειχθεί. Γι αυτό δεν δόθηκαν τα πραγματικά ονόματα και προκειμένου να τα διαχωρίζουν έδωσαν τα ονόματα «πανδαιμόνιο» και «ντελίριο» για να δηλώσουν την κατάσταση που επικρατούσε στην αδυναμία διαχωρισμού τους και τον πλήρη χαρακτηρισμό. Αργότερα προς τιμή της Αμερικής δόθηκε στο στοιχείο με ατομικό αριθμό 95 το όνομα αμερίκιο και στο στοιχείο με ατομικό αριθμό 96 το όνομα κιούριο προς τιμή του ζεύγους Pierre - MarieCurie.

8 4.3.4 ΜΠΕΡΚΕΛΙΟ (BERKELIUM, Bk) ΚΑΙ ΚΑΛΛΙΦΟΡΝΙΟ (CALLIFORNIUM, Cf) 8 Επειδή το αμερίκιο και κούριο είχαν μεγάλη ραδιενεργή δραστικότητα ήταν αρκετά δύσκολο να παρασκευάσουν αρκετά μεγάλες ποσότητες ώστε να τα χρησιμοποιήσουν ως στόχους για την παρασκευή νέων υπερουράνιων στοιχείων. Ακόμη και για χιλιοστά του γραμμαρίου απαιτούντο αυστηρά μέτρα προστασίας. Τελικά προς τα τέλη του 1949 με αρχές 1950 οι Thmsn, Ghirs και Seabrg κατάφεραν σε αντιδραστήρα παραγωγής και μεταφοράς μεγάλης συγκέντρωσης νετρονίων (high-fluxreactr) να συνθέσουν το στοιχείο με ατομικό αριθμό 97. Το πρώτο ισότοπο είχε μάζα 243 και χρόνο ημιζωής t 1/2 =4,5 h. Το ραδιοϊσότοπο Bk-247 έχει χρόνο ημιζωής 7.000y. (4.10) Το στοιχείο 98 με μάζα 245 παρασκευάσθηκε από την ίδια ομάδα και πάλι στο Πανεπιστήμιο Berkeley της Califrnia. Ο βομβαρδισμός του κούριου-242 έγινε με ιόντα ηλίου ενέργειας 35-MeV σε επιταχυντή κύκλοτρο: (4.11) Τα ονόματα δόθηκαν προς τιμή του ονόματος του Πανεπιστημίου και της πολιτείας στην οποία ανήκε.

9 4.3.5 ΑΪΝΣΤΑΝΙΟ (EINSTENIUM, Es) ΚΑΙ ΦΕΡΜΙΟ (FERMIUM, Fm) 9 Τα επόμενα στοιχεία με ατομικό αριθμό 99 και 100 ονομάσθηκαν αϊνστάνιο και φέρμιο προς τιμή του μεγάλου φυσικού Αϊνστάιν (Einstein) και του πατέρα της ατομικής ενέργειας Φέρμι (Fermi), αντίστοιχα. Τα στοιχεία αυτά βρέθηκαν στα θραύσματα της θερμοπυρηνικής σχάσης mike που έγινε στον Ειρηνικό την 1 η Νοεμβρίου Τα θραύσματα συλλέχθηκαν με χάρτινα φίλτρα που είχαν συνδέσει σε αεροπλάνο που πέταξε ανάμεσα από το νέφος που είχε σχηματισθεί. Αργότερα μεγαλύτερες ποσότητες συλλέχθηκαν στα γειτονικά κοραλλιογενή νησιά. Ήταν η πρώτη φορά που για την μελέτη των στοιχείων αυτών συνεργάστηκαν τρία εργαστήρια: το Argnne Natinal Labratry, στο Chicag, το Ls Alams Scientific Labratry, του Πανεπιστημίου της Califrnia και μία ομάδα του Radiatin Labratry και το Τμήμα Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Califrnia. (4.12) (4.13) Το Αϊνστάνιο με μαζικό αριθμό 235 εκπέμπει ακτίνες α ενέργειας 6,6 MeV και χρόνο ημιζωής 20 d. Το φέρμιο με μαζικό αριθμό 255 εκπέμπει ακτίνες α ενέργειας 7,1 MeV με χρόνο ημιζωής 22 h. Το 1961 με βομβαρδισμό του πλουτωνίου-239 με νετρόνια παρασκευάσθηκε καθαρό αϊνστάνιο-253.

10 4.3.6 ΜΕΝΤΕΛΕΒΙΟ (MENDELEVIUM, Md) 10 Η ονομασία του στοιχείου αυτού δόθηκε προς τιμή του μεγάλου πρωτοπόρου χημικού Mendeleev. Η σύνθεση του στοιχείου αυτού με ατομικό αριθμό 101 ήταν η περισσότερο δραματική. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι η τεχνολογία της ανταλλαγής ιόντων αναπτύχθηκε αρκετά, ώστε να μπορούν να συνθέτουν νέα στοιχεία σε μη ζυγίσιμες ποσότητες. Υπολόγισαν θεωρητικά ότι για την παραλαβή ενός ατόμου μεντελέβιου απαιτούντο για στόχο 10 9 άτομα αϊνστάνιου. Όμως η αυθόρμητη και άμεση σχάση του μεντελέβιου έκανε την ανίχνευση δύσκολη. Το μεντελέβιο παρασκευάζεται από το αϊνστάνιο με βομβαρδισμό με πυρήνες ηλίου: (4.14) Χημικά το μεντελέβιο είναι και αυτό τρισθενές στοιχείο.

11 4.3.7 ΝΟΜΠΕΛΙΟ (NOBELIUM, N) 11 T 1957 ομάδες ερευνητών στο Εργαστήριο ArgnneLab, της Αμερικής, στο Ερευνητικό Ίδρυμα Ατομικής Ενέργειας (Atmic Energy Research Establishment) της Αγγλίας και στο Ινστιτούτο Φυσικής Nbel της Σουηδίας ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του στοιχείου με ατομικό αριθμό 102. Το στοιχείο προήλθε από τον βομβαρδισμό του κούριου με άτομα άνθρακα-13 σύμφωνα με την αντίδραση: 244 Cm(13C,4n) 253 N (4.15) Επειδή ο χρόνος ημιζωής του νομπέλιου (προς τιμή του Nbel) ήταν λίγα δευτερόλεπτα οι επιστήμονες στην Αμερική και Ρωσία άργησαν να το προσδιορίσουν, αν και η ονομασία του είχε γίνει αποδεκτή. (4.16) Ο χημικός προσδιορισμός στηρίχθηκε στο θυγατρικό στοιχείο φέρμιο-250 που έχει χρόνο ημιζωής 30 min.

12 4.3.8 ΛΩΡΕΝΣΙΟ (Lr) 12 Το στοιχείο αυτό με ατομικό αριθμό 103 έλαβε το όνομά του από τον Lawrence, τον εφευρέτη του κύκλοτρον. Παρασκευάσθηκε το 1961 από τον Ghirs, ο οποίος χρησιμοποίησε για στόχο το καλιφόρνιο και για βλήμα ταχέα ιόντα βορίου: (4.17) (4.18)

13 4.3.9 ΡΑΔΕΡΦΟΡΔΙΟ (RUTHERFORDIUM, Rf) ΚΑΙ ΝΤΟΥΜΠΝΙΟ (DUBNIUM, Db) 13 Τα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 104 και 105 έλαβαν το όνομά τους από τον Ράδερφορντ (Rutherfrd) και την πόλη της Ρωσίας Ντούμπνα (Dubna), αντίστοιχα. Γενικά για την παρασκευή των στοιχείων με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 103 χρησιμοποιήθηκαν ως στόχοι βαρείς πυρήνες, ενώ τα βλήματα ήταν πυρήνες μεσαίας μάζας: 242 Pu( 22 Ne,5n) 259 Rf (4.19) 249 Bk( 18 O,5n) 262 Db (4.20)

14 ΣΗΜΠΟΡΓΚΙΟ, ΜΠΟΡΙΟ, ΧΑΣΙΟ, ΜΑΪΝΤΕΡΙΟ 14 Μέχρι το 1989 είχαν μελετηθεί τα στοιχεία μέχρι τον ατομικό αριθμό Ζ=109. Τα στοιχεία με Ζ=106 κjint Institute fr Nuclear Researchαι 107 παρασκευάσθηκαν στην Dubna της Ρωσίας () και με Ζ=108 και 109 στο ινστιτούτο έρευνας βαρέων ιόντων (Institute fr Heavy- In research, GSI) στο Darmstadt της Γερμανίας. 207 Pb( 54 Cr,n) 260 Sg (4.21) 209 Bi( 54 Cr,2n) 261 Bh 207 Pb( 58 Fe,n) 265 Hs 209 Bi( 58 Fe,n) 266 Mt (4.22) (4.23) (4.24) Στην Γερμανία έχουν ήδη παρασκευασθεί τα στοιχεία με ατομικό αριθμό 110, 111 και 112, αλλά δεν έχουν δοθεί τα ονόματά τους ούτε έγινε ο πλήρης χαρακτηρισμός τους.

15 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.