ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΗΤΑ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΑ 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 1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2. ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ 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 4.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 3 Μέχρι το 1934 τα μόνα ραδιενεργά στοιχεία που μελετήθηκαν ήταν τα φυσικά, δηλαδή ένας πυρήνας έσπαζε σε δύο άλλα στοιχεία με σύγχρονη παραγωγή 2-3 νετρονίων. Η σχάση αυτή χαρακτηρίζεται ως αυθόρμητη ή φυσική. Τον Ιανουάριο του 1934 η I. Curie (κόρη της MmeCurie) και ο F. Jlit ανακοίνωσαν ότι το βόριο, το αλουμίνιο και το μαγνήσιο μπορούσαν να μετατραπούν σε ραδιενεργά αν βομβαρδίζονταν με ακτίνες α προερχόμενες από πολώνιο. Η σπουδαία αυτή ανακάλυψη έγινε στην προσπάθεια των I. Curie και F. Jlit να παραλάβουν ποζιτρόνια από τα στοιχεία αυτά με βομβαρδισμό με ακτίνες α. Τα ποζιτρόνια είχαν ανακαλυφθεί δύο χρόνια γρηγορότερα από τον C.D. Andersn, ως συστατικό της κοσμικής ακτινοβολίας. Η σειρά των τεχνητών ραδιοϊσοτόπων εκπροσωπείται από το ραδιονουκλίδιο του ποσειδωνίου ( 237 Np) και δεν περιλαμβάνει το στοιχείο ραδόνιο ως θυγατρικό. Επίσης το σταθερό στοιχείο στο οποίο καταλήγει δεν είναι ο μόλυβδος αλλά το βισμούθιο (Bi).

4 4.2 ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ 4 Στις πυρηνικές αντιδράσεις, οι πυρήνες αντιδρούν με άλλους πυρήνες ή άλλα στοιχειώδη σωμάτια, όπως νετρόνια, πρωτόνια ή ακτίνες γ, ώστε να παραχθούν σε χρόνο της τάξεως των 10-2 s νέοι πυρήνες και ελαφρά σωμάτια. Οι συνηθέστερες πυρηνικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν την επίδραση ελαφρών σωματιδίων (νετρόνια, πρωτόνια, κ.λπ.). Οι αυθόρμητες αντιδράσεις σχάσης δεν συμπεριλαμβάνονται στις πυρηνικές αντιδράσεις. Η πλέον κλασσική αντίδραση είναι η μετατροπή του 14 Ν σε 17 Ο. Ο Rutherfrd βομβάρδισε άζωτο με ακτίνες α και παρατήρησε την εμφάνιση παλμών σε μία οθόνη από θειούχο ψευδάργυρο, ακόμη και αν παρεμβαλλόταν ανάμεσα από την οθόνη και το άζωτο μεγάλη ποσότητα κάποιου υλικού (ώστε να καταστεί μεγάλο το πάχος διαδρομής). Στη συνέχεια με συστηματικά πειράματα απέδειξε ότι τα παραγόμενα σωμάτια ήταν πρωτόνια. Η αντίδραση (4.1) δίνει την μετατροπή του Ν σε Ο: (4.1)

5 4.2 ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ 5 Μέχρι το 1919 χιλιάδες διαφορετικές αντιδράσεις είχαν μελετηθεί. Η αναγνώριση του είδους των προϊόντων μιας πυρηνικής αντίδρασης, στην περίπτωση όπου αυτά είναι ασταθή, είναι εύκολο να γίνει μόνο με βάση την εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Ο Φωσφόρος 30 ( 30 Ρ), ο οποίος ανακαλύφθηκε από τον Jlit και την Curie, εκπέμπει ποζιτρόνια και λαμβάνεται ως προϊόν της πυρηνικής αντίδρασης του 27 Al με ακτίνες α, σύμφωνα με την αντίδραση (4.2): (4.2) Πρέπει να σημειωθεί ότι οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ανάλογες με τις χημικές. Έτσι στις πυρηνικές αντιδράσεις στο αριστερό μέρος γράφονται τα αντιδρώντα στοιχεία και τα προϊόντα στο δεύτερο μέρος. Στις χημικές αντιδράσεις στο πρώτο μέρος γράφονται τα αντιδρώντα μόρια και στο δεύτερο μέρος τα προϊόντα. Στις πυρηνικές αντιδράσεις ισχύει η διατήρηση του αθροίσματος των ατομικών και μαζικών αριθμών και όχι των μαζών. Αντίθετα στις χημικές αντιδράσεις ισχύει η διατήρηση των ατομικών (γραμμο-άτομα) και μοριακών (γραμμομόρια) βαρών.

6 4.2 ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ 6 Επομένως κατά την μετατροπή του 14 Ν σε 17 Ο το άθροισμα των μαζών στο πρώτο μέρος 14 Ν+α (Ν+He) που είναι ίσο με 18,01139 διαφέρει από το άθροισμα των μαζών στο δεύτερο μέρος 17 Ο+p (Ο+H) που ισούται με 18,01268 κατά 0, Αν η ποσότητα αυτή πολλαπλασιασθεί με την μονάδα μάζας (931 MeV) προκύπτει ότι η ενέργεια μετατροπής είναι 1,20 MeV. Στις ραδιοχημικές αντιδράσεις δεν ισχύει η αρχή διατήρησης των μαζών, αλλά το άθροισμα μαζών και ενέργειας. Αντίθετα δηλαδή με τις χημικές αντιδράσεις στις ραδιοχημικές τα στοιχεία του πρώτου μέρους της αντίδρασης δεν είναι ίδια με τα στοιχεία στο δεύτερο μέρος. Επίσης πρέπει να τονισθεί ότι μόνον η ενέργεια, η στροφορμή, γωνιακή στροφορμή διατηρούνται. H σπουδαιότερη διαφορά μεταξύ χημικής και ραδιοχημικής αντίδρασης βρίσκεται στο μέγεθος της εκλυόμενης ενέργειας. Στις χημικές αντιδράσεις η θερμότητα εκφράζεται σε cal/ml ή kcal/ml. Στις ραδιοχημικές αντιδράσεις η ενέργεια εκφράζει την ενέργεια που παράγεται ή καταναλώνεται κατά την μετατροπή ενός νουκλιδίου και προφανώς η ενέργεια είναι αρκετά μεγάλη.

7 4.2 ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ 7 Για την μετατροπή 1g 14 N σε 17 Οαπαιτείται ενέργεια ίση προς: 1x6,02x10 23 x4,60x10-4 cal=2,77x10 10 cal. Η ποσότητα αυτή είναι περίπου 10 5 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη που απαιτείται σε κλασσικές χημικές αντιδράσεις. Για τον συμβολισμό μίας ραδιοχημικής αντίδρασης τοποθετούμε σε παρένθεση το σωματίδιο βλήμα, μετά βάζουμε κόμμα και γράφουμε το παραγόμενο σωματίδιο, ενώ αριστερά και δεξιά της παρένθεσης γράφονται ο στόχος-πυρήνας και το παραγόμενο νουκλίδιο, αντίστοιχα. 14 Ν(α,p) 17 Ο, ή 27 Α1(α,n) 30 Ρ Τα γράμματα α,β,γ,χ,n,p συμβολίζουν τις ακτίνες α,β,γ,χ, νετρόνια και πρωτόνια, αντίστοιχα.

8 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.