ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 1. ΜΕΤΑΠΤΩΣΕΙΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα
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.
3.1 ΜΕΤΑΠΤΩΣΕΙΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 3 Από την αρχή της ανακάλυψης των ραδιενεργών στοιχείων παρατηρήθηκαν στα άλατα του ουρανίου ότι υπήρχαν και άλλα περισσότερο δραστικά συστατικά από ότι ήταν το ουράνιο. Τα δραστικά αυτά υλικά είχαν τις ρίζες τους στα γνωστά τότε στοιχεία ράδιο, θόριο, πολώνιο και ουράνιο. Για τον χαρακτηρισμό των δραστικών αυτών συστατικών χρησιμοποίησαν τους συμβολισμούς RaA που αντιστοιχούσε στο γνωστό σήμερα ισότοπο του 210 Po ή τον συμβολισμό UX 2 που αντιστοιχεί στο ισότοπο 234m Pa. Οι Rutherford και Soddy σε μία δημοσίευση το 1902 πρότειναν τον όρο ατομικά θραύσματα επειδή πίστευαν ότι δεν ήταν καθαρά στοιχεία. Επίσης εισήγαγαν τον όρο μεταμπολόν (metabolon) για να περιγράψουν την μεταβλητότητά τους. Αργότερα το 1911 και 1913 οι Soddy και Fajans καθόρισαν την πραγματική φύση των προϊόντων διάσπασης του ουρανίου και θορίου και τα κατέταξαν στον Περιοδικό Πίνακα. Είναι γνωστό ότι στην φύση υπάρχουν εκατομμύρια φυσικά και τεχνητά υλικά. Τα υλικά όμως αυτά αποτελούνται από 100 περίπου δομικές μονάδες, τα στοιχεία. Ολα τα στοιχεία των οποίων ο ατομικός αριθμός είναι μεγαλύτερος από 83 (βισμούθιο, Bi) δεν έχουν σταθερό πυρήνα και ονομάζονται ραδιενεργά.
3.1 ΜΕΤΑΠΤΩΣΕΙΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 4 Τα ραδιενεργά στοιχεία μετά από μία αλληλουχία μεταπτώσεων τείνουν να αποκτήσουν την μικρότερη δυνατή ενέργεια, αποδίδοντας την πλεονάζουσα με μορφή ακτινοβολίας (α, β, γ). Ο Soddy διαπίστωσε ότι όταν ένα ραδιενεργό στοιχείο εκπέμπει ακτίνες α, τότε ο ατομικός αριθμός μεταβάλλεται κατά δύο μονάδες, και επομένως η θέση του στον Περιοδικό Πίνακα μεταφέρεται κατά δύο θέσεις αριστερά του μητρικού, ενώ ο μαζικός αριθμός θα μεταβληθεί κατά τέσσερις μονάδες (Σχήμα 2.12). Στην περίπτωση κατά την οποία εκπέμπουν ακτίνες β ο μαζικός αριθμός παραμένει σταθερός, ενώ ο ατομικός αριθμός αυξάνει κατά μία μονάδα και επομένως το νέο στοιχείο βρίσκεται κατά μία θέση προς τα δεξιά του μητρικού στοιχείου. Επειδή στον Περιοδικό Πίνακα των στοιχείων δεν υπήρχε αντίστοιχος αριθμός κενών θέσεων δημιουργήθηκε πρόβλημα. Για την επίλυση του προβλήματος που προέκυψε το 1913 ο Soddy διατύπωσε την έννοια του ισοτόπου. Αυτό σήμαινε ότι τα ισότοπα μπορούσαν να καταλάβουν την ίδια θέση στον Περιοδικό Πίνακα. Ο Aston το 1919 επιβεβαίωσε την άποψη αυτή με την χρήση ενός ευαίσθητου φασματογράφου μάζας και κατέγραψε το ισότοπο του Ne. Αργότερα, το 1935 ο HaroldUrey έλαβε το Nobel για την ανακάλυψη του δευτερίου το βαρύ και σταθερό ισότοπο του υδρογόνου.
3.1 ΜΕΤΑΠΤΩΣΕΙΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 5 Τα μεταβλητά στοιχεία τα κατέταξαν σε τρεις οικογένειες, ανάλογα από το στοιχείο προέλευσης. Κατά τον Soddy η αλληλουχία μεταβολής των τριών σειρών άρχιζε από τα μητρικά στοιχεία 235 U, 238 U και 232 Th. Οι Soddy και Fajans διατύπωσαν την άποψη ότι όλα τα θυγατρικά προϊόντα από τις τρεις σειρές παρουσιάζουν ομοιότητες. Για παράδειγμα τα αέρια προϊόντα σε κάθε μία από τις τρεις σειρές παρουσιάζουν ομοιότητες και συνδέονται με την ομάδα VIIIA του Περιοδικού Πίνακα και αντιστοιχούν στα ευγενή αέρια. Τρεις από τις σειρές αυτές περιέχουν τα φυσικά ραδιενεργά στοιχεία και είναι η σειρά του ουρανίου, θορίου και ακτινίου. Οι τρεις αυτές σειρές περιλαμβάνουν ως θυγατρικό προϊόν το αέριο ραδιενεργό στοιχείο ραδόνιο και καταλήγουν σε σταθερά ισότοπα του μολύβδου.
3.1.1 ΣΕΙΡΑ ΟΥΡΑΝΙΟΥ ( 238 U) ή 4n+2 6 Η σειρά του ουρανίου αρχίζει από το ουράνιο-238 και καταλήγει στο σταθερό ισότοπο του μολύβδου με μαζικό αριθμό 206. Κατά την μετάβασή του στην σταθερή κατάσταση περνά από 14 μεταπτώσεις εκ των οποίων οι 8 εκπέμπουν ακτίνες α και οι 6 ακτίνες β. Δεδομένου ότι εκπέμπεται μεγάλος αριθμός ακτίνων α, συνεπάγεται ότι η μάζα θα μεταβάλλεται κατά μέγεθος 4n. Η μετάπτωση που ακολουθεί το ουράνιο-238 χαρακτηρίζεται από μεταβολή στον μαζικό αριθμό που ακολουθεί την σχέση 4n+2, όπου n ακέραιος. Στον Πίνακα 3.1 δίνονται οι μεταπτώσεις του ουρανίου- 238, που καταλήγει σε μόλυβδο-206. Πίνακας 3.1. Μετάπτωση του 238 U σε σταθερό 206 Pb ή σειρά 4n+2
3.1.2 ΣΕΙΡΑ ΘΟΡΙΟΥ ( 232 Th) 7 Το θόριο με μαζικό αριθμό 232 είναι το μητρικό στοιχείο της σειράς με χαρακτηριστική μάζα μετάπτωσης 4n, όπου n ακέραιος αριθμός. Το θόριο μεταπίπτει στο σταθερό ισότοπο του μολύβδου με μαζικό αριθμό 208. Στον Πίνακα 3.2 φαίνονται τα στοιχεία μετάπτωσης του θορίου-232 προς το σταθερό ισότοπο του μολύβδου-208. Για τη σειρά του θορίου είναι εύκολο από το τελικό προϊόν να υπολογίσουμε τον αριθμό των εκπεμπόμενων ακτίνων α και β. Για τον σκοπό αυτό αρκεί να αφαιρέσουμε τον μαζικό αριθμό του τελικού θυγατρικού νουκλιδίου (Α) από τον μαζικό αριθμό του μητρικού, οπότε βρίσκουμε την ολική μεταβολή του μαζικού αριθμού. Αφού για κάθε ακτίνα α έχουμε μείωση κατά 4 νετρόνια, αρκεί να διαιρέσουμε την μεταβολή του μαζικού αριθμού διά 4. Η εκπομπή όμως των ακτίνων α μειώνει τον ατομικό αριθμό κατά 2 και επομένως η μεταβολή του ατομικού αριθμού λόγω της εκπομπής των ακτίνων α υπολογίζεται αν πολλαπλασιάσουμε τον αριθμό των ακτίνων α επί δύο.
3.1.2 ΣΕΙΡΑ ΘΟΡΙΟΥ ( 232 Th) 8 Η εκπομπή των ακτίνων β δεν μεταβάλλει τον μαζικό αριθμό, αλλά αυξάνει τον ατομικό κατά μία μονάδα. Έτσι για κάθε δύο ατομικούς αριθμούς που αφαιρούμε ανά ακτίνα α πρέπει να προσθέτουμε έναν ατομικό αριθμό για κάθε εκπομπή ακτίνων β. Έτσι η διαφορά των ατομικών αριθμών του μητρικού και του θυγατρικού νουκλιδίου πρέπει να είναι δύο φορές ο αριθμός των εκπεμπομένων ακτίνων α μείον τον αριθμό των εκπεμπομένων ακτίνων β. Για παράδειγμα στη σειρά του θορίου έχουμε τελικό προϊόν μόλυβδο-208. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των μεταπτώσεων α και β εργαζόμαστε ως εξής: Ο αριθμός των εκπεμπομένων ακτίνων α είναι: (232-208)/4=6. Η μείωση επομένως του ατομικού αριθμού είναι: 6x2=12. Η διαφορά των ατομικών αριθμών μεταξύ μητρικού και θυγατρικού νουκλιδίου είναι: 90-82=8. Επομένως ο αριθμός των μεταπτώσεων β είναι: 12-8=4. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι για την μετατροπή του θορίου-232 σε μόλυβδο-208 λαμβάνουν χώρα 6 εκπομπές ακτίνων α και 4 ακτίνων β. (3.1)
3.1.2 ΣΕΙΡΑ ΘΟΡΙΟΥ ( 232 Th) 9 Πίνακας 3.2. Μετάπτωση του 232 Th σε σταθερό 208 Pb ή σειρά 4n
3.1.3 ΣΕΙΡΑ ΤΟΥ ΠΟΣΕΙΔΩΝΙΟΥ (4n+1) 10 Η σειρά αυτή του ποσειδωνίου πρέπει να ίσχυε την στιγμή της δημιουργίας της Γης, αλλά δεν συμπεριλαμβάνεται στις φυσικές σειρές μετάπτωσης. Παράγεται από το ουράνιο 235. Το 237 Np έχει χρόνο ημιζωής 2,14x10 6 έτη και πιστεύεται ότι έχει καταναλωθεί στα 4,7x10 9 έτη που υπολογίζεται ο χρόνος σχηματισμού της Γης. Το συμπέρασμα αυτό εξάγεται από το γεγονός ότι το ποσειδώνιο δεν υπάρχει μεν ελεύθερο στη φύση, αλλά μπορούν να παρασκευασθούν θυγατρικά νουκλίδια ως προϊόντα της τεχνητής διάσπασής του. Η αλυσιδωτή αντίδραση γίνεται με πέντε διασπάσεις α και τέσσερις β, το δε τελικό σταθερό νουκλίδιο είναι το 209 Bi και 205 Th.
3.1.4 ΣΕΙΡΑ ΤΟΥ ΑΚΤΙΝΙΟΥ (4n+3) 11 Η σειρά ακτινίου με χαρακτηριστική σχέση μετάπτωσης 4n+3 αρχίζει με μητρικό στοιχείο το ουράνιο-235. Ιστορικά μπορεί να αναφερθεί ότι η αρχική ονομασία ήταν ακτινοουράνιο (AcU). Στη σειρά αυτή το ραδιοϊσότοπο του ουρανίου-235 μεταπίπτει στο σταθερό ισότοπο του μολύβδου με μαζικό αριθμό 207. Η μεταβολή των ραδιοϊσοτόπων της σειράς αυτής φαίνεται στον Πίνακα 3.3. Πίνακας 3.3. Μετάπτωση του 235U σε 207Pb ή σειρά ακτινίου ή 4n+3
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.