JADERNÁ CHEMIE včera, dnes a zítra

Transkript

1 JADERNÁ CHEMIE včera, dnes a zítra J. John (john@fjfi.cvut.cz) U3V

2 Obsah Část 1 Pravěk Objev radioaktivity Starověk Objevy radioaktivních prvků v přírodě Výroba radia v Jáchymově Vsuvka: Pojmy a definice Středověk Objev štěpení Plutonium Část 2 Novověk Kompletování Mendělejevovy tabulky Aplikace jaderná energie, zbraně, analytika. Současnost a budoucnost Supertěžké elementy Separace pro transmutaci Datování Radionuklidové zdroje elektřiny Radiofarmaceutická chemie Jaderná chemie v České republice 2

3 Pravěk: Objev radioaktivity 1896 při zkoumání fluorescence uranových solí objevil přirozenou radioaktivitu. V roce 1903 získal Nobelovu cenu za fyziku společně s Curie-ovými. Akademik František Běhounek ( ) Behounek_Uran.mp4 (Antoine) Henri Becquerel ( ) Foto

4 Starověk: Objev polonia a radia Předpověď: Mendělejev. Objev 1898 (Marie Curie-Skłodowska) smolinec z Jáchymova, uranové zbytky první RAO (TENORM) 4

5 Objev polonia a radia 2 x Nobelova cena: 1903 fyzika (Pierre Curie, Henri Becquerel) 1911 chemie (izolace čistého radia) 5

6 Objev polonia a radia 6

7 Objev polonia a radia 7

8 Přírodní radionuklidy Primordiální, členy přeměnových řad, kosmogenní ( 14 C, 3 H.) Nuklid % Rozpad T 1/2 (let) 40 K 0,0119 β -, EZ 1, Ca 0,187 β - β - 4, Ge 7,83 β - β - 1, Rb 27,85 β Mo 9,67 β - β - 8, In 95,67 β Te 31,74 β - β - 2, Te 34,08 β - 7, La 0,089 β -, EZ Sm 15,07 α 1, Lu 2,60 β -, EZ 3, Re 62,93 β - 4, Bi 100 a 1,

9 Izotopy uranu Přírodní radionuklidy 9

10 Přírodní radionuklidy Celkem v přírodě cca 70 radionuklidů 70 kg reference man : 4400 Bq 40 K 3600 Bq 14 C Příjem stravou: 40 mbq/den 238 U, 226 Ra, a 210 Po Potraviny bohaté na draslík banány! Aktivita ve vzduchu: ~ 6 mbq/l 222 Rn Zemská kůra: ~10 ppm Th a ~4 ppm U. Dominantní část vnitřního tepla Země je dána příspěvkem radioaktivních přeměn U, Th, a K 10

11 I.A Výroba radia v Jáchymově 1 2 H II.A 88 Ra III.A IV.A V.A VI.A VII.A Li Be B C N O F Ne VII.B Na Mg Al Si P S Cl Ar III.B IV.B V.B VI.B I.B II.B K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Ln Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn VIII.A He Fr Ra An Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg 112 Cn 113 Uut 114 Fl 115 Uup 116 Lv 117 Uus 118 Uuo Lanthan(o)idy La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Aktin(o)idy Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Umělé cisuranové (mimo řady) Cisuranové / Přírodní Transuranové Transaktin(o)idy 11

12 Výroba radia v Jáchymově Do poloviny 20. století jediný prakticky využitelný zářič 1 g 226 Ra obsažen v kg uranu ,3 g ~ 100 g Radium_vyroba.mp4 12

13 (H)Různé příklady využití radia Téměř do současnosti brachyterapie 13

14 14

15 Vsuvka: Pojmy a definice Radiochemie Obor, který využívá chemických poznatků ke studiu radioaktivity a radioaktivních látek pro výzkum v oblasti chemie. Jaderná chemie Obor, který se zabývá vlastnostmi hmoty a jevy chemické a fyzikálně chemické povahy jejichž původcem je nebo na nichž se podílí jádro atomu a jeho přeměny a který využívá vlastností jádra a jeho projevů ke studiu a řešení chemických problémů. Radiochemie Chemie stabilních izotopů Radiační chemie (chemické účinky jaderného záření) 15

16 Pojmy a definice nuklid Nuklid je soubor atomů, které mají stejný počet protonů (Z) a stejný počet neutronů (N) Vztahy mezi nuklidy: Izotop Stejné Z, různé N H - D T, 3 He - 4 He Izobar Stejné A (suma Z a N) 3 1 H(T) 3 2He Izoton Stejné N, různé Z 6 3 Li - 7 4Be Izomer Nuklid v excitovaném stavu 99 Tc - 99m Tc 16

17 Pojmy a definice radioaktivní přeměny 1. Přeměna a (těžké prvky) Ra 2. Přeměna I Xe Rn 3. Přeměna + (emise pozitronu) Na Ne 4. Přeměna EZ (elektronový záchyt) Al Spontánní štěpení 4 2 a Energie 26 Mg Cf 54Xe 44Ru Energie 1 0 Energie Energie n Energie 17

18 Pojmy a definice detekce záření Kontinuální mlžná komora sklo kapalina; T 2 okénko okénko T 2 > T 1 DT = 0 kapalina; T 1 18

19 Pojmy a definice Tabulka nuklidů Z +,EZ a N 19

20 Pojmy a definice jaderné reakce Monomolekulární (radioaktivní přeměna) Binukleární Zápis 14 7 N 4 2 He Zkráceně: Q > 0: exoergické Q < 0: endoergické O N(a, 1 1 p) Reakce vyšších řádů neznáme, ALE... H 17 O Q 20

21 Pojmy a definice - aktivita Aktivita A dn/dt = ln = A [s -1 ] A = A 0 e lt Statistický charakter radioaktivní přeměny Přeměnová konstanta l Pravděpodobnost přeměny v časové jednotce Poločas přeměny T 1/2 T 1/2 = ln 2 / l 21

22 Pojmy a definice - veličiny veličina SI stará vztah aktivita dávka dávkový ekvivalent Becquerel (Bq) [s -1 ] Gray (Gy) [J kg -1 ] Sievert (Sv) [Gy QF] Curie (Ci) RAD (rad) [100 ERG g -1 ] REM (rem) [RAD QF] 1Bq = 0, Ci 1Ci = 3, Bq 1Gy = 100 rad 1rad = 10-2 Gy 1Sv = 100 rem 1rem = 10-2 Sv jakostní faktor (Quality Factor) fotony 1 n (E n ϵ <1keV; 500 kev) 8 e -, β (E max > 30keV) 1 n (E n ϵ <500keV; 10 MeV) 10 e -, β (E max < 30keV) 1,7 p, α 10 n t 3 jádra, štěpné fragmenty 20 n (E n ϵ <0,5eV; 1keV) 2,5 22

23 Středověk: Objev štěpení 1934 Fermi snaha o přípravu transuranových elementů 1939 Hahn + Strassman α β - β U(n,α) 235 Th 231 Ra ( 231 Ac 231 Th) x 235 U(n,γ) 236 U A 1Y 1 + A 2Y 2 + νn + Q Z 1 Z 2 Iréne Jolit-Curie (1938), Hahn a Strassman (1939): (Joliot-Curie: Nobelova cena za chemii 1935 za objev umělé radioaktivity) Chemický důkaz Ba a La ve směsi produktů ozřování: Označení směsi 228 Ra, separace Ra Ba. Neznámá aktivita se od 228 Ra oddělí není to Ra, ale Ba štěpení (Meitnerová + Frische) 23

24 Štěpení Štěpné reakce kontrola neutronové bilance pomocí absorbátorů, geometrie, počtu štěpitelných jader podkritické x nadkritické množství Produkce energie X Jaderné zbraně 24

25 k = N n+1 N-tá generace N m = N 0 k m Řetězová štěpná reakce k < 1 Př.: N 0 = 100 k = 0,99 N m = 1 pro m = n = N 0 (1 + k + k 2 + ) = k = 1 N i = N 0 k > 1 N n N divergentní řetěz dn Nn 1 N dt T 0,69 k 1 n N 1 k 1 Př.: N 0 = 100 k = 1,01 τ = 10-8 s N i 2 N 0 1-k = n N N 0 e k 1 1 t [s] N [ 1 n]

26 Štěpení přírodní reaktor Oklo Oklo (Gabon, west Africa) - deposit of uranium with only 0.44% (some as low as 0.29%) U-235 compared to the normal 0.72% discovered. Also, fission-produced isotopes of neodynium and samarium were found. Models suggest sustained fission reactions over a period of about a million years during a time period about two billion years ago (ground water seeping through the ore served as a natural moderator). One of the interesting observations: the bulk of the fission products is still in place in their geologic depository after nearly 2 billion years. Suggests that geologic storage of radioactive waste is feasible. 26

27 Plutonium 1940 SEABORG, McMILLAN, KENNEDY, WAHL 238 U(d,2n) 238 Np 238 Np ( 234 U 4n+2) 1941 KENNEDY, SEABORG, SEGRÈ, WAHL β - β - 2,1d 238 U(n,γ) 239 U 239 Np 239 Pu ( 235 U 4n+3) 23,5 m α 86,4 a β - 2,3 d α a MANHATTAN PLUTONIUM PROJECT (Hanford) 2,77 μg PuO 2!!! Seaborg.mov 27