Исследовательская работа "Радиоактивные элементы таблицы Д.И. Менделеева"
Вложение | Размер |
---|---|
![]() | 1004.5 КБ |
Управление образования Брянская городская администрация
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
''Гимназия№1'' г.Брянск
Исследовательская работа
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА Предметная область-химия |
Выполнил: Холмирзаев Александр
ученик 4 д класса
Руководитель: Ращинская И.С.
Брянск 2015
СОДЕРЖАНИЕ
1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ - АКТИНОИДЫ 4
5. ИСТОЧНИКИ РАДИОАКТИВНОСТИ И МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ В БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ 10
Человек всегда был подвержен воздействию естественной радиации. В настоящее время он широко использует в своей деятельности, не только радиоактивные элементы, которые присутствуют в природных минералах, но и получает новые в результате нейтронных реакций.
Актуальность темы данной работы определена проблемами безопасного для окружающей среды и человека изучения и использования радиоактивных элементов.
Целью данного исследования являются систематизация, закрепление, расширение и углубление знаний о радиоактивных элементах таблицы Менделеева.
Для достижения поставленной цели следует решить определенные задачи: рассмотреть основные характеристики актиноидов, провести анализ свойств урана, нептуния и плутония, ознакомиться с историей их открытия и сферой применения в науке, медицине, промышленности и технике.
Объектом исследования данной работы являются радиоактивные элементы таблицы Менделеева – актиноиды.
Предмет исследования – история открытия, свойства и область использования в деятельности человечества актиноидов: урана, нептуния и плутония.
Гипотеза заключается в предположении о том, что радиоактивные элементы играют большую роль не только в деятельности человека, но и в жизни нашей планеты, как источники энергии.
В ходе решения поставленных задач предусматривается применение различных методов исследования: описательный метод; метод сравнения и анализа; системный подход.
Практическая значимость данной работы заключается в формировании у автора работы знаний и представлений о радиоактивности.
Актиноиды (актиниды), семейство из 14 радиоактивных элементов III группы 7-го периода периодической системы (атомный номер 90-103), следующих за актинием: торий Th, протактиний Ра, уран U, нептуний Np, плутоний Ри, америций Am, кюрий Cm, берклий Bk, калифорний Cf, эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, нобелий No и лоуренсий Lr (для последних двух элементов название не общепринято). Актиноиды объединяются в особую группу благодаря сходству конфигураций внешних электронных оболочек их атомов, что определяет близость многих химических свойств. Гипотеза о существовании в 7-м периоде семейства актиноидов была выдвинута Гленном Теодором Сиборгом в начале 1940-х гг.
Актинидные металлы высокоэлектроположительны и реагируют с водяным паром, кислородом и, в мелкодисперсном состоянии, с азотом воздуха. Оксиды актинидов восстанавливаются при высоких температурах металлическим лантаном или торием. Металлические актиниды могут быть получены из реакционной смеси достаточно чистым путём возгонки металла. Восстановление оксидов является предпочтительным способом для получения от милиграмовых до граммовых количеств америция, кюрия, берклия, калифорния и энштейния. Металлический уран, торий и плутоний получаются при обычных технологических операциях.
Многие современные исследования металлического состояния актиноидов требуют очень чистых металлов.
Актиноиды – это серебристо-белые металлы, темнеющие на воздухе; в мелкораздробленном состоянии реакционноспособны. Плотность большинства актиноидов близка к 20 г/см3. Наиболеее легкоплавки нептуний и плутоний (температура плавления около 640 °С), остальные плавятся при температуре выше 1000°С. Температура кипения актиноидов превышает 3000°С.
Основным применением актинидных элементов является производство ядерной энергии.
Трудно сказать, какое имя дал бы немецкий ученый Мартин Клапрот открытому в 1789 году элементу, если бы за несколько лет до этого не произошло событие, взволновавшее все круги общества. В 1781 году английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа звездное небо, обнаружил светящееся облачко, которое он поначалу принял за комету, но в дальнейшем убедился, что видит новую, неизвестную ранее седьмую планету солнечной системы. В честь древнегреческого бога неба Гершель назвал ее Ураном. Находившийся под впечатлением этого события, Клапрот дал новорожденному элементу имя новой планеты.
Спустя примерно полвека, в 1841 году, французский химик Эжен Пелиго сумел впервые получить металлический уран. Промышленный мир остался равнодушным к тяжелому, сравнительно мягкому металлу, каким оказался уран. Его механические и химические свойства не привлекли ни металлургов, ни машиностроителей. Лишь стеклодувы Богемии да саксонские мастера фарфоровых и фаянсовых дел охотно применяли окись этого металла, чтобы придать бокалам красивый желто-зеленый цвет или украсить блюда затейливым бархатно-черным узором.
О «художественных способностях» урановых соединений знали еще древние римляне. При раскопках, проведенных близ Неаполя, удалось найти стеклянную мозаичную фреску удивительной красоты. Археологи были поражены: за два тысячелетия стекла почти не потускнели. Когда образцы стекол подвергли химическому анализу, оказалось, что в них присутствует окись урана, которой мозаика и была обязана своим долголетием.
Ученые были лишь весьма поверхностно знакомы с металлическим ураном. Но создатель периодической системы, Дмитрий Иванович Менделеев, в 1872 году, когда большинство ученых считало уран на фоне многих ценных элементов своего рода «балластом», сумел предвидеть его поистине блестящее будущее. Предсказание великого ученого сбылось менее чем через четверть века: французский физик Анри Беккерель, 1марта 1896 года проводя эксперименты с солями урана, совершил открытие его радиоактивности, которое по праву относится к величайшим научным открытиям, когда-либо сделанным человеком.
В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. 23 ноября 1896 года на заседании Академии наук Муассан сделал доклад о работах по получению чистого урана, а Беккерель рассказал о новом свойстве, присущем этому элементу, которое заключалось в самопроизвольном делении ядер его атомов. Это свойство было названо радиоактивностью.
Открытие Беккереля ознаменовало собой начало новой эры в физике — эры превращения элементов. Отныне атом уже не мог считаться единым и неделимым — перед наукой открывался путь в глубины этого «кирпичика» материального мира.
В 1940 году ученые Г. Флеров и К. Петржак под руководством И. В. Курчатова открыли самопроизвольное деление урана: распад его ядра без действия внешних причин. В 1942 году был пущен первый атомный реактор, открывший эру использования энергии атомного ядра.
Пуск первой атомной электростанции положил начало развитию новой отрасли техники — ядерной энергетики. Уран стал мирным горючим XX века.
Но не стоит забывать об опасности радиации. Миллионы людей пострадали от воздействия радиации. Среди них больше 100 000 погибли из-за ужасной аварии на Чернобыльской АЭС, которая произошла 26 апреля в 1986 году. Да и сейчас территория около ЧАЭС заражена и не пригодна для житья. Так же к трагическим последствиям привела недавняя авария на АЭС «Фукусисма-1», которая произошла в марте 2011 года в Японии. Там была создана 20-километровая зона отчуждения, из которой было переселено более 120 тысяч жителей. Японцам в определённом смысле повезло: около 80% радиоактивных веществ, которые оказались снаружи атомной станции, поглотил океан. Если бы все эти элементы попали в почву, в грунтовые воды и непосредственно на растения, животных и людей, масштабы катастрофы были бы в густонаселённой Японии куда выше.
Но и без аварий не так всё гладко. Перед человечеством стоит важнейшая проблема — уничтожение образующихся радиоактивных отходов.
Нептуний - первый открытый трансурановый элемент и первый очищенный искусственный трансуран. Хотя следы присутствия нептуния были найдены и в природе, он открыт Эдвином Макмилланом и Филипом Эйбельсоном в мае 1940 года в Беркли, Калифорния. Ядра нового элемента Макмиллан предложил назвать Нептунием, по аналогии с солнечной системой, в которой за планетой Уран следует Нептун.
Так же как и следующий элемент, плутоний, нептуний был найден в следовых количествах в урановых рудах, где он получается благодаря захвату ураном нейтрона спонтанного деления.
По физическим свойствам металлический нептуний похож на уран: это металл серебристо-белого цвета.
По химическим свойствам нептуний несколько отличается от урана. Он
менее активен, сухой воздух его не окисляет. Но порошкообразный нептуний
на воздухе может самопроизвольно взрываться. Он легко реагирует с неметаллами при повышенной температуре, хорошо растворяется в кислотах.
Радиоактивные изотопы нептуния получают в ядерном реакторе, они являются побочными продуктами в процессе получения плутония. Стабильных изотопов не обнаружено.
Нептуний используется в атомной энергетике как основной источник плутония.
С элементом № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества.
Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента № 94 — 75 миллионов лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет, поэтому у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому, как вымерли динозавры и мамонты.
В декабре 1940 года при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. Сам элемент №94 назвали плутонием.
Уран оказался не последней планетой солнечной системы. Еще дальше от Солнца проходит орбита Нептуна, но и Нептун не последний, за ним — Плутон, планета, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное построение наблюдается и на «левом фланге» менделеевской таблицы: уран — нептуний—плутоний, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония, — почти такой же отрезок времени разделял
открытия Гершеля и Клапрота.
В 1941 году был открыт важнейший изотоп плутония — изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами.
Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что, ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы, как говорят, «нанести непоправимый ущерб» всему
живому на Земле.
В настоящее время атомная энергетика также не может существовать без изотопа плутония-239, который получают из изотопа урана – 238. И что особенно важно: на это ядерное получение практически не нужно тратить энергию — напротив, в этом процессе энергия производится!
Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые — очень немногие — атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний — первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик — 24 тысячи лет.
Обнаружить «земной» плутоний в природных условиях необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах. Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления — как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано -плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить
плутоний от нептуния.
Плутоний - блестящий серебристо-белый металл. Уникальная особенность металлического Плутония состоит в том, что при нагревании от 310 до 480 °С он не расширяется, как другие металлы, а сжимается. Другие металлы. Химические свойства Плутония во многом сходны со свойствами его предшественников в периодической системе - ураном и нептунием.
Радиоактивность - это процесс самопроизвольного распада ядер атомов некоторых элементов, сопровождающийся испусканием ионизирующего излучения – радиацией. Неустойчивые ядра некоторых атомов распадаются, излучая альфа- и бета-частицы, гамма-лучи и нейтроны.
Радиоактивность не возникает ниоткуда. Её создают источники радиоактивности. При аварии на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986г.) первоначальным источником служила ядерная начинка реактора, а после взрыва – разбросанные куски топлива и оборудования, газы и испарения. Опустившись на землю в виде осадков, газы превратили в источники радиоактивности всё, на что оседали – леса, траву, почву, реки, строения.
Из всего большого списка радиоактивных элементов, оказавшихся в атмосфере, наибольшую опасность представляют изотопы цезия-137 и стронция-90. Цезий-137 хорошо сохраняется в ландшафте и включается в жизнь экосистемы, и он же распространился на самые большие расстояния от АЭС.
Ошибочно считать, что радиоактивность – лишь продукт современных атомных технологий. Естественное облучение люди получали всегда от родной матушки-земли, красна солнышка, родного жилища и друг от друга. Основную дозу радиоактивности даёт природный газ радон-40, попадающий в наши жилища из-под земли. Он тяжелее воздуха, поэтому первый этаж загрязнён им сильнее остальных. Простое проветривание снижает концентрацию радона в несколько раз. Свою лепту в облучение вносят стройматериалы жилищ – вместе с радоном они дают более трети всей прижизненной дозы. Сверху нас жжёт космическая радиация, усиливающаяся по мере набора высоты. 17% радиоактивности мы получаем от пищи и тел друг друга, 20% — от радиоактивности в почве, 13%- от медицинских процедур, включая походы в рентгенкабинет. Куда больший вклад, чем атомные станции, в загрязнение среды вносят химические и сталелитейные предприятия. Они – источники техногенного облучения.
Итак, радиация сопровождает нас всю жизнь, надо воспринимать её как данность. Однако следует разграничить внешнее и внутреннее воздействие источников.
Только гамма- и рентгеновское облучение способно проникать сквозь одежду и кожу, вызывая поражения внутренних органов.
Куда опаснее для человека внутреннее воздействие. Если радионуклиды попали внутрь через дыхательные органы или вместе с пищей, то ничто не помешает тяжёлым альфа- и бета-частицам бомбардировать живые клетки со скоростью 20000км/сек. Они становятся причиной тяжёлых поражений внутренних органов и раковых заболеваний. Попав внутрь, радиоактивные цезий и калий распределяются по всему телу равномерно, стронций откладывается в костях, а йод – в щитовидной железе. Но эти радионуклиды обладают свойством выводиться из организма, а не накапливаться в нём. Но лучше избегать их попадания внутрь нашего организма, чем выводить их оттуда, ведь даже за короткий срок пребывания в наших телах радионуклиды способны вызвать много нежелательных последствий.
Для того, чтобы снизить дозу внутреннего радиоактивного облучения, можно рекомендовать специальные меры.
1. Принимать в пищу продукты питания с наименьшим содержанием радионуклидов. Меньше всего радионуклиды накапливаются в капусте, далее, в порядке возрастания – огурцы, кабачки, томаты, лук, чеснок, картофель, свекла, морковь, редис, горох, бобы и фасоль, а больше всего их в щавеле.
2. Ускорение выведения радионуклидов из организма, а также повышение общей сопротивляемости организма различным заболеваниям. Например, препараты содержащие кальций с витаминов D, защитят кости от стронция. Кроме того, богатые калием продукты (бобовые, сухофрукты) препятствуют отложению в организме цезия, а богатые кальцием (молоко, яйца, те же бобовые) – стронция. Богатые пектинами продукты (а это практически все овощи и фрукты) связывают радионуклиды и ускоряют их выведение из организма.
3. Снижение содержания радионуклидов в продуктах питания с помощью правильной их технологической и кулинарной обработки. Все овощные продукты, прежде всего, должны быть тщательно помыты под теплой проточной водой. Перед мытьем некоторых овощей (капуста белокочанная, лук репчатый и др.) целесообразно удалить верхние наиболее загрязненные листья. После мытья клубни и корнеплоды тщательно очищают от кожицы и затем повторно моют теплой, проточной водой. В поверхностных слоях овощей концентрируется до 40% радиоактивности. Вымачивание очищенных овощей позволяет снизить содержание радионуклидов, что необходимо учитывать при потреблении их в сыром виде.
Надежным способом кулинарной обработки пищевого сырья в условиях повышенного загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами является варка. Этому способу приготовления пищи необходимо отдать предпочтение в связи с тем, что при отваривании значительная часть радионуклидов переходит в отвар. Из этого следует, что отвары использовать в пищу нецелесообразно. Можно варить продукт в воде 10 мин., слить воду, а затем продолжать варку в новой порции воды, используя ее в пищу.
Человек всегда был подвержен действию естественной радиации. Он подвергается воздействию космического излучения. Радиоактивные вещества находятся в земле, в воздухе, в зданиях, в которых мы живем, а также в пище и воде, которые мы потребляем. Мы постоянно окружены источниками радиоактивности.
Человек подвергается облучению двумя способами. Радиация действует снаружи — внешнее облучение. Если же радиоактивные вещества, находящиеся в воздухе, пище, воде, попадают внутрь организма - это внутреннее облучение.
Большей частью (около 73%) радиация исходит от природных радиоактивных веществ, окружающих нас и находящихся внутри нас, но примерно 13% связано с медицинскими процедурами (такой, как рентгеноскопия), а 14% приходит извне в виде космических лучей.
Радиоактивные элементы таблицы Менделеева (актиноиды) от актиния до плутония встречаются в природе. Нептуний и плутоний присутствуют в природе в незначительных количествах как результат нейтронных реакций в урановых рудах. Только элементы торий, протактиний и уран присутствуют в природных объектах в количествах, позволяющих их извлечение. Большинство отсутствующих в природе трансурановых элементов получают путём нейтронного облучения в ядерном реакторе элементов с меньшим атомным номером.
В настоящее время большинство актиноидов, до америция включительно, нашли применение в различных областях науки, техники и медицины. Основной сферой получения и применения радиоактивных элементов является ядерная энергетика.
Для снижения дозы внешнего и внутреннего радиоактивного облучения человек должен использовать специальные меры предосторожности.
Приложение №1.
Опыт Беккереля.
Беккерель давно интересовался явлением фосфоресценции (т. е. свечения), присущей некоторым веществам. Однажды ученый решил воспользоваться для своих опытов одной из солей урана, которую химики называют двойным сульфатом урана и калия. На обернутую черной бумагой фотопластинку он поместил вырезанную из металла узорчатую фигуру, покрытую слоем урановой соли, и выставил ее на яркий солнечный свет, чтобы фосфоресценция была как можно более интенсивной. Через четыре часа Беккерель проявил пластинку и увидел на ней отчетливый силуэт металлической фигуры. 24 февраля 1896 года на заседании французской Академии наук ученый доложил, что у такого фосфоресцирующего вещества, как двойной сульфат уранила и калия, выставленного на свет, наблюдается невидимое излучение, которое проходит через черную непрозрачную бумагу и восстанавливает соли серебра на фотопластинке.
Спустя два дня Беккерель решил продолжить эксперименты, но как на грех погода была пасмурной, а без солнца какая же фосфоресценция? Досадуя на непогоду, ученый спрятал уже приготовленные, но так и не подвергшиеся освещению диапозитивы вместе с образцами солей урана в ящик своего стола, где они пролежали несколько дней. Наконец, в ночь на 1 марта ветер очистил парижское небо от туч и солнечные лучи с утра засверкали над городом. Беккерель, с нетерпением ожидавший этого, поспешил в свою лабораторию и извлек из ящика стола диапозитивы, чтобы выставить их на солнце. Но, будучи очень педантичным экспериментатором, он в последний момент все же решил проявить диапозитивы, хотя логика, казалось бы, подсказывала, что за прошедшие дни с ним ничего не могло произойти: ведь они лежали в темном ящике, а без света не фосфоресцирует ни одно вещество. В этот миг ученый не подозревал, что через несколько часов обычным фотографическим пластинкам ценой в несколько франков, суждено стать бесценным сокровищем, а день 1 марта 1896 года навсегда войдет в историю мировой науки.
То, что Беккерель увидел на проявленных пластинках, буквально поразило его: черные силуэты образцов резко и четко обозначились на светочувствительном слое. Значит, фосфоресценция здесь ни при чем. Но тогда, что же это за лучи испускает соль урана? Ученый снова и снова проделывает аналогичные опыты с другими соединениями урана, в том числе и с теми, которые не обладали способностью фосфоресцировать или годами лежали в темном месте, и каждый раз на пластинках появлялось изображение.
У Беккереля возникает пока еще не вполне ясная мысль, что уран представляет собой «первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции».
Изображение фотопластинки Беккереля, которая была засвечена излучением солей урана
Приложение №2.
Описание опыта, в результате которого был открыт нептуний.
Когда в Америку пришла весть об открытии спонтанного деления ядер урана, физик Эдвин Макмиллан решил измерить расстояния, которые пробегают в веществе осколки распада. Для этого он нанес тонкий слой оксида урана на мишень и установил позади нее экран в виде книжки из папиросной бумаги. Затем Макмиллан обстрелял мишень разогнанными в циклотроне нейтронами. Как он и предполагал осколки деления ядер урана пронизывали бумагу. После этого оставалось лишь измерить с помощью счетчика Гейгера – Мюллера радиоактивность каждого листочка в отдельности. Картина сразу же прояснилась. Тут же обнаружилось, что на листке, ближайшем к мишени, находился радиоактивный продукт, который имел иной период полураспада.
Если эти следы принадлежат новому элементу, то необходимо отделить его от других продуктов, получить в чистом виде. С помощью своего старого друга Филиппа Х.Эйбельсона, прибывшего в Беркли из Вашингтона на летние каникулы, Макмиллан тщательно обработал полученные данные. Оказалось, что новое вещество не похоже на другие известные в ту пору элементы. Ученые думали вначале, что оно является аналогом рения. Но, как показали эксперименты, продукт этот по свойствам близок к урану. Полученный элемент назвали нептунием.
Приложение №3.
Интересно о плутонии.
Кольцо электрорафинированного оружейного плутония (чистота 99,9 %). Кольцо весит 5,3 кг, имеет размер 11 см в диаметре. Такая форма необходима, чтобы не создалась критическая масса
Плутоний в различных степенях окисления
Свечение диоксида плутония
Циклотрон в Беркли, на котором были получены нептуний и плутоний
Взрыв ядерной бомбы мощностью 23 килотонны. Полигон в Неваде (1953 г.)
Приложение № 4.
Про ядерные реакторы.
Таблетки ядерного топлива.
Интересное свойство ядерного топлива, уже вступившего в цепную реакцию — черенковское свечение.
Авария на АЭС «Фукусисма-1»
Ядерный реактор – внешний вид
Воздух - музыкант
Украшаем стену пушистыми кисточками и помпончиками
Сказка "Узнай-зеркала"
Две снежинки
Мост Леонардо