Индивидуальный проект. Получение новых химических элементов на ОИЯИ г.Дубна.

НАЗВАНИЕ ПРОЕКТА: Строение атома. Радиоактивность. Открытие новых химических элементов в г. Дубна.

ДИСЦИПЛИНА: Химия.

Автор (творческий коллектив):

Барыляк Никита Алексеевич, 310-К,

Бассараб Ярослав Алексеевич, 310-К.

Руководитель проекта:

Хорькова Галина Васильевна

Кимры, 2017

Содержание

   1.Введение

2.Основная часть

2.1. Ядерные реакции. Радиоактивность.

2.2.Почему синтезируют новые химические элементы

    2.3.Что представляет собой процесс искусственного синтеза?

2.4. Сферы применения ядерных реакций.

     2.5. Кто придумывает название для новых элементов?

     2.6.Зачем нужны новые элементы?

     2.7. Лаборатории ОИЯИ

  3.Заключение

   4.Список источников

1.Введение

С момента возникновения нашей планеты прошло около 4,5 миллиардов лет.  Химические элементы образовались в результате реакций ядерного синтеза, протекающих  на звездах при температурах в миллиарды градусов Цельсия. Сейчас на Земле сохранились только те элементы, которые не распались за это время, то есть смогли «дожить» до сегодняшнего дня, т.к.время их полураспада дольше, чем возраст Земли.  Все элементы тяжелее астата не дожили до наших дней. Потому что уже распались. Вот поэтому люди вынуждены воспроизводить их заново.

В проекте изучены способы получения новых элементов, вклад ученых международной межправительственной организации, всемирно известного научного центра ОИЯИ г. Дубна. На защиту выносится работа, в которой изучено строение атома, ядерные реакции, вклад ученых всемирно известного научного центра Объединенного института ядерных исследований в г.Дубна.

2.Основная часть

Сейчас на Земле сохранились 85 химических элементов (85 – астат), которые не распались за  время существования Земли. Они есть сохранились до сегодняшнего дня, т.к. время их полураспада дольше, чем возраст Земли.   Всего в периодической системе 118 элементов. Все остальные (33) получены в результате ядерных реакций в течение 120 лет.

На Земле от этих реакций зависит очень многое, реакции деления урана и плутония под действием нейтронов – основа атомной энергетики.

В 1898 году П.Кори и М.Склодовская – Кюри из урановой руды выделили радий (88), установили его радиоактивность.  Радий естественным путем превращается в атом радона (86), испуская при этом альфа частицу.  

(88) Ra =(86)  Rn +(2) He +Q

Радий непрерывно выделяет тепловую энергию (1 грамм радия выделяет за 1 час 400 Дж) Появилась новая отрасль радиохимия. Радий стали применять в медицина для лечения опухолей.  

 Плутоний. Период его полураспада всего 25 тысяч лет - совсем немного по сравнению с жизнью Земли. Этот элемент, утверждают эксперты, непременно существовал при зарождении планеты, но уже распался. Плутоний производится искусственно десятками тонн и является одним из мощных источников энергии. Многие синтезированные элементы радиоактивны.

Радиация - это явление, происходящее в радиоактивных элементах, ядерных реакторах, при ядерных взрывах, сопровождающееся испусканием частиц и различными излучениями, в результате чего возникают вредные и опасные последствия. Радиация действительно опасна: в больших дозах она приводит к поражению тканей, живой клетки, в малых - вызывает раковые явления и способствует генетическим изменениям.

Радиация, связанная с развитием атомной энергетики, составляет лишь малую долю. Существенную часть облучения население получает от естественных источников радиации: из космоса и от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, от применения рентгеновских лучей в медицине, во время полета на самолете, от каменного угля, сжигаемого в бесчисленном количестве различными котельными. Сама по себе радиоактивность - явление не новое, как считают некоторые, связывая ее возникновение со строительством АЭС и появлением ядерных боеприпасов. Она существовала на Земле задолго до зарождения жизни. С тех пор как образовалась наша Вселенная (порядка 20 миллиардов лет назад), радиация постоянно наполняет космическое пространство.

 Человек, хотя в чрезвычайно малой мере, но тоже радиоактивен. В его мышцах, костях и других тканях присутствуют мизерные количества радиоактивных веществ.

Однако с момента открытия радиации как явления не прошло и ста лет. Так как основную часть дозы облучения население получает от естественных источников, то большинства из них избежать просто невозможно. Человек подвергается двум видам облучения: внешнему и внутреннему. Дозы облучения сильно различаются и зависят, главным образом, от того, где люди живут.

        Ученые не в состоянии воссоздать ситуацию условного «сотворения мира» (т.е. необходимое состояние материи при температурах в миллиарды градусов Цельсия) в лабораторных условиях. «Сотворить» элементы в точности так, как это происходило при образовании Солнечной системы и Земли, невозможно. В процессе искусственного синтеза специалисты действуют доступными здесь на Земле средствами, но получают общее представление о том, как могло это происходить тогда и как, возможно, происходит сейчас на далеких звездах.

В общих чертах эксперимент происходит следующим образом. К ядру природного элемента (к примеру, кальция) добавляются нейтроны до тех пор, пока ядро не перестает принимать их. Последний изотоп, перегруженный нейтронами, проживает очень недолго, а произвести следующий не получается вообще. Это и есть критическая точка: предел существования ядер, перегруженных нейтронами.

Первая ядерная реакция проведена в 1919 г. Э.Резерфордом. Он бомбардировал азот a-частицами. (В итоге из ядер азота выбивались протоны, а азот превращался в изотоп кислорода.)

 +  =   +  

Для того, чтобы проводить ядерные реакции, соединять протоны в ядрах атомов необходимы сверхпроводящие ускорители ядер и тяжелых ионов ― нуклотроны  и  циклотроны. Существуют целые научные города, занимающиеся научными исследованиями с использованием ядерных технологий. Самый яркий пример в нашей стране - подмосковная Дубна, недавно получившая официальный статус наукограда.

Сферы применения ядерных реакций:

1. Энергетика. 

 Благодаря тому, что человек научился проводить управляемую ядерную реакцию и аккумулировать полученную энергию, затрачивая при этом минимальное количество сырья, намного уменьшилось потребление традиционных видов органического топлива. Секрет успеха ядерной энергетики заключается в том, что количество сырья практически неисчерпаемо на Земле. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках. США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей,  делались попытки создать ядерный двигатель для самолётов.

2. Медицина.

В современной ядерной медицине для научно-исследовательских, диагностических и терапевтических целей применяют свыше 50 циклотронных радионуклидов с периодом полураспада от нескольких минут до нескольких лет.

3. Военная сфера. 

Применение цепных ядерных реакций в военной сфере вызывает наибольшее количество вопросов и опасений. При проведении неуправляемой, т.е. взрывной, ядерной реакции с целью уничтожения чего-либо, погибает все живое на огромных пространствах. Не зря ядерное оружие относят к числу оружия массового поражения. Впервые силу ядерного оружия ощутили на себе японцы - жители городов Хиросима и Нагасаки - в конце Второй мировой войны. Последствия сказываются и в наше время. Дело в том, что при взрыве в окружающую среду выплескивается огромное количество радиации, вредной для человека. В наши дни в вышеназванных городах все еще рождаются дети с аномальными отклонениями физического состояния - это потомки тех людей, которые подверглись радиационному облучению в день взрывов.

Кто придумывает название для новых элементов?

Сама процедура признания нового элемента очень сложна. Одним из ключевых требований является то, что открытие должно быть независимо перепроверено, экспериментально подтверждено. Значит, его надо повторить.

Для официального признания 112-го элемента, который был получен в Германии в 1996 году, понадобилось 14 лет. Церемония «крещения» элемента прошла только в июле 2010 года.

В мире есть несколько наиболее известных лабораторий, сотрудникам которых удалось синтезировать один или даже несколько новых элементов. Это Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Московская область), Ливер-морская национальная  лаборатория . Лоуренса в Калифорнии (США), Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (США), Европейский Центр по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте (Германия) и др.

После того, как Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признает официально признанные первооткрыватели, факт синтеза новых химических элементов, право предлагать для них названия получают их официально признанные первооткрыватели. Неизвестно, сколько новых элементов можно создать. Вопрос о границе Периодической системы до сих пор открыт.

Как получают новые элементы

 Элементы с большими атомными номерами синтезируют из других, более легких. Чтобы получить унунсептий (117), ученые бомбардировали ядро берклия (97 протонов) изотопами кальция-48 (20 протонов). На одно только создание достаточного для эксперимента количества берклия, который сам по себе является редким элементом, – 13 миллиграммов – потребовалось два года. Для синтеза унунпентия (115) использовали кальций и америций (95), для унуноктия (118) – кальций и калифорний (98), а унунтрий (113) может быть получен благодаря распаду изотопов унунпентия, а также в результате реакций нептуния (93) с кальцием или висмута (83) с цинком (30).

Зачем они нужны новые элементы?

Зачем получать новые элементы, если процесс так долог, дорог  и сложен, а живут они десятые доли секунды? Одно из объяснений: потому что мы можем. Экспериментальное доказательство ранее сделанных научных предсказаний усиливает позиции других предсказаний и делает возможными дальнейшие предположения. Второе объяснение: наука может открыть целую группу новых супертяжелых элементов, которые будут долгоживущими, а значит, полезными – предполагается, что они могут получить практическое применение в области ядерных вооружений, энергетике, а также стать основой для материалов с супер-свойствами. Существование таких элементов предсказано теорией «острова стабильности».

Главным центром по получению новых элементов является объединенный институт ядерных исследований — международная межправительственная организация, всемирно известный научный центр лаборатории ОИЯИ.

Основные направления теоретических и экспериментальных исследований в ОИЯИ: физика элементарных частиц, ядерная физика и физика конденсированных сред. Научная программа ориентирована на достижение высоко значимых результатов.

Экспериментальная база ОИЯИ позволяет проводить не только передовые фундаментальные исследования, но и прикладные, направленные на разработку и создание новых ядерно-физических и информационных технологий.

В составе ОИЯИ семь лабораторий:

• Лаборатория теоретической физики им. Н.Н.Боголюбова,
•  Лаборатория ядерных проблем им. В.П.Джелепова,
• Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н.Флерова,
• Лаборатория физики высоких энергий им. В.И.Векслера и А.М.Балдина,
• Лаборатория нейтронной физики им. И.М.Франка,
• Лаборатория информационных технологий,
• Лаборатория радиационной биологии.

Каждая из лабораторий по масштабам исследований сопоставима с большим академическим институтом. Штат ОИЯИ насчитывает около 4500 человек, из них более 1200 ― научные сотрудники, в том числе действительные члены и члены-корреспонденты национальных академий наук, более 260 докторов и 570 кандидатов наук, около 2000 ― инженерно-технический персонал.

Научно-исследовательская база ОИЯИ

    Институт располагает замечательным набором экспериментальных физических установок: единственным в Европе и Азии сверхпроводящим ускорителем ядер и тяжелых ионов ― нуклотроном, циклотронами тяжелых ионов У-400 и У-400М с рекордными параметрами пучков для проведения экспериментов по синтезу тяжелых и экзотических ядер, уникальным нейтронным импульсным реактором ИБР-2, используемым для исследований по нейтронной ядерной физике и физике конденсированных сред, и ускорителем протонов ― фазотроном, который используется для протонной терапии.

Экспериментальная научная программа ОИЯИ поддерживается блестящей школой теоретической физики, хорошо развитой в Институте методикой физического эксперимента, современными информационными технологиями, включая грид-технологии. Объединенный институт ядерных исследований — международная межправительственная организация, всемирно известный научный центр, являющий собой уникальный пример успешной интеграции фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований с разработкой и применением новейших технологий и университетским образованием. Рейтинг ОИЯИ в мировом научном сообществе очень высок.

   Наиболее известными лабораториями, синтезировавшими по несколько новых элементов   являются 6 ведущих лабораторий:

•  Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли и Ливерморская национальная лаборатория (США), 
• Объединённый институт ядерных исследований в Дубна (СССР/Россия),
• Европейский Центр по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца (Германия), 
• Кавендишская  лаборатория Кембриджского университета (Великобритания), 
• Институт физико-химических исследований (Япония) .

Элементы нобелий (102), флеровий (114), московий (115), ливерморий (116), теннессин (117), оганесон (118) – были открыты в СССР и России и названы в честь нашей столицы и выдающихся русских и зарубежных ученых, принимавших участие в совместной работе. (6 –ОИЯИ)

Прометий (61), астат (85), нептуний (93), плутоний (94), америций (95), кюрий (96), берклий (97), калифорний (98), эйнштейний (99), фермий (100), менделевий (101), сиборгий (106) – в США (12).

Хассий (108), мейтнерий (109), дармштадтий (110), рентгений (111), коперниций (112) – в Германии (5).

В последние десятилетия над синтезом элементов в американских, немецком и российском центрах работают международные коллективы.

На сегодняшний день директором ОИЯИ г. Дубна является:

Матвеев  Виктор Анатольевич.

Доктор физико-математических наук, профессор, академик Российской академии наук.

Список источников

1.Энциклопедический словарь юного химика М. Педагогика  2002 г.

2.   Википедия