Состояние радиоактивных изотопов в твердом веществе.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 10Следующая ⇒

В опытах И. Кюрн в 1906 г. было показано, что радиоактивные изотопы, образующиеся при распаде радона в воздухе, входят в состав агрегатов (аэрозолей), которые способны осаждаться под действием силы тяжести. Это подтверждается опытами Шамье, в которых было установлено, что на фотопластинках, находящихся в воздухе, содержащем радон, появляются звездообразные следы α -частиц, которые могут быть только результатом α -распада радиоактивных изотопов, входящих в один агрегат. Кроме того, радиоактивные изотопы были выделены из воздуха, содержащего радон, центрифугированием. Частицы аэрозолей можно наблюдать также с помощью ультрамикроскопа.

Аэрозоли образуются более интенсивно в среде полярных газов и паров (хлористого водорода, паров воды и т. п.).

Радиоактивные изотопы могут находиться в воздухе не только за счет распада радона. Они попадают в атмосферу при выпаривании радиоактивных веществ, перегонке, нагревании растворов и при других химических операциях. Они появляются в атмосфере также в результате эманирования образцов и последующего распада эманации или при газовыделении. Благодаря протеканию в атмосфере ряда ядерных реакций (см. гл. 9) в ней образуются вещества, содержащие ¹⁴С и ³Н. Радиоактивный распад, происходящий в конденсированных системах, тоже приводит к появлению в воздухе радиоактивных веществ в результате явления отдачи. При этом в газовую фазу переходят атомы отдачи или целые агрегаты, отрывающиеся от основной массы радиоактивного вещества. Это особенно характерно для α -излучающих препаратов полония, плутония, америция и т. п. Поэтому тонкие слои α -излучающих препаратов теряют свою активность не только за счет радиоактивного распада, но и вследствие явления отдачи. Особенно интенсивно этот процесс идет в вакууме. Существенным источником попадания радиоактивных изотопов в атмосферу являются ядерные взрывы.

Во многих случаях при всех перечисленных процессах образуются радиоактивные аэрозоли. Таким образом, в газовой фазе радиоактивные вещества могут находиться в молекулярно-дисперсном состоянии и в виде аэрозолей.

Для исследования состояния радиоактивных веществ в газовой среде применимы методы, аналогичные методам исследования в растворе: центрифугирование, ультрафильтрация, адсорбция, авторадиография, диффузия, электрохимические методы, седиментация, электронная микроскопия и др.

Исследования показали, что радиоактивные аэрозоли представляют собой агрегаты из атомов или молекул, содержащих радиоактивный изотоп, в ряде случаев окруженные полярными молекулами веществ, находящихся в газовой среде вместе с радиоактивным изотопом. Образование аэрозолей происходит также при адсорбции молекул (атомов) радиоактивных веществ на посторонних частицах, находящихся в газах.

Вследствие радиоактивного распада и явления отдачи происходит уменьшение размеров и разрушение частиц аэрозолей со временем.

Как и в жидкой фазе, в газовой среде частицы аэрозолей и радиоактивные атомы имеют заряд, благодаря которому происходит их осаждение в постоянном электрическом поле. Так, в результате радиоактивного распада радона и его дочерних продуктов радиоактивные изотопы полония, висмута, свинца и других элементов вследствие явления отдачи (см. главу 7) образуются в заряженном состоянии и осаждаются главным образом на катоде источника постоянного напряжения.

Состояние радиоактивных изотопов в твердом веществе.

Состояния радионуклидов в растворах при ультрамалых концентрациях

Состоянием радионуклида в любой системе называется вся совокупность форм нахождения, образуемая радионуклидом. В ультраразбавленных растворах радионуклиды могут находиться в ионном состоянии, образовывать истинные коллоиды или псевдоколлоиды. В сильнокислой среде большинство радионуклидов образует истинные растворы. Уменьшение кислотности раствора приводит к образованию коллоидных частиц, причем каждому элементу соответствует определенное значение рН начала гидролиза. Для элементов III группы коллоиды начинают появляться при рН 7, для IV и VI групп — при рН 3, 5–5, для V группы – при рН 1–2. Изотопы щелочных и щелочноземельных элементов образуют только истинные растворы.

Подавляющее большинство радионуклидов, с которыми можно встретиться в природных условиях, находятся в ультрамалых количествах. Кроме ²³⁸U и ²³²Th, ни один из них не достигает рудных концентраций. В природных водах радионуклиды, за исключением ²³⁸U, образуют ультраразбавленные системы. Поведение радионуклидов при низких (10^-7 моль/л) концентрациях и при макроконцентрациях существенно различается. Определяющими могут быть не только (не столько) химические свойства элемента, но и физико-химическое состояние радионуклидов (дисперсность, состав частиц, их заряд, химические связи в веществе, степень окисления), а также особенности среды. Энергетика процессов ядерных превращений также накладывает свой отпечаток на геохимические особенности радионуклидов.

Адсорбция радионуклидов

Как указывалось выше, адсорбционное соосаждение заключается в переносе вещества из раствора на поверхность твердой фазы, носящей название адсорбента. Адсорбция может происходить на твердой фазе с сильно развитой поверхностью: на мелкокристаллических осадках, коллоидах и т. д. Адсорбция играет огромную роль в гипергенной и техногенной геохимии радионуклидов.

В случае адсорбции на полярных кристаллах адсорбционные явления классифицируют по местонахождению сорбированных ионов. Если последние находятся в поверхностном слое кристаллической решетки — во внутренней обкладке двойного электрического слоя, то такая адсорбция называется первичной. Если адсорбционный ион входит в состав внешней обкладки двойного слоя — находится в растворе у границы раздела фаз, такая адсорбция называется вторичной. Первичную адсорбцию подразделяют на потенциалобразующую и обменную. Потенциалообразующая адсорбция имеет место для весовых концентраций ионов. Первичная обменная адсорбция происходит благодаря кинетическому обмену между ионами поверхности кристалла и раствора.

Вторичная адсорбция также делится на два вида: обменную и ван-дер-ваальсову. Для микроконцентраций радионуклилов имеют значение лишь первичная и вторичная обменные адсорбции.

Адсорбция на ионных кристаллах происходит в соответствии с законом Гана: «Радионуклид адсорбируется на полярном кристалле в том случае, если поверхность кристалла имеет заряд, противоположный заряду иона радионуклида. При этом адсорбция тем сильнее, чем менее растворимо и диссоциировано соединение радионуклида с противоположно заряженным ионом решетки».

Из определения ясно, что первичная адсорбция ионов возможна, если они способны входить в данную кристаллическую решетку (образовывать твердые растворы с осадком, давать смешанные кристаллы и т. д.). Таким образом, первичная адсорбция может быть выражена как распределение вещества между раствором и поверхностью осадка:

где х – количество грамм-ионов микрокомпонента на поверхности осадка; х₀ — его количество в системе; х₀ - х – количество грамм-ионов микрокомпонента в растворе; D – коэффициент распределения; т – масса осадка; S – удельная поверхность осадка; σ – поверхность, занимаемая 1 г-ионом стабильного элемента; V – объем раствора; С – молярная концентрация макрокомпонента (обмениваемого иона) в растворе.

Если первичная обменная адсорбция происходит лишь на поверхности решетки, то при гомогенном распределении микрокомпонента кинетика адсорбции должна отвечать закону мономолекулярной реакции:

где С и С_х – концентрации микрокомпонента в растворе в момент времени t и при достижении равновесия соответственно; А, К и λ. – константы.

Чаще обменная адсорбция является более сложным процессом. Обменная адсорбция протекает быстро на поверхности твердой фазы. За ней следует вторая стадия – медленный переход сорбированного микрокомпонента внутрь твердой фазы – внутренняя адсорбция. В этом случае кинетика адсорбции выражается равенством

Вторичная обменная адсорбция, которая происходит во внешней части двойного электрического слоя, экспоненциально зависит от заряда иона. Действительно, эксперименты показали, что при прочих равных условиях адсорбция на отрицательно заряженных кристаллах AgI зависит от заряда иона: Ra²⁺: Ас³⁺: Th⁴⁺ = 7, 0: 75, 2: 100. Адсорбция происходила во внешнем слое, так как катионы не изоморфны с AgI.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒