главная > справочник > химическая энциклопедия:

Ядерная химия

Ядерная химия, устанавливает взаимосвязь между физ.-хим. и ядерными свойствами вещества. Иногда ядерную химию неправильно отождествляют с радиохимией.

Можно выделить след. основные направления ядерной химии: исследование ядерных реакций и хим. последствий ядерных превращений; химия "новых атомов"; эффект Мёссбауэра; поиск новых элементов и радионуклидов, новых видов радиоактивного распада. Для решения этих задач в ядерной химии используют радиохим. методы, ионизационные и, в последнее время, масс-спектрометрические, а также применяют толстослойные фотоэмульсии (см. Эмульсий).

Важнейшая задача ядерной химии выделение и идентификация радиохим. методами продуктов ядерных реакций. Особую роль эти методы играют при исследовании ядерных реакций. в которых образуется сложная смесь нуклидов разл. элементов. Для их выделения применяют радиохим. варианты методов осаждения, экстракции, ионообменной хроматографии. электролиза и дистилляции (см. Изотопов разделение). Идентифицируют нуклиды по характеру излучения, измерением энергии и периода полураспада (см. Активационный анализ)или методом масс-спектрометрии. Для этой цели используют многоканальные и спектрометры, разл. типы счетчиков. Изучение механизма ядерных превращений позволило понять процессы, протекающие в космосе, происхождение и распространение хим. элементов, объяснить аномалии в изотопном составе разл. природных объектов, получить радиоактивные изотопы почти всех хим. элементов и синтезировать новые элементы периодич. системы, в т. ч. актиноиды и трансактиноиды. Для определения периода полураспада короткоживущих нуклидов (Т_1/2 < 1 мин) используют спец. технику измерения времени жизни нуклида от момента его образования до распада непосредственно на детекторе.

К числу проблем ядерной химии относится исследование химии горячих атомов, возникающих при разл. ядерных превращениях. Горячие атомы в результате радиоактивного распада имеют избыточную (по сравнению с обычными атомами среды) кинетич. энергию, формально соответствующую т-рам 10⁴-10⁷ К и превышающую энергию активации многих хим. реакций. При столкновениях с атомами и молекулами среды горячие атомы способны стабилизироваться в соединениях, отличных от исходных (эффект Сциларда - Чалмерса; 1934). Этот эффект и используют в ядерной химии для исследования механизма реакций горячих атомов со средой, синтеза меченых соединений. разделения изотопов и др.

Методами ядерной химии с использованием "новых атомов", и прежде всего позитрония (Ps) и мюония (Мu), изучают превращения атомов в разл. хим. системах (см. Мезонная химия). Атомы Ps и Мu водородоподобны, но крайне неустойчивы. Составляющие Ps электрон и позитрон аннигилируют за время 10^-7-10^-9 с, с испусканием двух или трех квантов. Ядро мюония - -мюон распадается за 10^-6 с на позитрон и два нейтрона.

Время жизни и механизм гибели Ps, а также остаточная поляризация -мюона в момент его распада сильно зависят от состава и хим. свойств вещества и существенно различаются в металлах. сплавах. полупроводниках и диэлектриках. Ps и Мu применяют для изучения распределения электронной плотности. структурных особенностей молекул, механизма и кинетики быстрых и сверхбыстрых физ.-хим. процессов, фазовых переходов. диффузии в газах и конденсир. средах.

Для исследования строения электронных оболочек атомов и молекул используют резонансное испускание и поглощение квантов атомными ядрами в твердых телах без потери части энергии на отдачу ядра (см. Мёссбауэровская спектроскопия). Измеряя интенсивность прошедшего через поглотитель излучения в зависимости от скорости перемещения источника излучения (или поглощения), получают мёссбауэровский спектр, характеристиками которого являются положение линий, их число, относит. интенсивность, форма и площадь. Зависимость вероятности эффекта Мёссбауэра от температуры и давления используют для установления координационных чисел, наблюдения фазовых переходов. определения дефектов в кристаллических решетках, возникающих вследствие радиац. повреждений, легирования, мех. воздействий. По величинам площадей спектральных линий определяют концентрации исследуемых атомов в образце при фиксированной температуре в аналит. химии и при фазовом анализе веществ в геохимии. По величине хим. сдвига резонансных линий в спектрах устанавливают степень окисления элемента в данном соед., конфигурацию валентных электронных оболочек, степень ковалентности хим. связей.

Создание мёссбауэровской спектроскопии - одно из важнейших достижений ядерной химии, поскольку открывает широкие методич. возможности для структурной и радиационной химии, хим. кинетики, химии поверхностных явлений, геохимии и аналит. химии.

Методы ядерной химии с успехом использовались для открытия новых видов распада ядер легких и тяжелых элементов -двухпротонной радиоактивности и распада с испусканием нуклонных кластеров (ядер ¹⁴С и ²⁴Ne).

Зарождение ядерной химии связано с открытием радиоактивности урана (А. Беккерель, 1896), Th и продуктов его распада - новых, радиоактивных элементов Ро и Ra (М. Склодовская-Кюри и П. Кюри, 1898). Дальнейшее развитие ядерной химии было определено открытием искусственного ядерного превращения (Э. Резерфорд, 1919), изомерии атомных ядер естеств. радионуклидов (О. Ган, 1921) и изомерии искусств. атомных ядер (И. В. Курчатов и др., 1935), деления ядер U под действием нейтронов (О. Ган, Ф. Штрасман, 1938), спонтанного деления U (Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, 1940). Создание ядерных реакторов (Э. Ферми, 1942) и ускорителей частиц (Дж. Кокрофт и Э. Уолтон, 1932) открыло возможность изучения процессов, происходящих при взаимод. частиц высокой энергии со сложными ядрами, позволило синтезировать искусств. радионуклиды и новые элементы.

Лит.: Ядерная химия, под ред. В. И. Гольданского, А. К. Лаврухиной, М., 1965; Фридлендер Г., Кеннеди Дж., Миллер Дж., Ядерная химия и радиохимия, пер. с англ., М., 1967; Чоппин Г., Ридберг Я., Ядерная химия. Основы теории и применения, пер. с англ., М., 1984.

© Б. Ф. Мясоедов.