Радиохимия

Наука
Радиохимия лат. radius — луч
Предмет изучения	химия радиоактивных изотопов, элементов и веществ
Основные направления	химия

Радиохимия (от лат. radius — луч) — область химии, изучающая химию радиоактивных изотопов, элементов и веществ, законы их физико-химического поведения, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы

История

Мария Склодовской-Кюри

Пьер Кюри

Становление Радиохимии как самостоятельной области химии началось в конце XIX века. Основополагающими были работы Мария Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, открывших и выделивших в 1898 году — Ra и Po. При этом Склодовская-Кюри впервые применила методы соосаждения микроколичеств радиоактивных элементов из растворов с макроколичествами элементов аналогов. В 1911 году Фредерик Содди определял Радиохимию как науку, занимающуюся изучением свойств продуктов радиоактивных превращений, их разделением и идентификацией.

Отмечается четыре периода становления Радиохимии связанных с развитием учения о радиоактивности и ядерной физики:
Первый период (1898—1913) характеризуется открытием пяти природных радиоактивных элементов — Po, Ra, Rn, Ас, Pa — и ряда их изотопов. В результате установления Казимиром Фаянсом и Фредериком Содди правила сдвига, по которому из радиоактивного элемента образуется новый элемент, стоящий в периодической системе Дмитрия Менделеева или на две клетки левее исходного (α-распад), или на одну клетку правее его (β-распад), Эрнестом Резерфордом и Содди была найдена генетическая связь между всеми открытыми изотопами и определено их место в периодической системе. В этот период ведутся интенсивные поиски радиоактивных веществ в природе — радиоактивных минералов и вод. В России Алексей Соколов и другие учёные изучают радиоактивность минеральных вод, атмосферы и прочих объектов, Пётр Орлов начинает исследования радиоактивности минералов, а Владимир Вернадский выступает с основополагающими работами по геохимии радиоактивных элементов.
Второй период (1914—1933) связан с установлением ряда закономерностей поведения радиоактивных изотопов в ультраразбавленных системах — растворах и газовой среде, открытием изотопного обмена. В этот период Панет и Фаянс формулируют правила адсорбции; Отто Ган и Виталий Хлопин проводят систематическое изучение процессов соосаждения и адсорбции. В результате Ган формулирует законы, качественно характеризующие эти процессы, Хлопин устанавливает количественный закон соосаждения (Хлопина закон), а его ученик Александр Ратнер разрабатывает термодинамическую теорию процессов распределения вещества между твёрдой кристаллической фазой и раствором. В этот же период учёный Лев Коловрат-Червинский и затем Ган развивают работы по эманированию твёрдых веществ, содержащих изотопы радия, а позже Борис Никитин выполняет обширные исследования клатратных соединений инертных газов (на примере соединений радона). В 1917 году Владимир Спицын проводит серию работ по определению методом радиоактивных индикаторов растворимости ряда соединений тория. В эти годы Склодовская-Кюри, Панет и другие изучают радиоактивные изотопы в ультраразбавленных растворах, условия образования радиоколлоидов.
Третий период (1934—1945) начинается после открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности. В этот период в результате работ Энрико Ферми — по исследованию действия нейтронов на химические элементы, Игоря Курчатова — открывшего и изучившего ядерную изомерию искусственных радиоактивных изотопов, Гана и немецкого учёного Фрица Штрасмана — установивших деление ядер урана под действием нейтронов, открытия Силарда — Чалмерса эффекта разрабатываются основы методов получения, концентрирования и выделения искусственных радиоактивных изотопов. Использование циклотрона позволило Эмилио Сегре с сотрудниками синтезировать новые искусственные элементы — Te и At. С середины 30-х годов бурно развивается прикладная Радиохимия. Метод радиоактивных (изотопных) индикаторов получает широкое распространение.
Четвёртый период развития Радиохимии связан с использованием мощных ускорителей ядерных частиц и ядерных реакторов. Осуществляется синтез и выделение искусственных химических элементов — прометия, трансурановых элементов. Получает обоснование химия новых атомоподобных образований — позитрония, мюония и мезоатомов. В Радиохимии особое значение приобретает экстракция и хроматография; всё шире применяется метод радиоактивных индикаторов в приложении к исследованиям механизма и кинетики химических реакций, строения химических соединений, явлений адсорбции, соосаждения, катализа, измерению физико-химических постоянных, разработке методов радиометрического анализа. Радиохимические методы исследования находят широкое применение в решении многих проблем геохимии и космохимии, а также при поиске полезных ископаемых. Развивается новое направление в Радиохимии — химия процессов, происходящих вслед за ядерной реакцией образования радиоактивных изотопов, когда вновь полученные атомы обладают высокой энергией. Наконец, проводятся работы по изучению продуктов ядерных превращений под действием частиц высокой энергии (ядерная химия). Во всех этих областях Радиохимии активно работают отечественные учёные и учёные ряда зарубежных стран.

Объекты исследования

Объектами исследования в Радиохимии являются радиоактивные вещества, содержащие радиоактивные изотопы, многие из которых характеризуются ограниченным временем существования и ядерным (радиоактивным) излучением; это обусловливает специфические особенности методов исследования. Радиоактивное излучение даёт возможность использовать в Радиохимии специфические радиометрические методы измерения количества радиоактивного вещества (радиометрический анализ) и в то же время вызывает необходимость применения особой техники безопасности при работе, так как радиоактивное излучение в дозах, превышающих предельно допустимые, вредно для здоровья человека (дозиметрия). Методы измерения радиоактивности превосходят по чувствительности все другие методы и позволяют иметь дело с минимальным количеством вещества, не поддающимся изучению какими-либо другими методами. Используя особо чувствительные методы регистрации радиоактивного распада, можно определить наличие отдельных атомов радиоактивного изотопа, установить факт их распада.

Разделы и задачи радиохимии

Радиохимия подразделяется на следующие разделы:

• Общая радиохимия — изучает физико-химические закономерности поведения радиоактивных изотопов и элементов. Радиоактивные изотопы по химическим свойствам практически не отличаются от нерадиоактивных. В природных объектах, рудах, в продуктах, получаемых искусственно, в растворах, образующихся после переработки сырья, они присутствуют в сверхнизких концентрациях. Претерпеваемый ими распад сопровождается ядерным излучением. Большинство природных радиоактивных изотопов — дочерние изотопы, продукты распада.
• Промышленная химия — химия ядерного топливного цикла, производство радиоактивных изотопов и меченых соединений;
• Медицинская радиохимия — использование радионуклидов и связанных с ними ионизирующих излучений в медицине для целей диагностики, терапии и хирургии;
• Прикладная радиохимия — включает разработку методов синтеза меченых соединений и применения радиоактивных изотопов в химической науке и промышленности (изотопные индикаторы) и ядерных излучений в химическом анализе (ядерная γ-резонансная спектроскопия);
• Химия ядерных превращений — включает изучение реакций атомов, образующихся при ядерных превращениях (горячие атомы), продуктов ядерных реакций, методы получения, концентрирования и выделения радиоактивных изотопов и их ядерных изомеров, а также превращений радиоактивных веществ под действием собственного излучения, изучение их свойств;
• Химия радиоактивных элементов — это химия естественных (природных) радиоактивных элементов и искусственных. Условно к этому разделу относят химию и технологию ядерного горючего — получение и химическое выделение 239Pu из облученного урана, 233U — из облученного нейтронами тория и 235U — из естественной смеси изотопов;
• Фундаментальная радиохимия;
• Экологическая радиохимия.

Перед радиохимией стоят следующие задачи:

• получение и выделение с высокими химическими выходами, с высокой чистотой тех или иных делящихся материалов (радиоактивных нуклидов);
• разработка высокотехнологичных и быстрых методов получения и выделения радионуклидов;
• изучение продуктов ядерных превращений на изотопном, элементном и молекулярном уровнях;
• химическое доказательство перехода одного элемента в другой в результате радиоактивного распада или ядерной реакции.

Литература

• Радиохимия / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель — Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 28: Пустырник - Румчерод. — [отв. ред. С. Л. Кравец]. — 2015. — 766 с. — ISBN 978-5-85270-365-1
• Радиохимия / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 21: Проба-ременсы. — 1975. — 639 с.
• Несмеянов А.Н. Радиохимия. — Москва: Издательство "Химия", 1972. — С. 10. — 592 с.