Краткая характеристика радионуклидов

Современные методы извлечения цезия  из поллуцита основаны на предварительном  сплавлении концентратов с избытком извести и небольшим количеством  плавикового шпата. Если процесс  вести при 1200° C, то почти весь цезий  возгоняется в виде оксида Cs2O. Этот возгон загрязнен примесью других щелочных металлов, однако он растворим в  минеральных кислотах, что упрощает дальнейшие операции. Металлический  цезий извлекают, нагревая до 900°  С смеси (1:3) измельченный поллуцит с  кальцием или алюминием.

Но, в основном, цезий получают как  пробочный продукт при производстве лития из лепидолита. Лепидолит предварительно сплавляют (или спекают) при температуре  около 1000° С с гипсом или сульфатом калия и карбонатом бария. В этих условиях все щелочные металлы превращаются в легкорастворимые соединения – их можно выщелачивать горячей водой. После выделения лития остается переработать полученные фильтраты, и здесь самая трудная операция – отделение цезия от рубидия и громадного избытка калия.

Для разделения цезия, рубидия и  калия и получения чистых соединений цезия применяют методы многократной кристаллизации квасцов и нитратов, осаждения и перекристаллизации Cs3[Sb2Cl9] или Cs2[SnCl6]. Используют также  хроматографию и экстракцию. Для  получения соединений цезия высокой  чистоты применяют полигалогениды.

Бóльшую часть производимого цезия выделяют в ходе получения лития, поэтому когда в 1950-х литий начали использовать в термоядерных устройствах и широко применять в автомобильных смазках, добыча лития, как и цезия возросла и соединения цезия стали доступнее, чем прежде.

Данные по мировому производству и  потреблению цезия и его соединений не публикуются с конца 1980-х. Рынок  цезия небольшой, и его ежегодное  потребление оценивается всего  лишь в несколько тысяч килограммов. В результате нет торговли и официальных  рыночных цен.

Цезий – золотисто-желтый металл, один из трех интенсивно окрашенных металлов (наряду с медью и золотом). После  ртути – это самый легкоплавкий металл. Плавится цезий при 28,44° С, кипит при 669,2° С. Его пары окрашены в зеленовато-синий цвет.

Легкоплавкость цезия сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу  элемента, его плотность при 20°  С составляет всего 1,904 г/см3. Цезий  много легче своих соседей  по Периодической таблице. Лантан, например, имеющий почти такую же атомную  массу, по плотности превосходит  цезий в три с лишним раза. Цезий  всего вдвое тяжелее натрия, в  то время как их атомные массы  относятся, как 6:1. По-видимому, причина  этого кроется в электронной  структуре атомов цезия (один электрон на последнем s-подуровне), приводящей к тому, что металлический радиус цезия очень велик (0,266 нм).

У цезия есть еще одно весьма важное свойство, связанное с его электронной  структурой, – он теряет свой единственный валентный электрон легче, чем любой  другой металл; для этого необходима очень незначительная энергия –  всего 3,89 эВ, поэтому, например, получение  плазмы из цезия требует гораздо  меньших энергетических затрат, чем  при использовании любого другого  химического элемента.

По чувствительности к свету  цезий превосходит все другие металлы. Цезиевый катод испускает  поток электронов даже под действием  инфракрасных лучей с длиной волны 0,80 мкм. Максимальная электронная эмиссия  наступает у цезия при освещении  зеленым светом, тогда как у  других светочувствительных металлов этот максимум проявляется лишь при  воздействии фиолетовых или ультрафиолетовых лучей.

Химически цезий очень активен. На воздухе он мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO2 с примесью пероксида Cs2O2. Цезий способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого вакуума. С водой он реагирует со взрывом с образованием гидроксида CsOH и выделением водорода. Цезий взаимодействует даже со льдом при –116° C. Его хранение требует большой осторожности.

Цезий взаимодействует и с углеродом. Только самая совершенная модификация  углерода – алмаз – в состоянии  противостоять цезию. Жидкий расплавленный  цезий и его пары разрыхляют сажу, древесный уголь и даже графит, внедряясь между атомами углерода и давая довольно прочные соединения золотисто-желтого цвета. При 200–500°  С образуется соединение состава C8Cs5, а при более высоких температурах – C24Cs, C36Cs. Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при  сильном нагревании разлагаются  и отдают весь поглощенный цезий.

Даже при обычной температуре  реакции цезия с фтором, хлором и другими галогенами сопровождаются воспламенением, а с серой и  фосфором – взрывом. При нагревании цезий соединяется с водородом. С азотом в обычных условиях цезий  не взаимодействует. Нитрид Cs3N образуется в реакции с жидким азотом при электрическом разряде между электродами, изготовленными из цезия.

Цезий растворяется в жидком аммиаке, алкиламинах и полиэфирах, образуя синие растворы, обладающие электронной проводимостью. В аммиачном растворе цезий медленно реагирует с аммиаком с выделением водорода и образованием амида CsNH2.

Сплавы и интерметаллические соединения цезия сравнительно легкоплавки. Аурид цезия CsAu, в котором между атомами золота и цезия реализуется частично ионная связь, является полупроводником n-типа.

Наилучшее решение задачи получения  металлического цезия было найдено  в 1911 французским химиком А.Акспилем. По его методу, до сих пор остающемуся наиболее распространенным, хлорид цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме:

2CsCl + Ca ® CaCl2 + 2Cs

при этом реакция идет практически  до конца. Процесс ведут при давлении 0,1–10 Па и температуре 700–800° С. Выделяющийся цезий испаряется и отгоняется, а  хлористый кальций полностью  остается в реакторе, так как в  этих условиях летучесть соли ничтожна (температура плавления CaCl2 равна 773°  С). В результате повторной дистилляции  в вакууме получается абсолютно  чистый металлический цезий.

Описаны и многие другие способы  получения металлического цезия  из его соединений. Металлический  кальций можно заменить его карбидом, однако при этом температуру реакции  приходится повышать до 800° С, поэтому  конечный продукт загрязняется дополнительными  примесями. Проводят также электролиз расплава галогенида цезия с использованием жидкого свинцового катода. В результате получают сплав цезия со свинцом, из которого металлический цезий  выделяют дистилляцией в вакууме.

Можно разлагать азид цезия или  восстанавливать цирконием его  дихромат, однако эти реакции иногда сопровождаются взрывом. При замене дихромата цезия хроматом процесс  восстановления протекает спокойно, и хотя выход не превышает 50%, отгоняется очень чистый металлический цезий. Этот способ применим для получения  небольших количеств металла  в специальном вакуумном приборе.

Мировое производство цезия сравнительно невелико.

Металлический цезий – компонент  материала катодов для фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, телевизионных  передающих электронно-лучевых трубок. Фотоэлементы со сложным серебряно-цезиевым фотокатодом особенно ценны для  радиолокации: они чувствительны  не только к видимому свету, но и  к невидимым инфракрасным лучам  и, в отличие, например, от селеновых, работают безинерционно. В телевидении и кино широко распространены сурьмяно-цезиевые фотоэлементы; их чувствительность даже после 250 часов работы падает всего на 5–6%, они надежно работают в интервале температур от –30° С до +90° С. Из них составляют так называемые многокаскадные фотоэлементы; в этом случае под действием электронов, вызванных лучами света в одном из катодов, наступает вторичная эмиссия – электроны испускаются добавочными фотокатодами прибора. В результате общий электрический ток, возникающий в фотоэлементе, многократно усиливается. Усиление тока и повышение чувствительности достигаются также при заполнении цезиевых фотоэлементов инертным газом (аргоном или неоном).

Металлический цезий служит для  изготовления специальных выпрямителей, во многих отношениях превосходящих  ртутные. Его используют в качестве теплоносителя в ядерных реакторах, компонента смазочных материалов для  космической техники, геттера в  вакуумных электронных приборах. Металлический цезий проявляет  и каталитическую активность в реакциях органических соединений.

 

Цезий используется в атомных стандартах времени. «Цезиевые часы» необыкновенно  точны. Их действие основано на переходах  между двумя состоянием атома  цезия с параллельной и антипараллельной ориентацией собственных магнитных  моментов ядра атома и валентного электрона. Этот переход сопровождается колебаниями со строго постоянными  характеристиками (длина волны 3,26 см). В 1967 Международная генеральная  конференция по мерам и весам  установила: «Секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома  цезия-133».

В последнее время большое внимание уделяется цезиевой плазме, всестороннему изучению ее свойств и условий образования, возможно, она станет использоваться в плазменных двигателях будущего. Кроме того, работы по исследованию цезиевой плазмы тесно связаны с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Многие считают, что целесообразно создавать цезиевую плазму, используя тепловую энергию атомных реакторов.

Хранят цезий в стеклянных ампулах  в атмосфере аргона или стальных герметичных сосудах под слоем  обезвоженного вазелинового масла. Утилизируют остатки металла  обработкой пентанолом.

После аварии на ЧАЭС во внешнюю среду  поступило 1.0 МКи цезия-137. В настоящее время это основной дозообразующий радионуклид на территориях, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС. От его содержания и поведения во внешней среде зависит пригодность загрязненных территорий для полноценной жизни.

Почвы Украинско-Белорусского Полесья  имеют специфическую особенность  — цезий-137 плохо фиксируется  ими и, как следствие, он легко  поступает в растения через корневую систему. Поэтому еще в доаварийные времена содержание этого радионуклида в выращенной здесь продукции было в 35-40 раз выше, чем в центральных районах страны. После аварии на ЧАЭС людей пришлось отселять из наиболее пострадавших районов вовсе не из-за опасно высокого радиационного фона — там стало невозможным ведение сельского хозяйства.

В Украине есть места, где нельзя получать чистую продукцию даже при  уровне загрязнения цезием-137 в 1 Ки/км2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Радионуклиды природного происхождения  содержатся в объектах окружающей среды, излучение которых создает естественный радиационный фон. В результате производственной деятельности человека (добыча и переработка  минерального сырья, строительство  и пр.) происходит перераспределение  природных радионуклидов в объектах среды обитания людей и окружающей среде и, соответственно, техногенное  изменение радиационного фона.

 Облучение населения природными  источниками излучения считается  повышенным, если суммарная эффективная  доза за счет всех основных  природных источников излучения  превышает 5 мЗв/год; если дозы облучения населения превышают 10 мЗв/год, то облучение населения является высоким. Стратегия защиты населения от природных источников излучения основывается на следующих основных принципах: - Контроль соблюдения установленных ограничений на отдельные природные источники облучения населения (жилые и общественные здания, строительные материалы и территории застройки, фосфорные удобрения и мелиоранты), а также пределов дозы облучения природными источниками излучения критических групп населения в результате обращения с материалами или производственными отходами с повышенным содержанием природных радионуклидов и т.д. - Обследование уровней облучения за счет всех природных источников излучения и выявление критических групп, анализ структуры облучения населения и критических, разработка и осуществление в случае необходимости оптимальных. - Защитных мероприятий для снижения дозы облучения населения природными источниками излучения. - Ожидаемые негативные социальные (например, ограничение водопотребления ) и экономические (ограничение землепользования, использования минерального сырья и т.д.) последствия планируемых защитных мероприятий должны быть минимальными. - Мероприятия по снижению облучения граждан природными источниками излучения в этих случаях, осуществляются с их согласия с обязательным информированием о дозах облучения и возможных последствиях.

 Мероприятия по обеспечению  радиационной безопасности при  производственном облучении природными  источниками излучения включают: - Обследование радиационной обстановки  с оценкой доз облучения работников  с целью выявления организаций  и предприятий, работники которых  подвергаются облучению в дозах  свыше 1 мЗв/год. - Выявление рабочих мест и определение численности работников с дозами облучения более 2 до 5 мЗв/год, для которых необходимо проведение производственного радиационного контроля и осуществление мероприятий по снижению их облучения. - Выявление работников с дозами облучения выше норматива (5 мЗв/год), для которых необходимо первоочередное проведение мероприятий по снижению доз.