Ядерная энергетика Курсовой проект по дисциплине "Детали машин" Лекции по физике Начертательная геометрия Черчение Контрольная по математике Дизайн квартир

Ядерная энергетика

Изотопные эффекты - неидентичность свойств изотопов данного элемента, обусловленная различием масс изотопных атомов (атомных весов).

Изотопные эффекты проявляются в различии любых свойств изотопов, кроме радиоактивных. Однако поскольку для изотопов большинства элементов (за исключением наиболее лёгких) относительное различие в атомных весах изотопов невелико, то изотопный эффект для этих элементов выражены весьма слабо. Даже для лёгких элементов второго периода Периодической системы (Li-Ne) относительные различия в атомных весах изотопов не превышают 35%; для третьего периода (Na-Ar) они не превышают 20%, для четвёртого (K-Kr) и пятого (Rb-Xe) периодов - 15%; для более тяжёлых элементов они всегда менее 10%. Лишь для элементов первого периода (Н - Не) относительные различия в атомов весьма велики - для водорода максимальное различие достигает 200%, а для гелия - 100%.

Неодинаковые атомные веса изотопов обусловливают определённые различия таких свойств изотопных соединений, как плотность, вязкость, показатель преломления, коэффициент диффузии, удельный заряд ионов и др. При этом отношение плотностей изотопных соединений достаточно точно совпадает с отношением их молекулярных весов, а удельные заряды изотопных ионов обратнопропорциональны их молекулярным весам. Кроме того, различие масс изотопных атомов вызывает изменение уровней поступательной, вращательной и колебательной энергии молекул при их изотопном замещении, что приводит к различию колебательно-вращательных спектров изотопных соединений.

Изменение энергетических уровней при изотопном замещении, в свою очередь, вызывает изменение термодинамических свойств, таких как теплоёмкость, теплопроводность, теплоты испарения и плавления, давление насыщенного пара и др. Так, например, отношение давлений пара Н2 и D2 составляет 2,448 при - 251,1о; отношение давлений пара Н2О и D2O составляет 1,148 при 20о и 1,052 при 100о; соответствующее отношение для Н216О и Н218О составляет 1,009 при 23о и 1,003 при 100о.

Что касается химических свойств изотопных соединений, то остаются в основном неизменными, т. к. масса атома не влияет на его электронную конфигурацию, определяющую химические свойства. Однако термодинамическая неравноценность изотопных соединений приводит к неравномерному распределению изотопов при равновесии изотопного обмена (термодинамический изотопный эффект), а также к преимущественной адсорбции одной из изотопных форм на сорбенте. Кроме того, термодинамическая неравноценность исходных изотопных соединений в сочетании с аналогичной неравноценностью переходных состояний (активных комплексов) при химических реакциях изотопных соединений обусловливает различие в скоростях протекания этих реакций (кинетический изотопный обмен). Поскольку термодинамический и кинетический эффекты зависят от различий колебательно-вращательных и поступательных энергетических уровней изотопных молекул, то, исходя из данных колебательного спектра этих молекул, можно рассчитать изотопные эффекты статистическими методами. Термодинамические изотопные эффекты, выраженные отклонениями от единицы коэффициента равновесного распределения изотопов, для изотопного обмена водорода в случае трития и протия могут максимально достигать при 20о 16-18-кратного значения, а в случае дейтерия и протия - 8-9-кратного значения; для изотопного обмена других лёгких элементов - таких, как литий, бор, углерод, азот, хлор, эти отклонения редко превышают 10%, а в случае более тяжёлых элементов они обычно не превышают 1%.

Кинетические изотопные эффекты, выражающиеся отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений, в случае изотопов водорода также могут быть очень велики. Так, например, отношение констант скоростей синтеза бромистого водорода и бромистого дейтерия равно 5. Для изотопов всех других элементов отклонения этого отношения от единицы никогда не превышают 50%.

В основе использования изотопов в качестве меченных атомов лежит их химическая и физико- химическая идентичность. Фактически же всегда имеют место различия в свойствах изотопов, характеризуемые значениями изотопных эффектов. Таким образом, знание изотопных эффектов позволяет вносить поправки на различие свойств изотопов при их использовании в качестве меченых атомов. Очевидно, что учёт соответствующих поправок имеет существенное значение при работе лишь с изотопами лёгких элементов и особенно водорода.

Различия в свойствах изотопов позволяют разделять изотопы и определять их содержание в изотопных смесях. Любой способ разделения изотопов, а также количественный анализ стабильных изотопов основаны на наличии изотопных эффектов (при этом метод разделения тем эффективнее, чем больше соответствующий изотопный эффект). Так, например, ректификационный метод разделения основан на различии в давлениях пара изотопных соединений. В основе метода центрифугирования лежит различие плотностей. Диффузионный метод предполагает различие коэффициентов диффузии. Методы разделения с использованием реакций изотопного обмена основаны на термодинамическом изотопном эффекте. Имеются методы разделения изотопов, основанные на изотопном кинетическом эффекте, как, например, широко распространённый электролитический метод получения тяжёлой воды.


Радиохимические заводы России