Тритий для чего используется
Тритий: что это такое, особенности, свойства и производство
Изотопы водорода
Прежде чем объяснить, что это такое тритий, необходимо познакомиться с понятием изотопа.
В обычном атоме число электронов и протонов совпадает, а вот количество нейтронов может отличаться. В этом случае элементы, имеющие разное число нейтронов в ядре, называются изотопами элемента.
Дейтерий означает «второй». В его ядре имеется один протон и один нейтрон. А тритий переводится как «третий» и содержит в ядре опять же один протон, но два нейтрона.
История открытия
В 1934 году Эрнест Резерфорд сумел искусственно получить третий изотоп при помощи ядерных реакций. Само собой, название было выбрано заранее, и, по аналогии с протием и дейтерием, он стал называться тритием.
Свойства
Атомная масса трития равняется примерно 3 а.е.м.
Дефект масс и энергия связи трития
Одним из ключевых в физике элементарных частиц является понятие энергии связи атомных ядер. Под энергией связи ядра трития понимают то количество энергии, которое необходимо, чтобы произошло расщепление его ядра на отдельные нуклоны. Поскольку ядра удерживаются так называемым сильным взаимодействием, требуется большое количество энергии, чтобы их расщепить.
Чтобы высчитать энергию связи ядра, необходимо знать массу субатомных частиц. Известно, что масса покоя ядра меньше суммарной массы нуклонов в его составе. Разницу между массами ядра и суммами его нуклонов называют дефектом масс.
Дефект массы трития, как и других ядер, рассчитывается по формуле:
Удельная энергия связи для элемента трития составляет 2 827,2 кэВ на нуклон.
Тритий в природе
Количество этого изотопа в природе является ничтожным. Связано это с его радиоактивностью, то есть нестабильностью ядра.
По подсчетам ученых, в чистом виде трития на Земле содержится едва ли более 1 кг. Поэтому его вырабатывают искусственно, в лабораторных условиях.
Производство трития
В настоящее время получение данного изотопа не представляет трудностей, но является чрезвычайно дорогостоящим процессом. Для изготовления одного килограмма вещества требуются затраты в размере 30 млн долларов.
Для получения водорода с тритием из бериллия и бора их обрабатывают серной кислотой.
В настоящее время элемент производится в основном на территории США, Канады и России.
Радиоактивность
Тритий является радиоактивным. При его распаде выделяется бета-излучение, представляющее собой поток электронов.
При внешнем облучении организма тритий не наносит серьезного вреда. Однако при попадании внутрь с водой, пищей или воздухом он может нанести существенный ущерб здоровью. Дело в том, что являясь изотопом водорода, тритий способен замещать его в химических соединениях. Таким образом, он попадает внутрь живых клеток и встраивается в их структуру. Это сказывается на генетической информации клетки.
Как было сказано, в природе тритий практически не встречается, поэтому едва ли может нанести вред живым организмам. Однако предприятия атомной промышленности становятся источником искусственной выработки этого изотопа. Атомные электростанции выбрасывают тритий в жидком и газообразном состоянии. Причина этого в том, что изотоп практически не фильтруется. В год на АЭС образуется до 4 кг трития. Результатом выбросов становится радиоактивное загрязнение почвы, воздуха и воды. Таким образом, он является потенциальным источником заражения живых организмов. Именно поэтому тритий был занесен в список контролируемых параметров при оценке качества питьевой воды.
Применение
Тритий применяется в качестве индикатора химических реакций.
Наконец, этот изотоп используется для определения возраста объектов, которым не более 100 лет, например, вин.
ТРИТИЙ
ТРИТИЙ – (сверхтяжелый водород), один из изотопов водорода, в ядре которого содержатся один протон и два нейтрона. Радиоактивен, период полураспада – 12,26 года; при бета-распаде превращается в гелий-3. Температура плавления – 252,2° С, температура кипения – 248,1° С.
В погоне за тритием.
Почти сразу же после открытия дейтерия (см. ДЕЙТЕРИЙ И ТЯЖЕЛАЯ ВОДА) начались поиски в природе трития – третьего сверхтяжелого изотопа водорода, в ядре которого помимо одного протона есть два нейтрона. Физикам было очевидно, что если тритий есть в обычном водороде, он будет концентрироваться вместе с дейтерием. Поэтому сразу несколько групп исследователей, которые наладили получение тяжелой воды или имели доступ к ней, включились в погоню за новым изотопом, используя для поисков разные методы. Впоследствии обнаружилось, что почти все методы принципиально не могли дать положительных результатов, так как не обладали нужной чувствительностью.
Уже в первой работе Г.Юри, в которой был открыт дейтерий, была сделана попытка обнаружить и тритий – точно таким же образом, по заранее предсказанному теорией положению спектральных линий. Однако на спектрограммах не было даже намека на эти линии, что, в общем, не удивило исследователей. Если дейтерия в обычном водороде всего сотые доли процента, то вполне вероятно, что трития намного меньше. Вывод был ясен: надо увеличивать как чувствительность анализа, так и степень обогащения водорода его тяжелыми изотопами.
Синтез трития.
В том же году Резерфорд уже демонстрировал новые ядерные превращения на своих лекциях: счетчик частиц был соединен через усилитель с громкоговорителем, так что в аудитории раздавались громкие щелчки, которые по мере повышения напряжения на разрядной трубке становились все чаще. При этом на каждый миллион дейтериевых «снарядов», попадающих в мишень, получался один атом трития – это очень много для ядерных реакций такого типа.
Таким образом, для обнаружения трития надо было еще больше увеличить степень концентрирования воды. Но это требовало уже гигантских затрат. К решению проблемы подключили самого Резерфорда. Используя свой огромный авторитет, он обратился с личной просьбой к норвежцам, чтобы они провели невиданный доселе по масштабам эксперимент: получили бы тяжелую воду, сконцентрировав обычную в миллиард раз! Сначала было подвергнуто электролизу 13 000 тонн обычной воды, из которых получили 43,4 кг тяжелой воды с содержанием D2O 99,2%. Далее это количество путем почти 10-месячного электролиза уменьшили до 11 мл. Условия электролиза были выбраны так, чтобы способствовать концентрированию предполагаемого трития. Таким образом, из 13 тысяч тонн воды (а это 5 железнодорожных составов по 50 цистерн в каждом!) была получена всего одна пробирка обогащенной воды. Мир не знал еще столь грандиозных опытов!
Обнаружение природного трития.
Может ли тритий быть радиоактивным? Уже Резерфорд после неудачи со своим грандиозным опытом не исключал такой возможности. Расчеты также говорили о том, что ядро трития должно быть нестабильным и, следовательно, он должен быть радиоактивным. Именно радиоактивностью трития со сравнительно небольшим временем жизни можно было объяснить ничтожные его количества в природе. Действительно, вскоре радиоактивности у трития была обнаружена экспериментально. Конечно, это был искусственно полученный тритий. В течение 5 месяцев не было заметно спада радиоактивности. Из этого следовало, с учетом точности экспериментов, что период полураспада трития не меньше 10 лет. Современные измерения дают для периода полураспада трития 12,262 года.
При распаде тритий испускает бета-частицы, превращаясь в гелий-3. Энергия излучения трития настолько мало, что оно не может пройти даже через тоненькую стенку счетчика Гейгера. Поэтому анализируемый на присутствие трития газ необходимо запускать внутрь счетчика. С другой стороны, малая энергия излучения имеет свои преимущества – с соединениями трития (если они нелетучи) работать не опасно: испускаемые им бета-лучи проходят в воздухе всего несколько миллиметров.
Для отработки методов анализа трития потребовались значительные его количества. Поэтому стали появляться новые способы его синтеза, например, 9 Be + 2 H ® 8 Be + 3 H, 6 Li + 1 n ® 4 He + 3 H и другие. А точность анализа чрезвычайно повысилась. Стало возможным, например, анализировать образцы, в которых происходил всего один распад атома трития в секунду – в таком образце трития содержится меньше, чем 10 –15 моль! Теперь в руках физиков был исключительно чувствительный метод анализа – в довоенные годы он был примерно в миллион раз чувствительнее, чем масс-спектрометрический. Настало время вернуться к поискам трития в природных источниках.
Тритий в природе.
Чтобы застраховаться от возможной ошибки, решили повторить все с самого начала, тщательно следя за каждым шагом этого решающего эксперимента. Авторы попросили норвежскую компанию приготовить еще несколько образцов обогащенной воды. Воду взяли из горного озера на севере Норвегии в январе 1948. Из нее путем электролитического концентрирования получили 15 мл тяжелой воды. Ее перегнали и ввели в реакцию с оксидом кальция: СаО + D2O ® Ca(OD)2. Восстановлением цинком при температуре красного каления из дейтероксида кальция получили дейтерий: Ca(OD)2 + Zn ® CaZnO2 + D2. Масс-спектрометрический анализ показал, что получен чистейший дейтерий, который и запустили в счетчик Гейгера для измерения его радиоактивности. Газ оказался радиоактивным, а это означало, что вода, из которой был выделен дейтерий, содержала тритий. Аналогично было приготовлено и проанализировано еще несколько образцов, чтобы уточнить, сколько же трития содержится на самом деле в природном водороде.
Исключительная тщательность работы не оставляла никаких сомнений в полученных результатах. Но еще за год до окончания этой работы вышла статья Ф.Фалтингса и того же П.Хартека из Физико-химического института при Гамбургском университете, в которой сообщалось об обнаружении трития в атмосферном водороде. Таким образом, Хартек дважды участвовал в открытии трития: сначала – искусственного, а через 16 лет – природного.
Воздух – не самый богатый источник водорода – его в нем всего 0,00005% (на уровне моря). Поэтому по заказу немецких физиков фирма «Линде» переработала сто тысяч кубометров воздуха, из которого путем сжижения и ректификации был выделен водород, а из него окислением на оксиде меди получено 80 г воды. С помощью электролиза эта вода была сконцентрирована в несколько десятков раз, затем ею был «погашен» карбид кальция: CaC2 + 2H2O ® Ca(OH)2 + С2H2, а ацетилен прогидрирован оставшимся водородом до этана: С2Н2 + 2Н2 ® С2Н6. Полученный этан, в который переходил весь исходный тритий, затем анализировали на радиоактивность. Расчет показал, что в воздухе трития (в виде молекул НТ) исключительно мало: в 20 куб. см воздуха содержится одна молекула трития, т.е. во всей атмосфере его должно быть всего. 1 моль или 3 г. Однако если учесть, что водорода в воздухе исключительно мало, то получается, что атмосферный молекулярный водород обогащен тритием в 10 000 раз больше, чем водород в составе дождевой воды. Отсюда следовало, что свободный и связанный водород в атмосфере имеют разное происхождение. Подсчет показал также, что во всех водоемах Земли трития содержится всего лишь 100 кг.
Современные радиохимические методы позволяют с большой точностью определять содержание трития в сравнительно небольшом количестве воды, взятой из того или иного источника. Для чего это нужно? Оказывается, радиоактивный тритий с весьма удобным временем жизни – чуть больше 10 лет – может дать много ценной информации. У.Либби назвал тритий «радиоводородом», по аналогии с радиоуглеродом. Тритий может служить прекрасной меткой для изучения различных природных процессов. С его помощью можно определять возраст растительных продуктов, например, вин (если им не больше 30 лет), поскольку виноград поглощает тритий из почвенных вод, а после снятия урожая содержание трития в виноградном соке начинает снижаться с известной скоростью. Сам Либби провел множество подобных анализов, переработав сотни литров различных вин, поставленных ему виноделами из разных местностей. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.
Наиболее богатые природные источники трития – дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник – в основном та же океаническая вода, а ней трития немного. Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе – с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.
Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу (12%). Интересно, что газообразный Т2 в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода Т2О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации. В среднем организм человека содержит 5·10 –12 г трития, что дает вклад 0,13 мбэр в общую дозу годового облучения (это в сотни раз меньше облучения от других источников радиации). Интересно, что у людей, носящих часы, в которых стрелки и цифры покрыты тритиевым люминофором, содержание трития в теле в 5 раз выше среднего.
Тритий побеждает темноту
Night Vision Tube, LLT, Тригалайт, Тритиево-газовый световой источник – все это обозначения новейшего вида подсветки при помощи трития стрелок и меток на циферблатах передовых моделей наручных часов, морских и авиационных приборов, и вообще всякого оборудования, которое используется в темноте, на больших глубинах, в пещерах, в трудных погодных условиях, в ночное время.
Что же такое тритий? Почему этот способ подсветки появился только недавно? Как работает тритиевая подсветка? Не вредна ли эта технология для здоровья человека? Ответим на все по порядку.
Принцип работы тритиевой подсветки легко понять, если вспомнить обыкновенный старый телевизор с кинескопом. Там лучевая пушка посылает направленные лучи и заставляет светиться поверхность экрана. Здесь, то же самое. Тритий помещают в небольшую герметичную ёмкость, обычно из боросиликатного стекла, на внутреннюю поверхность которой нанесён тонкий слой светящегося при воздействии электронов вещества. Тритиевая подсветка может быть и цветной: самая интенсивная по свечению и яркости — зеленая, она принимается за 100 %. Далее по убыванию идут в сравнении с зелёным — жёлтый (80 %), белый (60 %), бледно-голубой (60 %), оранжевый (40 %), красный (20 %) и синий (15 %).
Тритиевая стрелка или метка представляют собой герметичный сосуд, внутри покрытый люминофором, или светящимся веществом, причем нанесение такого вещества можно проводить только вручную. Далее стрелку или метку, цифру и т.д. заполняют тритием (изотоп водорода) и проводят герметизацию сосуда. Процесс установки тритиевой подсветки часов производится также вручную.
Для здоровья человека тритиевая подсветка совершенно безвредна. Энергия высвобождающихся электронов настолько мала, что толщины люминофора и стенок ёмкости достаточно, чтобы полностью поглотить эти электроны. Непосредственно сам тритий не представляет угрозы радиационной опасности, пока он заключен в герметичные трубки, непроницаемые для водорода. Облучение некоторой дозой возможно, если тритий вдохнуть или проглотить. Но даже при утечке вещества из подсветки, опасности практически нет, так как трития там содержится совсем небольшое количество, и он просто не успеет подействовать на владельца часов – попросту улетучится в атмосферу. Но, даже попав в организм, если кому-то придет в голову проглотить сломанные часы, как следует, пожевав стрелки и метки, тритий в скором времени просто выйдет оттуда практически не задерживаясь, причинив минимальный ущерб.
А теперь, когда вы знаете все о свойствах трития и уверены в его безопасности (материалы об этом имеются в Википедии и других источниках) – несколько слов о преимуществах тригалайта.
Он отличается постоянством свечения и полной автономностью. То есть, не требуется никаких источников света для «подпитки» — пока тритий не распался, тригалайт в рабочем состоянии. Большинство светонакопительных составов требуют регулярной световой «зарядки» и теряют в темноте до 90 % яркости в течение часа. А тригалайт половину яркости потеряет только через 12 лет с момента изготовления (период полураспада трития
Военные специалисты оценят часы Traser H3 watches. Они созданы, чтобы выдерживать самые экстремальные условия – температуру (не только жару, но и холод!), влажность воздуха, внезапные перепады высоты, защищены от воздействия магнитных полей, устойчивы к серьезным механическим нагрузкам и ударам, влаго- и водонепроницаемы. И тут работает подсветка – тригалайт, которая будет видна в темноте, в сумерках, тумане, под водой! Traser P6600.91K.C3.01, Traser P6704.4A0.I2.01, Traser 6602.R51.N4A.01BL – прекрасные часы для военных, геологов, спелеологов, парашютистов, для людей, проводящих длительное время в условиях дикой природы.
31 мая 1989 года в США официально вступил в силу новый военный стандарт MIL-W-46374E, регламентирующий использование тритиевой подсветки в военных наручных часах. Новая система подсветки потребовала конструктивных изменений циферблата и стрелок. Также на циферблате военных часов Traser H3 watches имеется маркировка H3 (тритий).
Тритий
Тритий называют сверхтяжелым водородом. Он представляет собой один из изотопов водорода, в ядре которого находится один протон и два нейтрона. Этот элемент является радиоактивным, а период его полураспада составляет 12,26 года. В процессе бета-распада тритий трансформируется в гелий-3.
Элемент тритий
Синтез трития
После этого физики и химики из Принстонского университета, общими усилиями в 1935 осуществили электролиз 75 тонн воды. Результатом колоссального труда стало получение небольшой ампулы, в которой содержался остаток обогащенной воды, объемом 0,5 мл. Однако, масс-спектральный анализ не показал новой информации – спектр все также содержал пик, который отвечал массе 5, его приписывали ионам (DT)+. При этом количество содержания трития в природе показало отношение Т:Н
Распад трития
Радиоактивен ли тритий? Даже Резерфорд после того, как получение трития ему не удалось, говорил о возможной его радиоактивности. Все проведенные исследования тоже сводились к тому, что ядро трития крайне нестабильно а, значит, элемент радиоактивен.
Уровень радиоактивности трития удалось вычислить экспериментальным путем и, естественно, из искусственно полученного элемента. На протяжении полугода ученые не заметили спада радиоактивности. Это говорило о том, что период полураспада трития не менее 10 лет.
Распад трития сопряжен с выделением бета-частиц, во время превращения в гелий-3. Энергия трития, излучающаяся в этот момент настолько незначительна, что не может пройти через тоненькую стенку счетчика Гейгера. Таким образом, анализируемый на наличие трития газ нужно пропускать через сам счетчик.
Использование трития
Если ученым удастся создать при участии дейтерия и трития управляемую термоядерную реакцию, то человечество получит неисчерпаемый источник энергии. Однако, задача не из легких. Более 50 лет специалисты из разных стран пытаются создать такой термоядерный реактор, который выделял бы больше энергии, чем потреблял. На сегодняшний день все обнадеженно смотрят на международный термоядерный реактор ИТЭР, разработка которого ведется на юге Франции. Самые умные люди планеты трудятся над созданием новой отрасли энергетики, которая будет использовать энергию слияния ядер трития и дейтерия, а в будущем полностью перейдет на использование одного дейтерия, чьи ядра охотно взаимодействуют между собой.
ОБРАЗОВАНИЕ В МОСКВЕ
Можете себе представить аккумулятор для смартфона, который не требует зарядки на срок до 20 лет? Теперь это становится возможным благодаря чудесам ядерного деления. Как вам осознание мысли, что у вас в кармане будет лежать радиоактивный материал? Потому как в качестве активного вещества в ядерном аккумуляторе будет использоваться тритий
Аккумуляторы на основе триттия
Но все не так страшно, ведь излучение, вызванное распадом трития, считается безопасным, и не в состоянии навредить даже верхнему слою кожи. Например его действие можно увидеть на часах, которые светятся в темноте.
Один такой аккумулятор способен выдавать от 0.8 до 2.4В и от 50 до 300 наноампер в течении 20 лет. Уверен, что многие захотят иметь такой аккумулятор для зарядки своего телефона.
Источники света на основе ириттия
Электроны, испускаемые в результате бета-распада трития, возбуждают атомы вещества-люминофора, которые переходят из возбуждённого состояния в обычное, испуская при этом энергию. Ввиду малой энергии электронов, толщины люминофора и стенок ёмкости достаточно, чтобы полностью поглотить электроны.
Широко известны брелоки-маркеры, облегчающие поиск ключей и других предметов в темноте. Производятся они путём помещения капсулы с тритием в прочный герметичный корпус из поликарбоната.
Брелоки выпускаются в нескольких вариантах, как по дизайну, так и по размеру, а также — со свечением на выбор: зелёным, жёлтым, голубым, тёмно-синим, оранжевым, красным и белым. Бывают также варианты с несколькими капсулами в одном корпусе.
Самые интенсивные по свечению и яркости — с зелёным свечением, в силу особенностей устройства человеческого глаза. Его интенсивность принимается за 100%. Далее по убыванию идут в сравнении с зелёным — жёлтый (80%), белый (60%), бледно-голубой (60%), оранжевый (40%), красный (20%) и синий (15%).
В то же время широко распространённые в последнее время светонакопительные составы на основе алюмината стронция требуют источника света для «зарядки» и теряют в полной темноте 90% яркости в течение 60 минут.
Непосредственно сам тритий не представляет угрозы радиационной опасности, пока он заключен в непроницаемые, герметичные трубки. Самое главное — не вскрывать и не разбивать тритиевые брелоки и капсулы.
Но даже при утечке вещества из подсветки опасности практически нет, так как трития там содержится сравнительно небольшое количество (он улетучится в атмосферу) и он, непосредственно, в чистом виде не участвует в обмене веществ. То есть, даже попав в организм, тритий в скором времени просто выйдет оттуда, практически не задерживаясь, причинив минимальный ущерб.
Но если тритий вступит в реакцию с кислородом воздуха и сгорит (например, рядом с источником открытого пламени), а образовавшиеся пары сверхтяжёлой воды попадут внутрь организма — в этом случае последствия будут хуже, так как по химическим свойствам сверхтяжёлая вода практически идентична обычной воде, которая участвует в обмене веществ и может долго циркулировать в организме, облучая его изнутри.
К счастью, единичный случай употребления тритиевой воды не приводит к длительному накоплению трития в организме, так как ее период полувыведения — от 7 до 14 дней.
Тритиевая подсветка (в брелоках, часах и др.) разрешена во всех странах мира, беспрепятственно распространяется почтовыми сообщениями, так как соответствует стандартам безопасности многих государств. В то же время могут представлять опасность брелоки, в которых часть трития или весь газ заменен на более дешевые изотопы.
Триттиевые технологии все увереннее входят в наш быт. Весьма вероятно, что за ними большое будущее!