Документ 4028749

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Для изучения данного курса необходимо знание общей и неорганической химии,
аналитической химии, физической химии, физики и математики (включая разделы теории
вероятностей и математической статистики) в полном объеме, предусмотренном учебным
планом специальности.
Цели изучения дисциплины заключаются в формировании основ научных знаний и
практических навыков в области радиохимии, ядерной технологии:
изучение временной эволюции изолированных и генетически связанных
радионуклидов; состояния и межфазного распределения радионуклидов в
технологических и природных системах; особенностей физико-химического
поведения атомов, вызванных высокой кинетической энергией ядер отдачи в
момент их образования; элементов радиационной химии;
овладение физическими и метрологическими принципами детектирования
ионизирующих излучений (взаимодействие излучения с веществом и работа
современных детекторов), основами статистической обработки результатов
измерения радиоактивности; методами исследование форм состояния и процессов
межфазного распределения микрокомпонентов - радионуклидов;
приобретение навыков моделирования физико-химических процессов с участием
микрокомпонентов – радионуклидов;
приобретение навыков практической работы с радиоактивными веществами в
закрытом и открытом виде и
организации работ в соответствии с
государственными нормативными документами (НРБ-99).
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
2.1. Междисциплинарные связи с обеспечивающими (предыдущими) дисциплинами
Для изучения данного курса необходимо знание общей и неорганической химии,
аналитической химии, физической химии, физики и математики (включая разделы теории
вероятностей и математической статистики) в полном объеме, предусмотренном учебным
планом специальности
2.2. Междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Дисциплина является базовой для освоения курсов специализации, связанных с получением
материалов и использованием технологий, связанных с радионуклидами и источниками
ионизирующих излучений, а также с выполнением выпускной квалификационной работы.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Компетенции, формируемые в процессе изучения дисциплины
Универсальные компетенции:
общенаучные: владение базовыми знаниями в области радиохимии и радиохимической
технологии;
инструментальные: знание основных физических и метрологических принципов
измерения, обработки и представления результатов;
социально-личностные: способность к кооперации в рамках междисциплинарных
команд.
Предметно-специализированные компетенции:
знание кинетических закономерностей радиоактивного распада, накопления и
стационарности при описании семейств генетически связанных радионуклидов,
включая активационные процессы и процессы эволюции продуктов деления ядер;
основных физических и метрологических принципов детектирования
ионизирующих излучений, спектрометрии ядерных излучений; основ
статистической обработки результатов измерения радиоактивности; методов
выделения, разделения и концентрирования радионуклидов, физико-химических
особенностей состояния и поведения радионуклидов-микрокомпонентов в водных
растворах и в процессах межфазного распределения; химии горячих атомов и
элементов радиационной химии и особенностей поведения изотопов в природных
и технологических системах;
способности анализировать полученные результаты, объяснять особенности физикохимического поведения радионуклидов в технологических и природных системах,
в процессах межфазного распределения, моделировать физико-химические
процессы с участием радионуклидов;
обладание навыками по планированию, организации и проведению работ с
радиоактивными изотопами.
В результате освоения дисциплины студенты должны
Знать:
знать кинетические закономерности радиоактивного распада, накопления и
стационарности при описании семейств генетически связанных радионуклидов, включая
активационные процессы и процессы эволюции продуктов деления ядер; основные
физические и метрологические принципы детектирования ионизирующих излучений,
спектрометрии ядерных излучений; основы статистической обработки результатов измерения
радиоактивности; основные пути получения радионуклидов; методы выделения, разделения и
концентрирования радионуклидов, физико-химические особенности состояния и поведения
радионуклидов-микрокомпонентов в водных растворах и в процессах межфазного
распределения; химию горячих атомов и элементы радиационной химии;
Уметь:
уметь применять на практике полученные знания по планированию, организации и
проведению работ с радиоактивными изотопами;
анализировать полученные результаты, объяснять особенности физико-химического
поведения
радионуклидов в технологических и природных системах, в процессах
межфазного распределения;
Владеть:
владеть методом радиоактивных индикаторов при исследовании различных физикохимических систем.
4. ВИДЫ, СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМЫ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
Объем дисциплины и виды учебной работы
Виды учебной работы
Всего
часов
Семестр6 Семестр7
Общая трудоемкость дисциплины
306
137
163
Аудиторные занятия
153
85
68
Лекции
85
51
34
68
34
34
153
52
95
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект
Курсовая работа
Расчетно-графическая работа
Графическая работа
Расчетная работа
Домашняя работа
Домашнее задание
Реферат
Другие виды самостоятельных
занятий
Вид итогового контроля
З, Э
Зачет
З
Экзамен
Э
З
Э
Э
4.1
Содержание разделов дисциплины
Введение. Содержание современной радиохимии
Открытие явления радиоактивности и естественных радиоактивных элементов.
Открытие ядерных реакций и искусственной радиоактивности. Цепная реакция деления ядер
и синтез трансурановых элементов. Содержание современной радиохимии.
1. Физические основы радиохимии
1.1. Основы ядерной физики и учение о радиоактивности
1.1.1. Основы современной теории ядра. Виды ядерных превращений. Основной закон
радиоактивного распада.
Основной закон радиоактивного распада. Интегральная и дифференциальная формы
основного закона радиоактивного распада. Статистический смысл постоянной распада.
Физический смысл постоянной радиоактивного распада. Период полураспада. Правило 10
периодов полураспада. Активность радиоактивных препаратов: абсолютная, относительная,
удельная; размерность, основные и производные единицы измерения. Связь активности
радионуклида с его массой. Определение периода полураспада (постоянной распада).
Элементарные частицы и их основные характеристики. Виды ядерных превращений:
радиоактивный распад, ядерные реакции, реакции деления. Радиоактивный распад, схемы
радиоактивного распада, правила изображения.
1.1.2. Последовательный радиоактивный распад. Радиоактивные равновесия.
Последовательный
радиоактивный
распад.
Генетически связанные пары
радионуклидов. Материнский и дочерний радионуклиды. Дифференциальное уравнение
скорости накопления дочернего радионуклида и его интегрирование. Анализ временных
зависимостей, связывающих число радиоактивных атомов и активность дочернего
радионуклида. Особенности взаимного расположения графиков активности материнского и
дочернего радионуклидов. Радиоактивные равновесия. Подвижное радиоактивное
равновесие, вековое радиоактивное равновесие: необходимые и достаточные условия
достижения, время установления, соотношение активностей материнского и дочернего
радионуклидов после достижения равновесия. Графическое изображение. Случай
отсутствия радиоактивного равновесия. Радиоактивное семейство, включающее несколько
радионуклидов. Формула
Бейтмена.
Природные
(естественные)
радиоактивные
семейства. Установление равновесий в природных радиоактивных семействах.
1.1.3. Классификация радионуклидов.
Естественные и искусственные радионуклиды.
1.2. Элементы радиометрии и спектрометрии
1.2.1. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом как физическая основа
детектирования.
Взаимодействие альфа-частиц и других тяжелых заряженных частиц с веществом;
пробег, удельная ионизация, основные эмпирические закономерности.
Взаимодействие бета-частиц с веществом, характеристика энергетического спектра
бета-излучения. Потеря энергии электронами при прохождении их через вещество.
Количественные закономерности ослабления бета-излучения. Экспоненциальный закон
ослабления бета-излучения. Линейный и массовый коэффициенты ослабления, слой
половинного ослабления.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Фотоэлектрический
эффект, характеристическое рентгеновское излучение, эффект Оже. Эффект Комптона.
Образование электронно-позитронных пар. Экспоненциальный закон ослабления
электромагнитного излучения (в частности, гамма-излучения). Коэффициент ослабления, его
составляющие.
1.2.2. Взаимодействие нейтронов с веществом.
Эффективное сечение захвата, размерность, единицы измерения. Уравнение
активации, характеристика его параметров. Применение активации в анализе: абсолютный и
относительный методы.
1.2.3. Детекторы ионизирующих излучений.
Классификация детекторов ионизирующих излучений. Скорость счета. Коэффициент
счетности (эффективность регистрации).
Ионизационные методы. Газовые ионизационные детекторы (ГИД). Вольтамперная
характеристика ГИД. Фон и разрешающее время счетчиков. Камеры, пропорциональные
счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера. Рабочая (счетная) характеристика счетчиков. Области
применения
газовых
ионизационных
детекторов.
Твердотельные
детекторы.
Полупроводниковые детекторы (ППД) и принцип их действия. Материалы для изготовления
ППД. Преимущества и недостатки ППД, области их применения.
Сцинтилляционные детекторы. Фон и счетная характеристика сцинтилляционных
детекторов. Преимущества и недостатки сцинтилляционных детекторов, области их
применения.
1.2.4. Спектрометрия ядерных излучений.
Цель метода, особенности спектров излучения ядерных частиц и фотонов; сплошные и
дискретные спектры. Аппаратурный спектр и его особенности. Качественный и
количественный анализы спектров. Источники погрешностей измерения. Виды
спектрометров и их характеристики: эффективность, разрешение, качество. Основы гаммаспектрометрии.
1.3. Математическая обработка результатов измерения радиоактивности
1.3.1.Погрешность измерения. Источники погрешностей, систематические и случайные
погрешности, грубые промахи. Понятие о случайной величине.
1.3.2. Нормальное распределение и его параметры. Распределение Пуассона и его связь с
нормальным распределением. Выборка и выборочные характеристики. Оценка неизвестных
параметров распределения и другие примеры интервальных оценок из практики обработки
результатов измерения радиоактивности. Доверительный интервал, доверительные границы,
доверительная вероятность, уровень значимости.
1.3.3. Проверка статистических гипотез. Примеры гипотез, выдвигаемых при обработке
результатов измерения радиоактивности. Гипотеза о совпадении эмпирического
распределения с теоретическим. Гипотезы о дисперсиях и средних. Распределения, связанные
с нормальным (t, χ2, и F), и их применение при проверке статистических гипотез и
построении доверительных интервалов. Порядок действия при проверке статистических
гипотез, относящихся к двум сериям независимых измерений радиоактивности. Оценка
неизвестных параметров распределения и другие примеры интервальных оценок из практики
обработки результатов измерения радиоактивности. Оценка результатов косвенных
измерений.
2. Временные особенности систем, в которых генерируются радионуклиды
Деление тяжелых ядер. Условия осуществления управляемой цепной ядерной реакции.
Воспроизводство ядерного топлива.
Термодинамическая картина устойчивости ядер Периодической системы Менделеева.
Деление тяжелых ядер, энергия активации процесса. Особенности деления ядер под
действием нейтронов. Деление ядер урана-235 на тепловых нейтронах. Изотопы, делящиеся
под действием тепловых нейтронов; способы их получения.
Условия осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления, коэффициент
размножения нейтронов, его составляющие. Принцип работы гетерогенного ядерного
реактора на тепловых нейтронах, конструктивное исполнение, классификация реакторов.
Воспроизводство ядерного горючего в реакторах на тепловых нейтронах с использованием
природного и обогащенного топлива. Реакторы на быстрых нейтронах. Основные
особенности работы реактора на быстрых нейтронах, их конструкции. Коэффициент
воспроизводства ядерного горючего и время удвоения делящегося материала.
Образование и распад радионуклидов в процессе работы ректора и при выдержке
облученного материала.
Энергия, выделяющаяся при делении тяжелых ядер, и ее составляющие.
Распределение масс продуктов деления. Кривые выхода масс для урана-235, урана-233 и
плутония-239, их особенности; тонкая структура максимумов. Распределение заряда ядер при
делении. Абсолютный и относительный независимые выходы изобар.
Радиоактивные цепочки продуктов деления. Принципы возникновения изобарных
цепочек, тип радиоактивности продуктов деления. Понятие о кумулятивном выходе.
“Экранированные” ядра. Примеры цепочек из “легкого” и “тяжелого” максимумов выходной
кривой. Элементный состав продуктов деления, их классификация: химическая, по степени
влияния на отравление реактора, по вкладу в общую стоимость облученного топлива к
началу его переработки.
Мощность реактора, способы ее выражения. Степень выгорания ядерного горючего:
определение, способы выражения, зависимость от целевого назначения реактора. Связь
степени выгорания с количеством образовавшихся продуктов деления.
Обзор путей образования и распада радионуклидов в процессе работы реактора и при
выдержке облученного материала. Типичные случаи расчета накопления и распада продуктов
деления. Модифицированные и обобщенные константы распада. Разветвляющиеся цепи с
одним выходом, линейные цепи с несколькими входами. Обобщенные формулы для
накопления и распада. Эволюция радионуклидов плутония в зависимости от времени
кампании и плотности потока нейтронов.
Тяжелые продукты в облученном топливе и время его выдержки. Тяжелые продукты
ториевого топлива, уранового топлива. Коэффициент очистки и время выдержки топлива
гетерогенных реакторов. Коэффициент очистки топлива гомогенных реакторов.
Основы дозиметрии и радиационной безопасности
Принципы радиационной безопасности. Нормы радиационной безопасности.
Экспозиционная доза. Поглощенная доза. Биологическое действие излучений, эквивалентная
доза. Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими
источниками ионизирующих излучений.
4. Общая радиохимия
Физико-химические
особенности
состояния
и
поведения
вещества
в
микроконцентрациях в водных растворах
Значение микро концентрационного уровня растворов в общей и прикладной радиохимии.
Понятие и границы микро
концентрационного уровня. Значение микро
концентрационного уровня растворов в общей и прикладной радиохимии: особенности
поведения радионуклидов-микрокомопонентов в водных растворах. Формы состояния
радионуклидов-микрокомпонентов в водных растворах.
Ионо-дисперсное состояние микрокомпонентов в растворах. Истинные и псевдоколлоиды.
Комплексные
соединения.
Устойчивость
координационных
соединений.
Внутрикомплексные (хелатные) соединения. Лиганды. Дентатность лиганда. Монодентатные
и полидентатные лиганды. Устойчивость внутрикомплексых соединений. Размер хелатного
цикла. Хелатный эффект.
Гидролиз, константы гидролиза. Протолиз, константы протолиза. Моноядерный и
полиядерный гидролиз. Образование полиядерных
гидроксокомплексов. Оляция и
оксоляция. Замещение анионами.
Дисперсные системы. Гетерогенность и дисперсность. Геометрические параметры
дисперсности. Формирование поверхностного слоя. Образование и строение двойного
электрического слоя. Строение мицеллы. Понятие об изоэлектрической точке для системы
гидроксокомплексов, для системы комплексных ионов и для поверхности коллоидных
частиц. Устойчивость коллоидов. Коагуляция и пептизация. Факторы устойчивости
коллоидных систем. Особенности коагуляции суспензий и лиозолей. Получение дисперсных
систем.
Возникновение представлений о радиоколлоидах, основные гипотезы об их природе.
Истинные коллоиды. Термодинамический анализ условий образования осадков,
образующихся при химическом взаимодействии веществ. Произведение растворимости и
растворимость. Условия образования осадков гидроксидов для случая моноядерного
гидролиза. Учет влияния полимеризации и комплексообразования на условия образования
истинных коллоидных частиц гидроксидов. Состав и строение коллоидных частиц в
соответствии с гидроксокомплексной теорией.
Псевдоколлоиды: определение, природа процессов, приводящих к их образованию.
Работы И.Е. Старика по определению природы радиоколлоидов. Современные взгляды на
природу радиоколлоидов. Гетерополиядерные гидроксокомплексы.
Экспериментальные методы исследования форм состояния радионуклидов в водных
растворах.
Методы межфазного распределения: соосаждение, сокристаллизация, сорбция,
десорбция, ионный обмен, экстрация, тонкослойная и бумажная хроматография.
Электрохимические методы: электролиз, электрофорез. Коллоидно-химические методы:
центрифугирование и ультрацентрифугирование, фильтрация и ультрафильтрация, диализ,
радиография. Возможности экспериментальных методов для установления природы
коллоидного состояния радионуклидов.
4.2. Физико-химические особенности межфазного распределения радионуклидов
Основные типы межфазного распределения.
Основные термины, характеризующие процесс межфазного распределения:
разделение, концентрирование, выделение, обогащение. Общая классификация методов
межфазного распределения. Основные методы межфазного распределения, применяемые в
радиохимии и радиоаналитике.
Количественные характеристики процессов межфазного распределения: степень
извлечения, распределительное отношение, коэффициент распределения, коэффициент
разделения, коэффициент концентрирования, коэффициент очистки. Селективность и
специфичность.
4.2.2. Сорбция и сорбенты. Классификация сорбентов: природные и искусственные,
органические и неорганические. Ионообменные смолы. Неорганические сорбенты. Основные
типы сорбционных процессов, свойственные для неорганических сорбентов. Ионный обмен,
молекулярная сорбция, гетерогенные ионообменные реакции, электроннообменные реакции.
Классификация сорбционных процессов, основанная на представлениях о строении двойного
электрического слоя; первичная потенциалообразующая ионообменная сорбция, вторичная
обменная и молекулярная сорбция. Методы получения гранулированных неорганических
сорбентов: высушивание, импрегнирование, спекание со связующими добавками,
замораживание с последующим оттаиванием, синтез тонкослойных сорбентов, “золь-гель”
метод.
4.2.3. Статика межфазного распределения радионуклидов.
Статика межфазного распределения при катионообменном механизме извлечения.
Вывод гиперболической изотермы на основании применения к ионообменным равновесиям
закона действующих масс. Линейная изотерма (Закон Генри). Коэффициент распределения,
его размерность и физико-химическое истолкование. Сорбционное отношение и его связь с
коэффициентом распределения. Влияние величин рН и [m] на равновесное распределение
радионуклида между фазами для случая коллектора в Н+-форме. Коэффициент разделения.
Использование зависимости сорбци от рН и [m] для разделения радионуклидов. Лабильные и
инертные системы. Влияние величины рН, концентрации лиганда, концентрации катиона
солевого фона и [m] на равновесное распределение радионуклида между фазами для случая
коллектора в форме катиона солевого фона.
Использование этих зависимостей для разделения радионуклидов. Статика
межфазного распределения радионуклидов в случае амфолитного механизма поглощения.
Влияние величины рН и [m] на равновесное распределение радионуклида между фазами.
Кинетика межфазного распределения радионуклидов.
Основные закономерности массопереноса в гетерогенных системах. Принцип
лимитирующей стадии. Влияние форм состояния радионуклидов на закономерности
массопереноса в гетерогенных системах. Внешнекинетический режим в случае образования
радионуклидами комплексных соединений, псевдо- и истинных радиоколлоидов. Сочетание
кинетических и коллоидно-химических исследований как способ установления природы
радиоколлоидов.
Динамика межфазного распределения радионуклидов.
Динамика межфазного распределения радионуклидов. Хроматографические методы
выделения радионуклидов: ионообменная, экстракционная, осадочная, тонкослойная и
бумажная хроматография. Техника колоночной хроматографии.
Фронтальный, элюентный и вытеснительный хроматографический анализ. Подвижная
и неподвижная фазы. Удерживаемый объем, его связь с коэффициентом распределения.
Способы обработки экспериментальных данных: расчет числа теоретических тарелок,
высоты эквивалентной тарелки, коэффициента разделения, полной динамической обменной
емкости; коэффициент распределения. Влияние химической неоднородности радионуклида
на вид выходных кривых в случае фронтального и элюентного анализов.
4.3. Применение радионуклидов и ионизирующих излучений в аналитической химии
Радиохимический анализ и определение радионуклидов в окружающей среде.
Радиохимические аспекты ядерной технологии
5.1. Химическое действие излучений
Радиационно-химические процессы. Радиолиз воды и водных растворов.
Определение радиационно-химических процессов и радиационной химии.
Авторадиационные процессы. Краткая историческая справка о развитии радиационной
химии, ее классификация. Понятие о радиационно-химическом выходе (для
конденсированных систем и газов). Общая схема основных радиационно-химических
процессов в конденсированных системах. Приложения радиационно-химических процессов,
экономическая оценка.
Радикальная теория радиолиза воды. Первичные процессы радиолиза; вторичные
процессы; О2 - эффект и его следствия. Топографии свободных радикалов; конечные
эффекты радиолиза воды. Уравнения материального баланса радиолиза воды. Максимальный
выход радиолиза воды. (Для газовой фазы). Радиолиз разбавленных водных растворов (общее
положение и примеры реакций).
Радиационные эффекты в ТВЭЛах при больших флюенсах. Кинетика радиационнохимических процессов. Применение радиационно-химических процессов в науке и
технике.
5.2. Химические явления, сопровождающие ядерные превращения (химия “горячих
атомов”)
Энергетическое состояние продуктов радиоактивного распада и ядерных реакций.
Энергетическое состояние продуктов радиоактивного распада и ядерных реакций.
Энергия ядра отдачи в случае испускания частиц и фотонов. Химические процессы с
использованием ядер отдачи. Эффект Сцилларда-Чалмерса; выход и удержание.
Ядерно-физические причины удержания: соотношение масс ядра и радикала,
временное и угловое распределение фотонов, внутренние соударения за счет радиальной
составляющей. Физико-химические причины удержания: реакции горячих атомов (их
особенности и продукты), радиационно-химический синтез и распад; изотопный обмен и
тепловые реакции. Определение реакций изотопного обмена (примеры).
Изотопные эффекты в природных и техногенных системах. Реакции изотопного обмена.
Разделение радиоактивных изотопов химическим путем.
Движущая сила реакций изотопного обмена (РИО): их особенности (для простых и
сложных реакций). Классификация РИО по механизму процесса (электронный обмен,
ассоциативный, диссоциативный, обмен с переносом изотопов в составе сложных форм),
Кинетика реакции изотопного обмена; основное уравнение; период полуобмена и его связь с
параметрами системы. Способы определения порядка реакций, константы скорости и энергий
активации реакций.
Общие условия разделения радиоактивных изотопов химическим путем. Условия
разделения изомеров (примеры). Проявление изотопных эффектов в природных и
техногенных системах.
Заключение
Разделы дисциплины и виды занятий
№ Разделы дисциплины (Семестр)
п/п
Лекции,
час.
КР,
час.
С, час. ЛР, час.
Введение. Содержание современной радиохимии 2
Физические основы радиохимии (6)
29
1.1. Основы ядерной физики и учение о
радиоактивности
10
1.1. Основы современной теории ядра. Виды ядерных
1.
превращений. Основной закон радиоактивного
распада
4
1.1. Последовательный радиоактивный распад.
2.
Радиоактивные равновесия.
4
1.1. Классификация радионуклидов
4.
2
1.2. Элементы радиометрии и спектрометрии
12
1.2. Взаимодействие ионизирующих излучений с
1.
веществом как физическая основа детектирования.
4
1.2. Взаимодействие нейтронов с веществом.
2
1.
30
16
2.
1.2. Детекторы ионизирующих излучений.
3.
4
1.2. Спектрометрия ядерных излучений.
4.
2
1.3. Математическая обработка результатов
измерения радиоактивности
7
14
1.3. Погрешность измерения. Понятие о случайной 2
1.
величине и законе распределения.
1.3. Радиоактивность как статистическое
2.
Распределение Пуассона.
явление. 2
1.3. Выдвижение и проверка статистических гипотез. 3
3.
Оценка неизвестных параметров распределения.
Оценка результатов косвенных измерений.
2.
Временные особенности систем, в которых
генерируются радионуклиды (6)
2.1. Деление тяжелых ядер. Условия осуществления
управляемой цепной ядерной реакции.
Воспроизводство ядерного топлива.
18
8
2.2. Образование и распад радионуклидов в процессе 10
работы реактора и при выдержке облученного
материала.
3.
Основы дозиметрии и радиационной
безопасности (6)
2
4
4.
Общая радиохимия (7)
20
34
8
6
4.1. Физико-химические особенности состояния и
поведения вещества в микроконцентрациях в
водных растворах
4.1. Значение
микроконцентрационного
уровня 2
1.
растворов в общей и прикладной радиохимии
4.1. Ионо-дисперсное состояние микрокомпонентов в 4
2.
растворах. Истинные и псевдоколлоиды.
4.1. Экспериментальные методы исследования форм 2
3.
состояния радионуклидов в водных растворах.
4.2. Физико-химические особенности межфазного
распределения радионуклидов
10
4.2. Основные типы межфазного распределения.
1.
Количественные характеристики процессов
межфазного распределения
2
20
4.2. Сорбция и сорбенты.
2.
2
4.2. Статика межфазного распределения
3.
радионуклидов.
2
4.2. Кинетика межфазного распределения
4.
радионуклидов.
2
4.2. Динамика межфазного распределения
5.
радионуклидов.
2
4.3. Применение радионуклидов и ионизирующих
излучений в аналитической химии
2
5.
Радиохимические аспекты ядерной технологии
(7)
5.1. Химическое действие излучений
4
13
8
5.1. Радиационно-химические процессы. Радиолиз воды 4
1.
и водных растворов.
5.1. Радиационные эффекты в твердых телах.
2.
4
5.2. Химические явления, сопровождающие ядерные 5
превращения (химия “горячих атомов”)
5.2. Энергетическое
состояние
продуктов 2
1.
радиоактивного распада и ядерных реакций.
5.2. Изотопные эффекты в природных и техногенных
2.
системах. Реакции изотопного обмена.
Заключение
3
1
4
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Лабораторный практикум
5.1.
Предусмотрено выполнение лабораторных работ по обеим частям курса
5.1.1. К разделу «Физические основы радиохимии» (6 семестр)
№ № раздела
п/ дисциплины
п
Наименование лабораторных работ
1.
3
Организация работ с радиоактивными веществами в закрытом виде.
2.
1.2.
Измерение активности радионуклидов с помощью счетчиков ядерных
излучений.
3.
1.2.
Определение энергии гамма-излучения и активности препарата с помощью
сцинтилляционного гамма-спектрометра.
4.
1.3.
Радиоактивность как статистический процесс. Проверка гипотезы о
пуассоновском характере распределения результатов измерения
активности. Роль грубых погрешностей.
5.
1.3.
Оценка результатов измерения радиоактивности. Построение
доверительного интервала для определяемой величины. Сравнение
дисперсий и средних, вычисленных по нескольким независимым спискам.
6.
1.3.
Определение погрешности результатов косвенных измерений
7.
1.2.
Определение энергии бета-излучения путем анализа кривых ослабления.
5.1.2. К разделам «Общая радиохимия», «Радиохимические аспекты ядерной
технологии» (7 семестр)
№
п/п
№ раздела Наименование лабораторных работ
дисциплин
ы
1.
4.2.
Разделение урана и тория.
2.
4.2.
Извлечение цезия из растворов солей его аналогов
3.
4.2.
Разделение радионуклидов ториевого ряда методом ионообменной
хроматографии.
4.
4.2.
Разделение радионуклидов методами соосаждения и тонкослойной
хроматографии.
5.
4.1.
Исследование состояния тория-234 в водном растворе сорбционным
методом.
6.
4.2.
Применение изотопных генераторов для получения короткоживущих
радионуклидов.
7
4.3.
Экспрессный радиохимический анализ водных сред.
8.
4.2.
Определение кинетического режима сорбции цезия неорганическими
сорбентами из природных вод
5.2.
Практические занятия
Не предусмотрены
5.3.
Перечень тем рефератов
Не предусмотрены
5.4.
Перечень тем домашних работ
Не предусмотрены
5.5.
Перечень тем контрольных работ
Не предусмотрены
5.6.
Перечень тем расчетных работ
Не предусмотрены
5.7.
Перечень тем расчетно-графических работ
Не предусмотрены
5.8.
Тематика коллоквиумов
Не предусмотрены
6. ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Не предусмотрены
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
7.1
Рекомендуемая литература
7.1.1 Основная литература
Егоров Ю.В. Радиоактивность и смежные проблемы. Физические основы радиоактивности и
методы обработки результатов измерений: учебное пособие/ Ю.В. Егоров, Н.Д.
Бетенеков, В.Д. Пузако. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. 130 с.
Копырин А.А. Технология производства и радиохимической переработки ядерного топлива:
Учеб. Пособие для вузов/ А.А. Копырин, А.И. Карелин, В.А. Карелин. М.: ЗАО
“Издательство Атомэнергоиздат”, 2006. 576 с.
Бетенеков Н.Д. Особенности эволюции радионуклидов в природных и техногенных системах:
Учебное пособие/
Н.Д. Бетенеков, Ю.В. Егоров, Т.А.Недобух, В.Д. Пузако.
Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 72 с.
Бетенеков Н.Д. Элементы радиометрии и спектрометрии ионизирующих излучений: учебное
пособие/ Н.Д. Бетенеков, Е.И. Денисов, В.Д. Пузако. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУУПИ. 2007. 72 с.
Егоров Ю.В. Измерение радиоактивности и математическая обработка результатов
измерений. Учебное пособие/ Ю.В. Егоров, Н.Д. Бетенеков, В.Д. Пузако, Е.И. Денисов.
Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2007. 42 с.
7.1.2 Дополнительная литература
Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода: Учеб. пособие для ун-тов/
В.Б.Лукьянов, С.С.Бердоносов, И.О.Богатырев и др. Под ред. В.Б.Лукьянова.
М.:Высш.шк., 1985.
Гелис В.М. Химия радионуклидов/ В.М. Гелис, Э.П. Магомедбеков, А.В. Очкин, С.И.
Ровный. Озерск: Редакционно-издательский центр ВРБ. 2008. 152 с.
Коробков В.И. Методы приготовления препаратов и обработка результатов измерений
радиоактивности/ В.И. Коробков, В.Б. Лукьянов. М.:Атомиздат, 1973.
Герфорт Л. Практикум по радиоактивности и радиохимии/ Л. Герфорт, Х. Кох, К. Хюбнер
М.: Мир, 1984.
Несмеянов А.Н. Радиохимия. М.:Химия, 1979. 559с.
Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т./ Под ред. В.Ю. Баранова. М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2005. 1328 с.
Нормы радиационной безопасности. НРБ –99. Санитарные правила и нормативы СанПиН
2.6.1.2523 – 09.
ОСПОРБ -90
7.1.3 Методические разработки кафедры
Егоров Ю.В., Бетенеков Н.Д., Пузако В.Д. Радиоактивность и смежные проблемы.
Учебное пособие по курсу “Радиоэкология”. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2000. 150 с.
Бетенеков Н.Д. Особенности эволюции радионуклидов в природных и техногенных
системах: Учебное пособие/ Н.Д. Бетенеков, Ю.В. Егоров, Т.А.Недобух, В.Д. Пузако.
Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 72 с.
Бетенеков Н.Д. Элементы радиометрии и спектрометрии ионизирующих излучений:
учебное пособие/ Н.Д. Бетенеков, Е.И. Денисов, В.Д. Пузако. Екатеринбург: ГОУ ВПО
УГТУ-УПИ. 2007. 72 с.
Егоров Ю.В. Измерение радиоактивности и математическая обработка результатов
измерений. Учебное пособие/ Ю.В. Егоров, Н.Д. Бетенеков, В.Д. Пузако, Е.И.
Денисов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2007. 42 с.
7.2
Программное обеспечение
Компьютерные программы обработки альфа- и гамма- спектров «AnGamma» и «Прогресс».
Программы обработки и представления результатов MCAD и Excel.
7.3
Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Поисковая система Google: http://www.google.com
Поисковая система Yandex: http://www.yandex.ru
База знаний wikipedia: http://ru.wikipedia.org
Сайты УрФУ: http://www.ustu.ru; http://study.ustu.ru .
Отдельные вопросы дисциплины представлены в электронных образовательных ресурсах
УрФУ
http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=6486
http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=7256
http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?AidId=8037
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
8.1
Общие требования
Имеется лекционно-компьютерный класс Ф-323 и лабораторные залы:
- Ф-319 - лаборатория радиохимии, радиометрии и радиационного контроля;
- Фт-326 – лаборатория радиоэкологии.
8.2
Сведения об оснащенности дисциплины специализированным и лабораторным
оборудованием
Лаборатория оснащена следующим оборудованием:
- Полупроводниковый альфа-спектрометр с детектором ДКПБ-20, анализатором
импульсов АМА-03Ф4;
Полупроводниковый альфа-спектрометр “Прогресс”;
Aльфа-спектрометр с ионизационной камерой с чувствительной поверхностью диаметром 80
мм;
Сцинтилляционный бета-спектрометр с детектором CsI(Tl), с
анализатором импульсов
АМА-03Ф4;
Сцинтилляционный гамма-спектрометр с детектором NaI(Tl) 60x60, с АЦП 4К-2 - 3 шт.
Низкофоновый альфа-бета радиометр MINI-20;
Радиометры бета-излучения:
установка малого фона УМФ-1500М,
установка малого фона УМФ-2000,
радиометр РУБ-01П1;
Радиометр альфа-излучения РКБ4-1еМ с детектором ZnS(Ag);
Общехимическое оборудование.
Лаборатории оснащены общехимическим оборудованием: цифровыми техническими
и аналитическими весами, магнитными мешалками различных типов, рН-метрами,
спектрофотометрами, термостатами, дистилляторами, сушильными шкафами, песчаными
банями, печками и т.п. Кроме того лаборатории оснащены всем необходимым для
проведения работ с открытыми и закрытыми источниками ионизирующих излучений.
9. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1
Рекомендации для преподавателя
Основное внимание уделяется освоению понятийной базы и
материала, а также приемов и навыков безопасной работы с источниками
излучений. Возможные трудности могут быть связаны с преодолением
формировании профессионального отношения к работе с источниками
теоретического
ионизирующих
радиофобии и
ионизирующих
излучений, как объектов повышенной опасности. Приоритет при обучении отдается
технологиям практического обучения. При реализации дисциплины преподаватель должен
учитывать подготовку слушателей. В зависимости от выявленного уровня подготовки
рекомендуется адаптировать глубину и скорость освоения курса с целью достижения
декларированных результатов.
9.2
Рекомендации для студента
В целом на один час аудиторных занятий отводится один час самостоятельной работы.
Для качественного освоения содержания дисциплины студентам необходимо
постоянно разбирать материалы лекций по конспектам для сохранения логики и
преемственности изучаемого материала .
В начале семестра необходимо познакомиться с программой курса, видами контроля и
сроками контрольных мероприятий, а также критериями оценки работы студента.
Перечень контрольных вопросов для подготовки к итоговой аттестации по дисциплине
Основной закон радиоактивного распада. Интегральная и дифференциальная формы
основного закона радиоактивного распада.
Статистический смысл постоянной распада. Физический смысл постоянной
радиоактивного распада. Период полураспада. Правило 10 периодов полураспада.
Активность радиоактивных препаратов. Связь активности радионуклида с его массой.
Определение периода полураспада (постоянной распада).
Элементарные частицы и их основные характеристики. Виды радиоактивного распада,
схемы радиоактивного распада, правила изображения.
Последовательный радиоактивный распад. Генетически связанные пары
радионуклидов.
Радиоактивные равновесия. Подвижное радиоактивное равновесие, вековое
радиоактивное равновесие: необходимые и достаточные условия достижения, время
установления, соотношение активностей материнского и дочернего радионуклидов
после достижения равновесия. Случай отсутствия радиоактивного равновесия.
Радиоактивное семейство, включающее несколько радионуклидов. Формула
Бейтмена. Природные (естественные) радиоактивные семейства.
Установление равновесий в природных радиоактивных семействах.
Классификация радионуклидов. Естественные и искусственные радионуклиды.
Продукты деления. Образование и распад радионуклидов в процессе работы ректора и
при выдержке облученного материала. Распределение масс продуктов деления.
Распределение заряда ядер при делении. Радиоактивные цепочки продуктов
деления. Элементный состав продуктов деления.
Взаимодействие альфа-частиц и других тяжелых заряженных частиц с веществом;
пробег, удельная ионизация, основные эмпирические закономерности.
Взаимодействие бета-частиц с веществом, характеристика энергетического спектра
бета-излучения. Потеря энергии электронами при прохождении их через вещество.
Количественные закономерности ослабления бета-излучения. Линейный и
массовый коэффициенты ослабления, слой половинного ослабления.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Фотоэлектрический
эффект, характеристическое рентгеновское излучение, эффект Оже. Эффект
Комптона. Образование электронно-позитронных пар.
Взаимодействие нейтронов с веществом. Эффективное сечение захвата, размерность,
единицы измерения. Уравнение активации, характеристика его параметров.
Применение активации в анализе: абсолютный и относительный методы.
Классификация детекторов ионизирующих излучений. Скорость счета. Коэффициент
счетности (эффективность регистрации). Фон и разрешающее время счетчиков.
Ионизационные методы. Газовые ионизационные детекторы (ГИД). Вольтамперная
характеристика ГИД. Камеры, пропорциональные счетчики, счетчики ГейгераМюллера. Рабочая (счетная) характеристика счетчиков. Области применения
газовых ионизационных детекторов.
Полупроводниковые детекторы (ППД) и принцип их действия. Материалы для
изготовления ППД. Преимущества и недостатки ППД, области их применения.
Сцинтилляционные детекторы. Фон и счетная характеристика сцинтилляционных
детекторов. Преимущества и недостатки сцинтилляционных детекторов, области их
применения.
Спектрометрия ядерных излучений. Цель метода, особенности спектров излучения
ядерных частиц и фотонов; сплошные и дискретные спектры. Аппаратурный спектр
и его особенности. Качественный и количественный анализы спектров. Основы
гамма-спектрометрии.
Принципы радиационной безопасности. Нормы радиационной безопасности.
Экспозиционная доза. Поглощенная доза. Биологическое действие излучений,
эквивалентная доза. Основные санитарные правила работы с радиоактивными
веществами и другими источниками ионизирующих излучений.
Погрешность измерения. Источники погрешностей, систематические и случайные
погрешности, грубые промахи. Понятие о случайной величине.
Нормальное распределение и его параметры. Распределение Пуассона и его связь с
нормальным распределением.
Выборка и выборочные характеристики. Оценка неизвестных параметров
распределения и другие примеры интервальных оценок из практики обработки
результатов измерения радиоактивности.
Проверка статистических гипотез. Примеры гипотез, выдвигаемых при обработке
результатов измерения радиоактивности. Гипотеза о совпадении эмпирического
распределения с теоретическим.
Гипотезы о дисперсиях и средних. Порядок действия при проверке статистических
гипотез, относящихся к двум сериям независимых измерений радиоактивности.
Оценка неизвестных параметров распределения и другие примеры интервальных
оценок из практики обработки результатов измерения радиоактивности. Оценка
результатов косвенных измерений.
Значение микроконцентрационного уровня растворов в общей и
прикладной
радиохимии. Формы состояния микрокомпонентов-радионуклидов в водных
растворах.
Основные гипотезы о природе радиоколлоидов. Истинные коллоиды.
Псевдоколлоиды: определение, природа процессов, приводящих к их образованию.
Основные термины, характеризующие процесс межфазного распределения: разделение,
концентрирование, выделение. Количественные характеристики процессов
межфазного распределения: степень извлечения, распределительное отношение,
коэффициент распределения, коэффициент разделения, коэффициент
концентрирования, коэффициент очистки. Селективность и специфичность.
Общая классификация методов межфазного распределения. Соосаждение,
сокристаллизация, экстракция.
Сорбция и сорбенты. Классификация сорбентов: природные и искусственные,
органические и неорганические.
Кинетика межфазного распределения радионуклидов. Принцип лимитирующей стадии.
Влияние форм состояния радионуклидов на закономерности массопереноса в
гетерогенных системах.
Статика межфазного распределения радионуклидов. Изотермы сорбции.
Гиперболическая изотерма. Закон Генри. Лабильные и инертные системы.
Влияние величины рН, концентрации лиганда на равновесное распределение
радионуклида между фазами.
Динамика межфазного распределения радионуклидов. Хроматографические методы
выделения радионуклидов. Фронтальный, элюентный и вытеснительный
хроматографический анализ. Подвижная и неподвижная фазы. Удерживаемый
объем, его связь с коэффициентом распределения.
Применение радионуклидов и ионизирующих излучений в аналитической химии.
Радиохимический анализ и определение радионуклидов в окружающей среде.
Перечень ключевых слов дисциплины
Наименование раздела,
темы
Ключевые слова
Элементарные частицы и
их основные
характеристики. Виды
ядерных превращений
Элементарные частицы. Виды ядерных превращений. α-, β-, gраспад. Продукты распада. Продукты деления. Схемы
радиоактивного распада.
Основной закон
радиоактивного распада.
Основной
закон
радиоактивного
распада.
Постоянная
радиоактивного распада. Период полураспада. Активность.
Последовательный
Генетически связанные пары. Радиоактивное
радиоактивный распад.
Радиоактивное семейство. Формула Бейтмена.
Радиоактивные равновесия.
равновесие.
Пробег, удельная ионизация. Энергетический спектр. Линейный
Взаимодействие
и массовый коэффициенты ослабления. Слой половинного
ионизирующих излучений ослабления. Фотоэлектрический эффект, характеристическое
с веществом.
рентгеновское излучение, эффект Оже. Эффект Комптона.
Образование электронно-позитронных пар.
Элементы радиометрии и
спектрометрии
Детекторы ионизирующих излучений. Скорость счета.
Коэффициент
счетности
(эффективность
регистрации).
Спектрометрия ядерных излучений
Ядерные реакции
Ядерная реакция. Эффективное сечение реакции. Нейтронная
активация. Уравнение активации.
Процессы деления
Деление тяжелых ядер. Управляемая цепная ядерная реакция.
Продукты деления.
Погрешность измерения. Систематические и случайные
Математическая обработка
погрешности, грубые промахи.
результатов измерения
Распределение Пуассона. Статистическая гипотеза. Параметры
радиоактивности
распределения. Косвенные измерения.
Особенности состояния
Ионо-дисперсные формы состояния.
радионуклидов в водных
Псевдоколлоиды и псевдоколлоиды.
растворах
Истинные
коллоиды.
Межфазное распределение. Разделение, концентрирование,
Основные типы процессов выделение, обогащение. Степень извлечения, распределительное
межфазного
отношение,
коэффициент
распределения,
коэффициент
распределения
концентрирования,
коэффициент
очистки,
коэффициент
разделения.
Статика, кинетика и
динамика межфазного
распределения
Статика межфазного распределения. Изотермы. Лабильные и
инертные системы. Кинетика межфазного распределения.
Массоперенос в гетерогенных системах. Лимитирующая стадия.
Динамика
межфазного
распределения.
Хроматография.
Удерживаемый объем.
Применение
радионуклидов и
ионизирующих
излучений в
неорганической,
физической и
аналитической химии
Радиоактивные индикаторы. Метод изотопного разбавления.
Активационный анализ.
СОДЕРЖАНИЕ
1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ …………………………………………………
2 МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП …………………………………….
3 ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ……………….
4 ВИДЫ, СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМЫ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ………………
5 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ………………...
6 ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ …………………………………...
7 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ……………………………………….
8 МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
…………….
9 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ ……….
1 ЛИСТ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ………………………………………………...
0