background image

 

Chemistr

y

 Lecture 

No.4

______

B

y

 

:

 

Asst.

 

prof.

 

Tariq-H-AL-mgheer

 

RADIOACTIVITY AND 

WCLEM

 CHEMISTRY 

Previously we learned that there are isotopes of almost all the elements. Most

 

 

 

 

 

 

   

   

 

 

 

of these isotopes are stable, but some are unstable. The nuclei of unstable isotopes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

undergo spontaneous nuclear reactions that cause particles and energy, called

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nuclear radiation, to be given off. The emission of these particles and energy by an

 

   

 

 

 

 

   

 

 

 

     

isotope is called radioactivity. Only a few isotopes found in nature are radioactive.

   

 

 

   

 

 

   

 

 

 

The first example of a naturally occurring radioactive substance was discovered by

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

Henri

Becquerel

in 1896. He found that uranium ore gave off penetrating radiation

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

that darkened photographic film without exposing the film to light. Since then, other

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

scientists have found many other radioactive elements. More than 50 naturally

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

occurring radioactive isotopes are now known. In addition, scientists have been able

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

to make many radioactive isotopes not found in nature. 

The discovery of radioactive isotopes has greatly affected our lives. The

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

awesome power of nuclear weapons, the promise of abundant energy, radiation

 

   

 

 

 

   

 

 

 

therapy, and contamination of the environment by nuclear waste products are all

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

results of the properties of the tiny nuclei of these radioactive isotopes.

TYPIES

OF

   

 

   

 

 

   

 

 

 

 

 

RADIATION 

Early in the twentieth century, it was discovered that na

t

urally occurring

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

isotopes emit three kinds of radiation. At that time, scientists did not understand

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

them, so their discoverers named them simply alpha (a) beta

(p)

and gamma

(y).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Since then, scientists have discovered the identities and properties of these types of

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

   

radiation

.

Each has characteristic properties that determine how it affects living

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

s

ystems 

Alpha radiation is a stream of particles moving at about one-tenth the speed of

 

     

   

 

   

 

 

 

   

light. Each particles is the nucleus of helium atom that contains two protons and two

 

 

   

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

neutrons and has a charge of +2. Alpha particles are relatively large and heavy, so

 

 

   

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

they cannot travel very far without colliding with other particles. As a result these

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

particles do little damage to internal organs because they cannot penetrate the skin.

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

However, if a substance that emits alpha particles gets inside the body by being

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

inhaled or swallowed, the alpha particles can then damage internal organ. 

Beta radiation is also a stream of particles, bu

t

the particles are electrons. The

 

   

   

   

 

 

 

 

 

 

 

electrons are produced within the nucleu

s

by

the transformation of a neutron into a

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

   

proton and an electron. The proton stays in the nucleus and the electron is emitted.

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

An electron is smaller than a helium nucleus (alpha particle), travels much faster, and

 

   

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

can penetrate the skin to a depth of a few centimeters. Exposure to beta radiation

 

 

 

     

     

 

 

   

 

 

causes the skin to appear burned. Damage to internal organs occurs when a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

substance that emits beta particles gets into the body. 

Gamma radiation is not a particle, but a form of energy similar to light waves,

 

   

   

 

   

   

 

   

 

 

radio waves, or x-rays

.

This radiation has high energy and can penetrate deep within

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

the body and cause serious damage. Gamma radiat

i

on usually occurs along with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

alpha and beta radiation. 

Two less common but still important types of nuclear radiation are

 neutrons 

and positrons. A positron has about the same mass as an electron but has a

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   


background image

 

positive charge. The properties and symbols of these various forms of radiation are

 

 

 

 

 

   

 

 

   

 

 

summarized in

Tablel.

The emission of radiation from radioactive isotopes is also

   

 

 

   

 

 

 

   

 

called ionizing radiation. 

Table 1.

​ Properties of Various Forms of Nuclear Radiation 

Type of 
Radiation

 

 

Composition

 

 

Symbol

 

 

Mass 

(amu)

 

 

Electrical 
Charge

 

 

Approximate 
penetration of skin 
(cm)

 

 

Alpha

 

 

Helium nucleus

 

 

       

2

He

4

 

 

4

 

 

+2

 

 

0.01

 

 

Beta

 

 

Electron

 

 

        ,

-

°

e

 

 

1/1837

 

 

-1

 

 

1

 

 

Gamma

 

 

Energy

 

 

     Y

 

 

0

 

 

0

 

 

100

 

 

Neutron

 

 

Neutron

 

 

n

 

,

 

0

n

1

 

 

1

 

 

0

 

 

10

 

 

Pos

i

tron

 

 

Positron

 

 

       ,

 

1

e

0

 

 

1/1846

 

 

+1

 

 

1

 

 

IONIZING RADIATION

 

The radiation from radioactive isotopes and x-rays can form ions in matter by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

knocking electrons off the atoms and molecules in its path. For this reason, it is

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

     

called ionizing radiation. The chief effects of radiation on living systems are due to

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

   

these

ionization

reactions. Repeated exposure to low levels of radiation seems to

 

 

 

 

   

 

   

 

   

have a number of major effects on health. Among them are cancer (carcinogenic

   

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

effects), damage to the fetus, and genetic damage. 

It has been known for many years that radiation causes cancer. Skin cancer,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bone cancer,

leukemia,

and other cancers are products of exposure to radiation.

 

 

 

 

 

 

 

   

   

 

Even at very low levels of exposure, there is danger from radiation. For example,

x

   

 

 

   

 

   

 

 

 

 

 

 

rays used in diagnosis are not completely free of potential harm to a patient. Persons

 

   

 

 

 

 

   

 

     

 

 

who administer x-rays must take precautions to avoid exposure, because the effect is

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

   

cumulative. Exposure to high levels of radiation kills cells. Use is made of this fact

tc

 

   

 

   

 

 

 

   

   

 

 

 

treat cancer. Cancer cells are exposed to high-energy x-rays or gamma radiation to

 

 

 

 

 

   

 

   

 

   

destroy these cells or to retard the spread of cancer. 

Fetuses and small children are particularly sensitive to radiation. Ionizing

 

 

 

 

 

 

   

 

 

radiation affects them more strongly than adults. The effects of radiation are

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

widespread. Damage occurs to the brain, eyes, bones, and other organs. 

The genetic risk of exposure to radiation is more difficult to determine because

 

 

   

   

   

 

   

 

 

the genetic damage may not be seen for several generations. Genetic damage is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

caused by damage to the genes in the nuclei of cells. The damage to the structure of

 

 

   

 

   

 

   

 

 

   

 

   

the gene may cause death or a variety of physical defects in following generations. 

Clearly, exposure to radiation is dangerous. But is there any level of exposure

 

   

   

 

   

 

 

   

 

below which radiation has no effect? According to one theory, called the threshold

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

theory, no damage occurs below a certain level of radiation, called the threshold

 

 

 

 

   

 

   

 

 

 

 

value. Opposed to this is the linear theory. According to the linear theory, the risk

 

   

   

 

 

 

   

 

 

 

 

 

ofdamage is proportional to exposure, even down to very low levels of radiation. The

   

   

 

 

   

 

 

   

 

 


background image

 

current view is a compromise of these two theories: There is a risk of damage even

 

     

   

 

 

 

     

   

 

 

at low levels of radiation, but the risk is extremely small. 

The dangers of ionizing radiation are compounded by the fact that this

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

radiation cannot be detected by the human body. We cannot see, feel, or smell

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

ionizing radiation. Therefore, a person can be exposed to lethal levels of radiation

 

 

   

 

 

 

   

 

   

 

without knowing it until it is too late. But we do have methods of detecting

ionization

 

   

     

 

 

 

 

 

 

   

 

 

radiation. 

DETECTING IONIZING RADIATION 

The methods of detecting ionizing radiation all make use of the fact that

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

radiation disturbs the electronic environment of the atoms and molecules that it

 

 

 

 

   

 

 

 

 

   

encounters; The three methods of detecting ionizing radiation most frequently used

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

are the photographic method, use of scintillation counters, and use of the

Geiger

 

 

 

 

   

 

 

 

   

 

 

counter, 

Becquerel

discovered that uranium ore was radioactive because of its effect

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

on photographic film. Photographic film and paper shielded from light are exposed by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

ionizing radiation. This exposure is detected by developing the film or paper in the

 

 

 

   

 

 

 

 

   

   

 

usual way. This fact is used to provide an individual detector for persons working

 

 

 

   

   

 

 

 

 

 

 

 

near sources of radioactivity. Each person wears a badge containing a piece of film.

 

   

 

 

 

   

 

   

   

 

The film is changed at regular intervals and developed. A certain level of radiation will

 

   

   

 

 

 

   

 

   

 

 

cause the film to be exposed, warning the wearer of potential danger. 

Scintillation counters are instruments that contain a surface coated with a

 

 

 

 

 

   

 

 

   

special substance that gives off flashes of light when hit by ionizing radiation. The

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

invisible ionizing radiation strikes the surface and some of its energy is transformed

 

 

 

 

 

 

 

     

   

 

into visible light. Electronic devices magnify and record these flashes. 

   

 
 

  

  
 
most common instrument used to detect and measure ionizing radiation is the

 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

Geiger

counter, shown schematically in Figure 1. The detecting part of the instrument

 

 

 

   

   

 

 

   

 

 

is a metal tube. It contains a gas, a wire down the center, and a window at one end.

   

 

   

   

   

 

 

 

 

   

   

 

 

The window is made of a thin material to allow alpha and beta particles to enter. A

 

   

     

 

   

 

 

 

 

   

   

large potential difference is maintained between the metal walls of the tube and the

 

 

   

 

 

 

 

   

 

 

 

 

central wire. When ionizing radiation enters the tube, it forms ions. This causes a

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

   

pulse of electricity to flow from the wire to the metal walls of the tube. This pulse is

   

   

 

 

 

   

 

 

   

 

 

 

   

counted by an electronic device that produces either a meter reading or an audible

 

 

 

 

 

 

 

   

 

   

 

 

clicking sound. Small, portable Geiger counters are in common use to detect sources

 

 

 

 

 

 

   

 

   

 

 

of radioactivity in the environment. When we detect ionizing radiation, it usually means

 

   

 

 

 

 

 

 

   

 

 

that a nuclear reaction has taken place. 

NUCLEAR REACTIONS 

Alchemists in the Middle Ages dreamed of turning one chemical element into

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

another. The atomic theory seemed to shatter this dream because the atom assumed

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

the role of the stable and indivisible unit of matter. However, with the discovery of

 

   

 

 

 

 

   

 

 

 

 

   


background image

 

radioactivity, scientists soon. realized that atoms do change from one kind to another

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

when they emit nuclear radiation. This change occurs during a nuclear reaction

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

whenever the nucleus of an isotope emits alpha or beta particles. When this happens,

 

 

   

 

 

 

   

 

 

 

 

 

the nucleus gains or loses positive charges and its atomic number is changed. A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

   

change in atomic number means that one element has changed to another. 

 

HALF-LI 

FE

 

The breakup or decay of the nuclei of a particular radioactive isotope requires a

 

   

   

 

     

 

 

 

   

certain amount of time to occur. Not all nuclei decay at the same time rather; they

 

   

   

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

decay over a period of time. The time needed for one-half of the original nuclei of an

 

   

   

 

 

 

 

 

   

 

 

   

 

isotope to decay to other substances is called the half-life of the isotope. The symbol

   

   

 

   

 

 

   

 

 

 

 

(t

1/

 2

)

 is used to indicate hall-life. 

 

Radioactivity and nuclear chemistry :- 

Isotopes------

Unstable -------- Undergo spontaneous

 

 

 

 

nuclear reaction ------- Emission energy and particles. 

  
                   

decay 

A-------------------- Alpha +Beta +Gamma +

Neutron

+

 

 

   

 

 

Positron. 

Ratio of  (n/p ) used to limited the stability of elements. 
 
Radioactivity serious :- 
1-Thorium serious :- 

90 

Th 

234

 --------

91

Pa 

234

 + 

-1

β

0

             t

1/2

=1.39 × 10

10

 years. 

Thorium         Protactinium

   ​Bata  

 

234/4 = 58 for alpha radiation . 
2-Uranium serious :- 
 

92

U

238

-------------  

90

Th 

234

 + 

2

He

4

          t

1/2

=4.5 × 10

9

years.  

 

​Uranium              Thorium     Alpha  

3-Actinium serious:- 


background image

 

89

Ac

227

-------------

88

Ra

226

 +  

+1

β

0

 +

0

n

1

       t

1/2

= 7.1× 10

8

years.  

 

​Actinium  ​            ​Radium     Bata   neutron 

Some equations of radioactivity elements :- 

1-

   4

Be

9

 + 

2

He

4

----------------

​ ​ ​

6

C

12

 + 

0

n

1

2-   

6

C

14

 ------------------------

​ ​  ​

7

N

14

 + 

-1

β

0

.  

3-   

7

N

14

  + 

2

He

4

 --------------

​ ​

9

F

18

 . 

4-   

9

F

18

 ----------------------

​ ​ ​

8

O

17

 + 

1

H

1

5-   

0

n

1

 ---------------------

​ ​ P​

+

   + 

-1

β

0

6-  P

+

 ----------------------

​ ​   ​

0

n

1

 + е

+

.  

7-  е

+

  +  P

+

 ----------------------

​ ​ ​

0

n

1

 . 

Effects of Ionizing radiation on living cells:- 

1- Direct action of radiation -------

​ ​ Ions(low energy)+ free radical (High 

energy)----

​ ​(DNA) Mutant cells. 

2- Indirect action (80%)H

2

O in cells-----

​ ​Ions +Free radicals ------​ ​H​

2

O  , 

H

2

O

2

(toxic) ,H

2

 + free radicals. 

Methods used to separation Isotopes:- 

1- Gaseous diffusion :-depending on weight of isotopes  

92

U

235 

(High diffusion) ,   

92

U

238

(Low diffusion). 

2- Electromagnetic field . 
3-  Fractional distillation . 

Sea water contain two types of isotopes (

1

D

2

,

1

H

1

) ,When

 

 

 

 

   

 

   

 

 

distillation this sample (sea water) give (

1

H

1

2

O) in first step but in

 

 

 

 

 

 

   

 

 

   

the last step give (

1

D

2

2

O). 

4- Thermal diffusion method. 
5-  Chemical exchange :- Based on change of activation energy. 

Methods of radiation therapy :- 

1- External beam radiation therapy (used X-ray). 
2-  Internal beam radiation therapy (By used catalyst). 
3-  Mouth beam radiation therapy ( I

131

). 

Medical uses of radioactive isotopes:- 
1-To treat the different types of cancer tumors , for example

 

 

 

 

   

 

   

 

 


background image

 

Thyroid gland by used Iodine -131 in (NaI)aq. 
3- In photosynthesis method  to limit the type of oxygen in glucose 

(C

6

H

12

O

6

). 

4- To limited the mechanical of reaction in organic chemistry. 
5-  In clinical field used to shown the arteries closed . 
6-  To limited the age of plants and animals .   

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: علي الشبري
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 86 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل