रेडियोधर्मी दुर्घटना: प्लूटोनियम के एक ठोस स्थिर चरण की खोज

आवर्त सारणी के कई तत्वों में से किसी ने भी प्लूटोनियम के तरीके से इतिहास के पाठ्यक्रम को प्रभावित नहीं किया: द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान मैनहट्टन परियोजना, ट्रिनिटी परियोजना, शीत युद्ध, चेरनोबिल आपदा। इन सभी ऐतिहासिक घटनाओं ने महानता की इच्छा अर्जित की है, जिसमें अक्सर महान बलिदान शामिल होते हैं। दुर्भाग्य से, कुछ बड़ी खोजें बड़े परिणामों की ओर ले जाती हैं। रेडियोधर्मी कचरे द्वारा पर्यावरण प्रदूषण मानव विकास के इस स्तर पर कई पर्यावरणीय समस्याओं में से पहला नहीं है, लेकिन आपको इसके बारे में नहीं भूलना चाहिए। आज हम आपके साथ एक अद्भुत खोज करेंगे जो संयोग से हुई, जिसके परिणामस्वरूप प्लूटोनियम के नए ठोस और स्थिर चरण की खोज हुई - पु (वी)। यह यादृच्छिक खोज कैसे हुई, प्लूटोनियम के नए चरण में क्या इतना असामान्य है, और पारिस्थितिकी के लिए इस अध्ययन का क्या महत्व है? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

यादृच्छिक यादृच्छिकता

इस खोज का नायक हेल्महोल्त्ज़ सेंटर ड्रेसडेन-रोसडॉर्फ (HZDR) क्रिस्टीना क्वशिना की भौतिक विज्ञानी है, जिन्होंने अपनी टीम के साथ मिलकर ESRF (ग्रेनोबल, फ्रांस में यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन) की दीवारों के भीतर कई प्रयोग किए।


काम पर डॉ। क्वासनीना।

Kvashnina द्वारा अनुसंधान का मुख्य उद्देश्य विभिन्न अग्रदूतों * और उनके आगे के अध्ययन का उपयोग करके प्लूटोनियम डाइऑक्साइड नैनोपार्टिकल का निर्माण था।

Precursor * - प्रतिक्रिया में शामिल एक पदार्थ, जो लक्ष्य पदार्थ के गठन की ओर जाता है।

अगले प्रयोग के दौरान, पु (VI) अग्रदूत का उपयोग किया गया था, लेकिन प्रतिक्रिया आधी हो गई थी। सबसे पहले, उसके समूह के अधिकांश वैज्ञानिकों ने फैसला किया कि प्रयोग विफल हो गया था, और यह शुरू होने के लायक था। लेकिन इस "विफलता" के परिणामों की एक अधिक विस्तृत परीक्षा ने पु (वी) - पेंटावैलेंट प्लूटोनियम की पहचान की, जो पहले नहीं देखी गई थी।

कोई भी ठोस सबूत के बिना पु (वी) के स्थिर चरण की खोज में विश्वास करने के लिए तैयार नहीं था, इसलिए, प्राप्त आंकड़ों के अतिरिक्त प्रयोगों, माप और विश्लेषण किए गए थे। खोज की पुष्टि करने के लिए मुख्य विधि HERFD (उच्च परिशुद्धता प्रतिदीप्ति विश्लेषण) थी।

अध्ययन का आधार

प्लूटोनियम की एक अप्रिय विशेषता यह है कि यह भूजल के माध्यम से जमीन में प्रवेश के बिंदु से कई किलोमीटर तक आसानी से कोलोइड्स * के रूप में फैल सकता है।

कोलाइड * एक सच्चे समाधान और निलंबन के बीच एक क्रॉस है।

इसके अलावा, प्लूटोनियम आसानी से मिट्टी, लोहे के आक्साइड या प्राकृतिक कार्बनिक पदार्थों द्वारा अवशोषित होता है। इस प्रकार, उन जगहों पर जहां प्लूटोनियम लगभग कुछ समय के लिए रहा है (परमाणु ईंधन या परमाणु कचरे का भंडारण आदि), पुओ ₂ अक्सर बनता है।


प्लूटोनियम

रेडियोधर्मी संदूषण की डिग्री को कम करने का एक तरीका खोजने के लिए वैज्ञानिक इस तरह के कोलाइडल नैनोकणों का अध्ययन करने में बहुत रुचि रखते हैं। इस क्षेत्र में सबसे चर्चित मुद्दे नैनोकणों (क्रिस्टलीय या अभी भी अनाकार) की संरचना है, साथ ही साथ छोटे नैनोकणों में पु (वी) की उपस्थिति (<3 एनएम) है। अधिक से अधिक शोध किए जा रहे हैं, लेकिन कम सवाल नहीं हैं।

पु के रासायनिक व्यवहार के मुख्य गुणों में से एक इसके ऑक्सीकरण राज्यों की विविधता है, जो कि तटस्थ परमाणु की वैलेंस ऑर्बिटल्स से हटाए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या से निर्धारित होता है। ऑक्सीडाइज्ड अवस्था में पेंटावैलेंट प्लूटोनियम में 5f खोल में 3 इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे 6d ऑर्बिटल्स खाली हो जाते हैं। इसलिए, पु का ऑक्सीकरण राज्य अपने रासायनिक व्यवहार और अटकलों को निर्धारित करता है। चार ऑक्सीकरण राज्य (III से VI) पर्यावरणीय परिस्थितियों में सह-अस्तित्व में आ सकते हैं। एक धारणा है कि अत्यधिक क्षारीय स्थितियों में (VII) और यहां तक ​​कि (VIII) की डिग्री स्थिर हो सकती है।

जलीय, ठोस और अंतःप्रेरक पु प्रजातियों का ऑक्सीकरण राज्य पहले XANES * स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा पु के L3 किनारे का उपयोग करके निर्धारित किया गया था।

XANES * एक ठीक एक्स-रे अवशोषण संरचना है।

अवशोषण बैंड के किनारे * विद्युत चुम्बकीय विकिरण की ऊर्जा का मूल्य है, जो अधिक होने की स्थिति में जांच किए गए पदार्थ द्वारा इस विकिरण के अवशोषण में तेज वृद्धि होती है।

इस पद्धति का अनुप्रयोग पु (वी) को निर्धारित करने की अनुमति देता है, क्योंकि इसका स्पेक्ट्रम हमेशा पु (चतुर्थ) और पु (छठे) के स्पेक्ट्रा के विपरीत, निम्न ऊर्जा की ओर ऊर्जा की एक विशिष्ट बदलाव दिखाता है।

HERFD प्रतिदीप्ति विश्लेषण लागू करके XANES ऊर्जा डेटा की डिकोडिंग में सुधार किया जा सकता है। हालांकि, कुछ कठिनाइयाँ हैं: प्लूटोनियम के एल 3 किनारे पर, इलेक्ट्रॉन नाभिक के 2 पी स्तर से 6 डी स्तर तक उत्साहित होते हैं, जो कि पु ऑक्सीकरण की डिग्री की परवाह किए बिना हमेशा कब्जा कर लिया जाता है। इसलिए, एल 3 किनारे को लागू करने से सटीक परिणाम नहीं मिलेगा। इसलिए, M4 के किनारे को लागू करने का निर्णय लिया गया। एक्टिनाइड्स के एम 4 किनारे पर एक्स-रे अवशोषण 3 डी कोर स्तर से संक्रमण के माध्यम से 5 एफ राज्यों की खोज करता है।


चित्र संख्या 1

चित्रा 1A क्रमशः पु ^IV _{( 2} ) और पु (V) के ऑक्सीकरण राज्यों के साथ पु ^IV O ₂ और KPuVO ₂ CO _{3 (s)} सिस्टम के लिए पहला प्रयोगात्मक HERFD डेटा दिखाता है।

* (s) - (ठोस - ठोस चरण)

3534 eV के एक सेट विकिरण सूचकांक के साथ एक्स-रे उत्सर्जन स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके डेटा एकत्र किया गया था। पुओ ₂ का HERFD स्पेक्ट्रम ~ 3970.2 eV और ~ 3971.8 eV पर दो तीव्र चोटियों को स्पष्ट रूप से दिखाता है। एंडरसन एकान्त अशुद्धता मॉडल के ढांचे के भीतर किए गए गणना ( 1 बी ) के परिणामों के अनुसार, इन दो चोटियों की तीव्रता और ऊर्जा कई कारकों का परिणाम है: इंट्राएटॉमिक और क्रिस्टलीय इंटरैक्शन की ताकत, और जमीन की स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रक्रिया में पु 5 एफ - 2 पी लिगैंड के संकरण की डिग्री और अंतिम अवस्था। PuO _{2 की} तुलना में, KPuO ₂ CO _{3 (s)} का HERFD स्पेक्ट्रम उच्च ऊर्जा की ओर शिफ्ट होता है और एक संकीर्ण आकृति के साथ एक संकीर्ण प्रोफ़ाइल और उच्च ऊर्जा पक्ष पर एक कंधे दिखाता है।

चित्रा 1 बी , एंडरसन मॉडल का उपयोग करके गणनाओं के परिणामों को दिखाता है, जो कि KPuO ₂ CO _{3 (s)} के प्रायोगिक HERFD स्पेक्ट्रम के साथ उत्कृष्ट समझौते में हैं, KPUO ₂ CO _{3 (s)} में पु के एक पेंटावैलेंट ऑक्सीकरण राज्य की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं।

द्विध्रुवीय चयन नियमों (J = 0;, 1) के कारण, यह उम्मीद की जाती है कि पु M4 और M5 जंक्शनों का HERFD आकार अलग होगा। पु के M5 किनारे पर, J = 5/2 और 7/2 के साथ 5f इलेक्ट्रॉन स्तरों को खाली किया जा सकता है, जो कि पु 3 डी _5/2 राज्य से उत्तेजित इलेक्ट्रॉन तक पहुँच सकता है, जबकि केवल राज्य J = 5/2 को प्लूटोनियम के M4 किनारे पर पहुँचा जा सकता है ।

यह पाया गया कि पु (III), पु (IV) और पु (V) के बीच ठोस यौगिकों में ऊर्जा परिवर्तन पु (III) और पु (IV) के बीच 2 eV और पु (IV) और पु (V) के बीच 0.4 eV है। )। यह निम्नानुसार है कि प्लूटोनियम ऑक्सीकरण की डिग्री को अधिक सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए, अवशोषण स्पेक्ट्रा के ऊर्जा संकल्प में सुधार करना आवश्यक है।

इसलिए, जैसा कि हम पहले से जानते हैं, छवि 1 ए जलीय पु (VI) अग्रदूत से पुओ ₂ नैनोकणों के संश्लेषण के दौरान विभिन्न चरणों में दर्ज किए गए प्रयोगात्मक HERFD डेटा को दिखाती है।

सबसे पहले, अमोनिया को पु (VI) समाधान में जोड़ा गया था, जिसके परिणामस्वरूप 11 का पीएच मान था। पुए ₂ में पु (VI) के रूपांतरण के कैनेटीक्स एक दो-चरण प्रक्रिया को प्रदर्शित करता है। पहले मिनट के दौरान, पीले कीचड़ से मिलकर एक मध्यवर्ती पु चरण का गठन मनाया गया (नीचे छवि)।


चित्र संख्या 2: पुओ (VI) के रूपांतरण को पुओ _{2 के} कीनेटिक्स।

बाद में, पुओ ₂ नैनोपार्टिकल्स के गठन के दौरान, यह मध्यवर्ती चरण भंग हो गया और एक और संतुलन चरण बना, जिसे "अंतिम चरण" कहा जाता है। 1a में नीली रेखा मध्यवर्ती प्रतिक्रिया चरण में दर्ज HERFD स्पेक्ट्रम को दर्शाती है। इस स्पेक्ट्रम से, पु (V) की ऑक्सीकरण अवस्था दिखाई देती है।

इसके अलावा, वर्षा प्रतिक्रिया के 3 सप्ताह के बाद गठित अंतिम प्रतिक्रिया उत्पाद का HERFD स्पेक्ट्रम एक प्रोफ़ाइल दिखाता है जो कि पुओ ₂ सिंगल क्रिस्टल के लिए पाया गया है। यह पुष्टि करता है कि प्रतिक्रिया एक घन संरचना के साथ पु ₂ नैनोकणों के गठन और पु (चतुर्थ) के ऑक्सीकरण राज्य के साथ समाप्त होती है।

फिर, वैज्ञानिकों ने एक ITFA (रूपांतरण कारक का पुनरावृत्त विश्लेषण) विश्लेषण किया, जो प्राप्त HERFD डेटा के लिए विभिन्न रासायनिक राज्यों के योगदान का मूल्यांकन करने की अनुमति देता है। विश्लेषण के परिणामों से पता चला कि मध्यवर्ती चरण पु के स्पेक्ट्रम में 87% पु (V) और 13% पु (IV) शामिल हैं। अंतिम चरण में पु (वी) का एक महत्वपूर्ण योगदान नहीं देखा गया था, जैसा कि मात्रात्मक रूप से निर्धारित पु (VI) में नहीं देखा गया था। दूसरे शब्दों में, पु ₂ के गठन के बाद, पु (चतुर्थ) के विपरीत _, पु (वी) नैनोपार्टिकल्स अंतिम चरण में पूरी तरह से अनुपस्थित थे। वैज्ञानिकों ने यह भी पाया कि पु (VI) की पु (IV) की बहाली एक चरण में नहीं होती है। पु (VI) को पहले पु (V) और फिर पु (IV) तक घटाया जाता है।

पु के L3 किनारे पर अतिरिक्त HERFD और EXAFS (विस्तारित ठीक एक्स-रे अवशोषण ठीक संरचना) प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित करने का निर्णय लिया गया था, जो हमें पुओ नैनोकणों के गठन के दौरान स्वयं प्रकट होने वाले मध्यवर्ती चरण की पहचान करने की अनुमति देगा।


चित्र संख्या 3

ऊपर दिया गया ग्राफ़, PuO _{2 के} लिए दर्ज किए गए L3 किनारे के लिए HERFD डेटा और PuO ₂ नैनोकणों के गठन के दौरान मध्यवर्ती पु चरण की तुलना दिखाता है।

जैसा कि पहले चर्चा की गई है, पु (वी) यौगिकों का एल 3 स्पेक्ट्रम हमेशा कम ऊर्जा की ओर एक विशिष्ट बदलाव और सिस्टम पु (IV) और पु (VI) की तुलना में सफेद लाइन की तीव्रता * L3 में कमी दर्शाता है।

सफेद रेखा * - कुछ XANES स्पेक्ट्रा में, अवशोषण बैंड के बढ़ते किनारे से एक तीव्र तीव्र शिखर हो सकता है, जिसे "व्हाइट लाइन" कहा जाता है।

मध्यवर्ती चरण पु की रासायनिक पारी HERFD डेटा में स्पष्ट रूप से दिखाई देती है और पु (V) के ऑक्सीकरण की डिग्री को इंगित करती है।

अगला, प्राकृतिक विज्ञानों के मूल नियमों पर आधारित गणना, पुओ ₂ नैनोकणों के संश्लेषण के दौरान मध्यवर्ती पु चरण की पहचान करने के लिए किया गया था। पु सहित कई यौगिकों के HERFD स्पेक्ट्रा को मॉडलिंग किया गया था। एनएच ₄ पुओ ₂ सीओ _{3 के} लिए सबसे अच्छा समझौता पाया गया था जिसमें पु पैंटावेलेंट राज्य में मौजूद है। EXAFS विश्लेषण ने यह भी पुष्टि की कि PuO ₂ नैनोकणों के संश्लेषण के दौरान गठित मध्यवर्ती पु चरण NH ₄ PuO ₂ CO ₃ के साथ संगत है।

मध्यवर्ती चरण एनएच ₄ पुओ ₂ सीओ ₃ ~ 10 घंटों के भीतर पूरी तरह से भंग हो _{गया था} , और फिर, लंबे समय तक रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप, पुओ ₂ नैनोकणों का गठन किया गया था।

अंत में, मध्यवर्ती पु (वी) चरण का हिस्सा निलंबन से सेंट्रीफ्यूग किया गया और इसकी स्थिरता की जांच करने के लिए कमरे के तापमान पर सूख गया। हैरानी की बात है कि सूखे NH ₄ PuO ₂ CO ₃ चरण कुछ महीनों के बाद भी काफी स्थिर रहे।

ऊपर वर्णित सभी प्रयोगों में, पीएच 11 था। यह जांचने के लिए कि परिणामों को कितना प्रभावित करता है, वैज्ञानिकों ने इसी तरह के प्रयोगों का आयोजन किया, लेकिन 8. के ​​पीएच के साथ। इसके परिणामस्वरूप, यह पाया गया कि पु के बयान के कैनेटीक्स पिछले आंकड़ों के समान है, लेकिन मध्यवर्ती पु (वी) की मात्रा ) इस मामले में चरण कम है।

उपलब्ध थर्मोडायनामिक डेटा के साथ प्रयोगात्मक स्थितियों की तुलना से पता चलता है कि एह / पीएच मान पु (IV) चरण के स्थिरता क्षेत्र के अनुरूप हैं। यही है, मध्यवर्ती पु (V) चरण का गठन काफी संभव है, लेकिन PuO ₂ की उच्च थर्मोडायनामिक स्थिरता और इसकी अत्यंत कम घुलनशीलता PuO ₂ के लिए पु (V) चरण के आगे रूपांतरण की ओर ले जाती है।

इस अध्ययन का परिणाम यह है कि यद्यपि ठोस पु (V) को हमेशा विदेशी यौगिकों के रूप में माना जाता है, पु (V) के ऊष्मागतिक रूप से मेटास्टेबल ठोस चरण का गठन पु 11 से पुओ ₂ नैनोकणों के रिडक्टिव निक्षेपण से होता है (pH ₆ पर पूर्वसूचक)। वैज्ञानिकों ने पहली बार एक मध्यवर्ती की विशेषता भी बताई है। HERFD द्वारा पु (V) चरण।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

पहली नज़र में, ऐसा लगता है कि इस तरह की खोज, भले ही दुर्घटना से, अपने आप में कोई लाभ नहीं लाती है। हालांकि, जितना अधिक हम प्लूटोनियम के बारे में जानते हैं, बेहतर होगा कि हमारी भागीदारी के साथ होने वाली प्रक्रियाओं की हमारी समझ हो। इसलिए, हम विकिरण प्रदूषण के प्रभावों को अधिक प्रभावी ढंग से समाप्त करने में सक्षम होंगे।

इस विशेष अध्ययन में, यह ज्ञात हो गया कि पु (VI) के पुओ ₂ नैनोपार्टिकल्स में रूपांतरण और पु (V) के गठन के पीछे की रॉक्सॉक्स प्रक्रिया में घुलनशीलता में वृद्धि पर एक मजबूत प्रभाव पड़ता है।

प्लूटोनियम के गुणों का अध्ययन करने से हमें यह समझने की अनुमति मिलती है कि एक लाख साल बाद भी, परमाणु अपशिष्ट लंबे समय के बाद कैसे व्यवहार करेगा। और स्थिर ठोस चरण पु (वी) की खोज इस तरह की भविष्यवाणियों के लिए कुछ सुधारों का परिचय देती है।

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