Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Профессор В.М. Федосеев

Все началось с работы Марии Склодовской-Кюри и ее мужа Пьера Кюри, которых заинтересовала природа открытых в 1896 г. Анри Беккерелем урановых лучей. Они нашли, что плотность потока излучения, испускаемого веществами, в состав которых входит уран, пропорциональна его содержанию в веществе. Супругами Кюри были исследованы десятки веществ, не содержащих урана. Они нашли, что только соединения, содержащие торий, обладают излучением, подобным урану. Это явление самопроизвольного распада атомов урана и тория с испусканием частиц и электромагнитного излучения супруги Кюри назвали радиоактив-ностью (от латинского radio - излучаю и activus - действенный). В начальный период развития раздел науки о радиоактивности включал как химию, так и физику явлений, связанных с радиацией. Термин "радиохимия" был впервые введен английским химиком А. Камероном в 1910 г. Он определил радиохимию как раздел науки, изучающий природу и свойства радиоактивных элементов и продуктов их распада. В 1911 г. Ф. Содди дал радиохимии аналогичное определение.

Однако, зарождение современной радиохимии по праву связы-вают с 1898 г., когда 18 июля супруги Кюри сообщили об открытии нового радиоактивного элемента - полония, названного в честь родины М. Кюри - Польши, а 26 декабря М. Кюри и Ж. Бемон - об открытии еще одного радиоактивного элемента - радия.

В работах по выделению радия М. Кюри шла от "невесомого" к "весомому", применяя метод носителей и разрабатывая тем самым метод концентрирования радиоактивного элемента. В последующие 15 лет было идентифицировано большое количество "новых" радиоактивных элементов, но понятие изотопии (Ф. Содди, 1913 г.) и установление правила сдвига (Ф. Содди и К. Фаянс) позволили всем им найти место в Периодической системе и подразделить их на три семейства: урана (²³⁸U), тория (²³²Th) и актиноурана (²³⁵U).

Дальнейшее развитие радиохимии неразрывно связано с достиже-ниями ядерной физики (открытие искусственной радиоактивности, спонтанного деления урана, ядерной изомерии новых радиоактивных элементов, в том числе трансурановых, ядерного оружия) и ядерной энергетики.

С позиций современных знаний радиохимия - область науки, изучающая химию радионуклидов и радиоактивных веществ, их физико-химические свойства, ядерные превращения и сопутствующие им химические процессы (Ан.Н. Hесмеянов).

Можно наметить четыре основных раздела радиохимии: общую радиохимию, химию радиоактивных элементов, химию ядерных превра-щений и прикладную радиохимию. Впрочем, следует иметь в виду, что любая рубрикация в науке всегда условна.

Объекты исследования радиохимии - радиоактивные вещества. Такие вещества содержат радионуклиды, которые часто характеризуются ограниченным временем существования и свойственным им излучением. Радиоактивные вещества вследствие этого неустойчивы, что создает специфические особенности для методов исследования в радиохимии. Как правило, мы имеем дело со смесями радиоактивных и нерадиоактивных молекул в веществе при малых концентрациях первых. Если вещество содержит только радиоактивные изотопы данного элемента, то его удель-ная радиоактивность велика и такое вещество претерпевает химическое превращение под действием собственного излучения (авторадиолиз).

Характерной особенностью объектов радиохимии является малая концентрация радионуклидов в объектах исследования, что также определяет специфичность радиохимических методов исследования.

Радиоактивное излучение позволяет проводить качественное и количественное определение радионуклидов в интересующих исследова-теля объектах. Методы измерения радиоактивности высокочувствительны и позволяют иметь дело с количествами вещества, недоступными в других областях исследования: например, определить 10 ^–15 радия-226, 10^–17 г фосфора-32, 10^–18 г радона-228. Специфические методы позволяют определять даже отдельные атомы (например элементов N 104, 105 и 114).

Так как радиоактивное излучение в неконтролируемых дозах вредно для людей, то в радиохимии применяется особая техника безопасности - защитные экраны, дистанционные манипуляторы, герметичные боксы и т.д.

В общей радиохимии изучаются физико-химические закономерности поведения радионуклидов в ультраразбавленных системах. Сюда относятся изучение состояния радионуклидов в ультрамалых концентрациях в растворах, газах и твердых веществах, закономерности распределения их между фазами в процессах осаждения, адсорбции, электрохимических процессах, экстракции и изотопном обмене.

Химия ядерных превращений изучает состав продуктов ядерных превращений, реакции образующихся радионуклидов (химия "горячих" атомов) методы получения, концентрирования и выделения радионуклидов, а также авторадиолиз.

Химия радиоактивных элементов - это химия технеция, прометия, астата, урана, тория и продуктов их распада - полония, франция, радия, радона, актиния и протактиния, трансурановых элементов, а также мезоатомов и водородоподобных атомов - мюония и позитрония. Условно к этому разделу можно отнести технологию ядерного горючего.

Прикладная радиохимия занимается столь широким кругом вопросов, что ее трудно описать достаточно полно. Отметим самые важные вопросы: получение меченых соединений, химия радиоактивных атомов, радиохимия АЭС, экологическая радиохимия, метод радио-активных индикаторов в науке и технологии.

Работы по радиоактивности в университете начались вскоре после открытия явления и в основном были посвящены изучению радиоактивности природных объектов - вод, лечебных грязей и горных пород (зав. институтом физики проф. А.П. Соколов). У химиков Московского университета интерес к радиоактивности был очевиден. Так, зав. лабораторией неорганической и физической химии проф. И.А. Каблуков в 1908 г. опубликовал обзорную статью "Радиоактивные вещества", а в 1910- 1911 гг. рецензии на книгу Содди "Радий и его разгадка", на докторскую диссертацию В.А. Бородовского "Поглощение бета-лучей радия", книгу М. Кюри "Traite de radioactivite". Несколько позже к изучению радио-активности источников и осадочных пород присоединился Вл.И. Спицын (старший брат акад. Викт. И.Спицына). В 1915- 1917 гг. им было проведено великолепное экспериментальное исследование химии тория, а в 1921 г. исследован переход радона из минералов в жидкие среды. В 1922 г. Вл. И. Спицын и В.И. Баранов изучили природную радиоактивность калия и рубидия. Вл.И. Спицын прожил всего 30 лет и можно только гадать, сколько нового он мог бы открыть, если бы посвятил свою жизнь радиохимии.

Дальнейшее развитие радиохимических исследований на химиче-ском факультете МГУ тесно связано с образованием в 1944 г. на кафедре неорганической химии специальной лаборатории. Инициатором создания этой лаборатории были И.В. Курчатов и Викт. И. Спицын. С 1944 по 1949 гг. лабораторией радиохимии руководил Владимир Владимирович Фомин (впоследствии чл.-корр. АН СССР), последующие 10 лет - Андрей Николаевич Несмеянов (чл.-корр. АН СССР с 1975 г.), возглавлявший с 1959 по 1983 г. образованную на базе лаборатории кафедру радиохимии. В 1984- 1988 гг. объединенной кафедрой радиохимии и химической технологии руководил академик Валерий Алексеевич Легасов.

В 1989 г. приказом ректора МГУ на основании решения ученого совета химического факультета были воссозданы две самостоятельные кафедры: радиохимии и химической технологии.

Решение о создании радиохимической лаборатории и кафедры было продиктовано бурным развитием в нашей стране атомной промышленности и необходимостью проведения широких исследований по мирному использованию ядерной энергии и радиоактивных изотопов в самых различных областях науки, в том числе в химии.

В настоящее время кафедра радиохимии - достаточно крупное учебно-научное подразделение, насчитывающее около 100 сотрудников (9 докторов, 42 кандидата наук). Ее структура: научные лаборатории, учебные практикумы, механическая, стеклодувная и фотомастерские и хозяйственная группа.

На базе кафедры функционируют Центральные курсы по научным основам использования радионуклидов и ядерных излучений в народном хозяйстве.

Остановимся на принципиальных направлениях научной и учебной работы кафедры, сложившихся за последние годы.

За 15 лет с момента создания лаборатории радиохимии были заложены основы и развиты многие важные направления современной радиохимии:

• Применение радиоактивных изотопов для определения раствори-мости.
• Распределение микрокомпонента между твердой и жидкой фазами.
• Разработка метода эманирования для изучения строения химических веществ.
• Изучение изотопного обмена.
• Радиоактивные индикаторы в определении давления насыщенного пара элементов и химических соединений.
• Химия горячих атомов.
• Синтез меченых соединений.
• Изучение механизмов химических реакций.
• Радиохроматография.
• Создание новых типов измерительной аппаратуры.
• Авторадиография.

В последние годы на кафедре проводятся исследования по трем комплексным темам:

• разработка новых методов получения радионуклидов и меченых соединений;
• разработка методов радионуклидной диагностики химических процес-сов и состояния окружающей среды;
• дозиметрия ионизирующих излучений и радиоактивность среды обитания.

По каждой теме работают от трех до пяти лабораторий. В составе кафедры в настоящее время 5 научных лабораторий и одна научная группа:

• лаб. гетерогенных процессов (зав. чл.-корр. РАН, проф. И.В. Мелихов);
• лаб. дозиметрии и радиоактивности окружающей среды (зав. доц. В.К. Власов);
• лаб. мессбауэровской спектроскопии и радиохимических методов исследования (зав. проф. П.Б. Фабричный);
• лаб. радионуклидов и меченых соединений (зав. проф. В.М. Федосеев);
• лаб. ядерно-химических методов (зав. проф. Ю.Д.Перфильев);
• группа экологической радиохимии (рук. проф. И.Н.Бекман).

Отметим наиболее существенные результаты научных исследова-ний кафедры.

Разработана макрокинетическая теория сокристаллизации радио-нуклидов. Сформулировано основное кинетическое уравнение образова-ния твердой фазы носителя и захвата радионуклида носителем, разрабо-таны модели предельных режимов сокристаллизации, созданы алгоритмы и программы для расчета процесса сокристаллизации в реакторах различ-ной конструкции. Установлено, что сокристаллизация радионуклида и носителя может привести к состоянию, весьма близкому к термодина-мическому равновесию, если скорость сокристаллизации не превышает некоторого порога, который можно назвать порогом квазиравновесности (И.В. Мелихов и сотр.).

Метод изотопного обмена был предложен и эффективно исполь-зован для изучения параметров испарения труднолетучих элементов и их композиций (Ан. Н. Несмеянов и сотр.).

Изучены закономерности изотопного обмена твердых фаз с растворами. Развита теория изотопного обмена фазы с многоярусной иерархической текстурой, а также кристаллической одноярусной дисперс-ной твердой фазы в скоростных потоках раствора (И.В. Мелихов и сотр.).

Предложен и опробован метод изотопного обмена для изуче- ния процессов массообмена и химических реакций экстрагирования (Б.З. Иофа и сотр.).

Установлено явление "фрагментарного" обмена между тиокарба-мидом, меченным серой-35 или углеродом-14, и S-аллил-, S-бензилизотио-мочевиной, а также некоторыми S,N-гетероциклическими изотиомочеви-нами.

Работы Ан. Н. Несмеянова и сотр. в области химии "горячих" атомов широко известны. Следует отметить, что в исследования хими-ческих процессов с участием частиц высокой кинетической энергии с "горячими" атомами отдачи Т и С-14 были введены ускоренные ионы Т⁺, Т₂⁺, получавшиеся на низкоэнергетическом ускорителе (Е = 100 эВ), и атомы Т, активированные термически. Это позволило проводить эксперимент с "горячими" атомами не только в более четко контролируемых, но и более разнообразных условиях.

Предложена термодинамическая модель стабилизации "горячих" атомов в твердых неорганических веществах, по которой в горячей зоне создается промежуточное метастабильное образование из атомов, входящих в состав вещества.

При разработке методов получения радионуклидов из облученных ядерными частицами мишеней на циклотроне или в ядерном реакторе использовались экстракция, внутренний и внешний электролиз. Экстракционные методики основывались на фундаментальных исследованиях общих закономерностей экстракции элементов, проводимых на кафедре радиохимии с 1960 г.

Были проведены исследования экстракции элементов из раство-ров кислот спиртами, кетонами, простыми и сложными эфирами, аминами и солями четвертичных аммониевых оснований, краун- и тиокраун-эфирами. Изучены кинетические закономерности при извлечении элементов различными экстрагентами.

Выявлены общие закономерности экстракции элементов и радионуклидов, разработаны экстракционные методики и регламенты выделения ряда радионуклидов медицинского назначения.

Существует ряд методов введения радионуклидов в молекулы органических веществ:

• Химические методы (прямой химический синтез)
• Биосинтез
• Биохимические методы
• Изотопный обмен, в том числе каталитический и фрагментарный
• Ядерно-химические методы (метод Вильцбаха, "горячий синтез", -распад изотопов молекул)
• Физико-химические методы (радиационный синтез, авторадиолиз, синтез в электрическом разряде, электрохимический синтез, синтез в молекулярных и ионных пучках, термическая активация трития).

Многие из них были реализованы на кафедре. Заметим, что первые работы по синтезу меченых соединений были проведены в лаборатории радиохимии еще в 1950-1954 гг. В последующие годы были предложены и реализованы новые пути введения трития, углерода-14, хлора-36 и серы-35 методами химического синтеза и изотопного обмена в молекулы различных типов биологически активных веществ, в том числе радиопротекторов. Разработаны методы быстрого синтеза ряда амино-кислот, содержащих ультракороткоживущий радионуклид углерод-11. Проведено исследование физико-химических основ метода термической активации трития при действии на твердые мишени органических веществ потоков атомарного трития.

Для исследования высокоэнергетических химических процессов предложена идея генетически связанных через ядерное превращение радионуклидов-генетических пар: материнский радионуклид активирует физико-химические процессы, а дочерний - предоставляет через эмиссию своего излучения информацию химической трансформации в системе.

Разработан метод мессбауэровского диамагнитного зонда для физико-химической диагностики магнитно упорядоченных соединений. Этот метод был с успехом применен для решения таких задач, как диагностика химических реакций с участием поверхностных примесных центров в оксидах 3d-металлов, применяющихся в полупроводниковых сенсорных устройствах, и диагностика процессов структурирования в аморфных гидроксидах 3d-металлов.

Определены параметры испарения и давления насыщенных паров 23-х химических элементов, их соединений и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов и ракетных топлив. Предложены новые радиоаналитические методики для исследования конструкционных материалов и объектов окружающей среды.

Разработана концепция радионуклидного люминесцентного зонда и предложена методика диагностики дисперсных систем. Предложена новая радиоаналитическая методика определения малых количеств никеля в растворах (субстехиометрический вариант метода изотопного разбавле-ния). Разработаны эффективные авторадиографические методики для диагностики некоторых химических процессов в промышленности и в природных объектах.

Предложена эффективная модификация радионуклидного метода определения активности углеводокисляющих бактерий для оценки способности водных экосистем к самоочищению от нефтяного загряз-нения антропогенного происхождения.

Разработана теоретическая модель запасания энергии в кристал-лофосфорах на основе микродозиметрических представлений. Предложе-ны и внедрены в практику малогабаритные автономные детекторы рентгеновского, гамма-, нейтронного, СВЧ-, ИК- и УЗ-излучений. Разработаны и внедрены детекторы и методы мониторинга на загрязнен-ных территориях, в том числе реконструкции радиационной обстановки.

Проведена идентификация источников поступления и изучено поведение естественных и искусственных радионуклидов в морской среде, так было установлено, что удельная активность К-40 в морской воде может значимо отличаться от значения, рекомендованного для земных пород. Наибольшая изменчивость отмечалась, при большом массиве данных, в основном в северо-западной и западной части Тихого океана.

Изучено влияние различных факторов (пористости, удельной поверхности и влагосодержания материала, температуры и влажности окружающей среды) на состояние и миграцию изотопов радона (радона-220 и радона-222) в природных средах (горных породах, минералах, почвах и др.) и в строительных материалах (древесина различных пород, цемент, бетон, конструкционные полимеры и др.) Проведено математи-ческое моделирование процессов выделения радона и торона из матери-алов при изменяющейся во времени температуре и влажности атмосферы

Разработаны методы пылеподавления с использованием водных растворов полиэлектролитов и водных эмульсий битума; композиция, разработанная совместно с кафедрой высокомолекулярных соединений, была использована для предотвращения эолова переноса радионуклидов в зоне ЧАЭС.

Многие исследования кафедры носят комплексный характер и выполняются совместно рядом лабораторий, а также в содружестве с другими кафедрами факультета и различными научными центрами. Работы велись в соответствии с координационными планами Академии наук, по целевым программам ГКНТ, Минвуза и других организаций, а с 1990 г. и по приоритетным программам и грантам.

За это время кафедра проводила работу по трем комплексным межфакультетским темам в соответствии с планами НИР соответству-ющих координационных советов МГУ и приказами ректора:

• изыскание новых радиозащитных средств и путей повышения их эффективности;
• разработка основ системного анализа и прогнозирования взаимо-действия человека и природной среды;
• комплексные исследования природы мирового океана.

• Выяснение общих закономерностей экстракции радионуклидов.
• Новые методы синтеза меченых физиологически активных веществ.
• Радионуклидная диагностика химических процессов и объектов окружающей среды.
• Изучение поведения радионуклидов в природных средах.
• Исследование процессов запасания энергии излучения в кристалло-фосфорах.
• Реконструкция радиационной обстановки в местах ядерных аварий.
• Развитие работ по кристаллосенсорике и кристаллизационному синтезу.
• Физико-химические процессы в аэрозолях.
• Гамма-резонансная спектроскопия в химии.

В Московском университете работа по подготовке специалистов в области радиоактивности имеет определенную историю. Так, уже в 1925 г. была организована подготовка специалистов-радиологов по направле-ниям:

• Поиск и разведка месторождений радиоактивных руд.
• Промышленность радиоактивных элементов.
• Практическое применение радиоактивности (в медицине, светососта-вы постоянного действия, просвечивание металлических отливок)

Особо следует отметить организованный Вл.И. Спицыным в 1913/1914 учебном году "радиоактивный" практикум в лаборатории неорганической химии Московского университета. В числе практических задач были такие как:
– определение удельных активностей различных радиоактивных веществ;
– определение периодов полураспада короткоживущих "радиоэлементов";
– изучение последовательных ступеней распада некоторых "радиоэлементов";
– качественный анализ по радиоактивности урана, тория и радия;
– радиоактивный анализ грязей;
– эманационный метод определения малых количеств тория;
– изучение радиоактивности калия и рубидия.

Примечательно, что некоторые их этих задач не утратили своей привлекательности и сегодня.

В последние десять лет на кафедре сложились следующие направ-ления учебной работы:

• Практикум "Основы радиохимии и радиоэкологии" для студентов общего потока химического факультета МГУ.
• Подготовка студентов-радиохимиков.
• Подготовка аспирантов по специальности "радиохимия".
• Работа со стажерами по радиохимическим методам исследования.
• Курсы по подготовке и переподготовке специалистов для народного хозяйства.
• Аттестация (курсовое обучение сотрудников химфака и других подразделений МГУ по радиационной безопасности).
• Постоянно действующий семинар для работников СЭС г. Москвы.

Практикум по основам радиохимии и радиоэкологии для общего потока студентов химического факультета функционирует с 1956 г. Курс ставит своей задачей подготовку химиков широкого профиля к созна-тельному и грамотному использованию радионуклидов для решения различных химических и радиоэкологических задач.

В эти годы практикум реорганизован и модернизирован, однако этот процесс далеко еще не закончен. Его новая направленность - не только радиоактивные индикаторы в химии, но и радиоактивность окру-жающей среды, что нашло отражение и в новом названии практикума. Крайне малый объем курса потребовал разработки и внедрения соответствующей системы программного обучения и контроля знаний.

В настоящее время апробируется и поэтапно внедряется система практических занятий "по выбору", учитывая будущую специализацию студентов (циклы: неорганическая и аналитическая химия, физическая химия, органическая и биохимия, химическая экология).

До 1976 г. прием студентов на специализацию "радиохимия" проходил в соответствии с приказом Минвуза по отдельному конкурсу. С 1976 г. по согласованию с Минвузом и ректоратом комплектование специализированной группы радиохимиков проводилось факультетом в июле месяце, из числа зачисленных на первый курс студентов, так же как в группы физико-химиков и химиков-вычислителей. В течение ряда лет складывалась структура учебного процесса в группе радиохимиков, кото-рая в 1983 г. на совещании зав. кафедрами химических специальностей университетов страны была признана близкой к оптимальной.

В 1985 г. на базе радиохимической группы была создана специа-лизированная группа "Физико-химия перспективных процессов и материалов и ядерно-химические методы исследования", а с 1993 г. по решению ученого совета факультета был вновь восстановлен набор в самостоятельную группу радиохимии и радиоэкологии.

В настоящее время на кафедре преподавателями и научными сотрудниками подготовлено более 20 специальных лекционных курсов, освещающих актуальные вопросы современной радиохимии, радиационной безопасности и радиоэкологии.

Научную работу на кафедре студенты-радиохимики начинают вести, как правило, с 1- 2-го курса, и по традиции они активно участвуют в работе Научно-студенческих конференций. В 1988- 1998 гг. в секции "Радиохимия" с докладами выступили более 110 студентов.

Технологическую практику студенты группы могут проходить в обычном порядке, но у кафедры есть опыт проведения ее в научно-производственных подразделениях ГЕОХИ, ИФХ РАН и ИМГ РАН.

Необходимость восстановления самостоятельной специализиро-ванной студенческой группы для подготовки радиохимиков университет-ского профиля диктовалась тем, что крупные научные центры заинтересо-ваны в специалистах не только по ядерно-химическим методам исследова-ния, но и по многим разделам радиохимии и радиоэкологии (20 – 25 человек в год).

Анализ последних лет, в том числе основанный на осмыслении чернобыльских событий, показывает, что направление научных исследова-ний, ведущихся на кафедре, а следовательно, и специализация выпускни-ков-радиохимиков полностью отвечают потребностям атомной науки и ядерной энергетики как на сегодняшний день, так и на перспективу.

Заметим, что многолетний опыт работы по подготовке университетских радиохимиков (подготовлено более 600 человек) был весьма положительным. Абсолютное большинство выпускников радиохимических групп сегодня - специалисты высокого класса, доктора и кандидаты наук, в том числе члены РАН и других академий, среди них 3 лауреата Ленинской и 12 лауреатов Государственной премий.

На кафедре выполняют диссертационные работы и повышают свою квалификацию аспиранты и стажеры по всем трем основным научным направлениям. В 1988-1999 г.г. защитили кандидатские диссертации 22 аспиранта и соискателя кафедры.

Кафедра в основном обеспечена учебниками и учебными пособиями, авторы которых - радиохимики, преподаватели и сотрудники химического факультета МГУ. Отметим первый в нашей стране современный учебник по радиохимии, автор которого чл.-корр. АН СССР Ан. Н. Несмеянов был удостоен за него Ломоносовской премии МГУ. В общей сложности было подготовлено 25 учебников, учебных пособий и монографий, активно использующихся в учебном процессе. Кроме того, была издана большая серия методических руководств по различным разделам курса "Радиоактивные индикаторы в химии" и ряд соответ-ствующих методических пособий по радиохимии.

Кафедра поддерживает контакты в области учебно-методической работы с кафедрами университетов в Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде, с родственными кафедрами других вузов. В учебном кафедральном процессе используются также учебные пособия, подготовленные преподавателями кафедры радиохимии СПбГУ.

С удовлетворением можно отметить, что анализ тенденций в современном радиохимическом образовании развитых стран Европы и Америки подтверждает правильность выбора приоритетов в учебном процессе радиохимиков МГУ. Закончить этот краткий рассказ о кафедре хотелось бы словами из последней книги Андрея Николаевича Несмеянова, которые вынесены в заглавие этой статьи: "Радиохимия - наука настоящего и будущего". Мы убеждены в этом!

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]