Радиоактивные вещества (радионуклиды)

Что такое радионуклид? Вспомним, что представляет собой атом: ядро и электроны, движущиеся по орбиталям. Заряд электронов нейтрализует заряд ядра, поэтому атом является электронейтральным. Ядро состоит из нуклонов, т.е. нейтронов и протонов. Заряд ядра равен числу протонов и атомному номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, масса ядра практически равна массе атома (масса электронов вносит незначительный вклад). Химические свойства элементов определяются числом внешних электронов, масса ядра не влияет на химические свойства. В природе существуют элементы, состоящие из атомов с разными атомными массами, но одинаковым атомным номером. Эти атомы являются изотопами одного и того же элемента, у них одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов. Химические свойства изотопов одного элемента одинаковы. Некоторые изотопы являются нестабильными, поэтому подвержены радиоактивному распаду, т.е. один радионуклид превращается в другой, и при этом испускается ядерное излучение. Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием частиц и (или) фотонов. Мерой радиоактивности вещества является активность (А):

A = N ,

где N – количеством радиоактивных ядер,

 – константа радиоактивного распада , с^1.

 = ln 2/T_1/2

Активность радионуклида в источнике можно рассматривать как меру скорости ядерных превращений: отношение числа спонтанных ядерных превращений радионуклида dN, происходящих в данном источнике за интервал времени dt, к этому интервалу.

A = dN/dt.

Единицы измерения активности: в международной системе единиц (СИ) единицей абсолютной активности является “беккерель” (в честь Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности), внесистемная единица – “кюри”.

1 Бк = 1 распад/с – активность такого количества вещества, в котором за 1 секунду происходит 1 распад.

1 Kи = 3,7  10¹⁰ Бк.

T_1/2 – период полураспада – отрезок времени, за который активность данного радионуклида уменьшается в два раза.

Природные радионуклиды

В природе обнаружено 340 естественных изотопов, 70 из них радиоактивны – это в основном изотопы тяжёлых элементов. Начиная с полония (₈₄Po), изотопы всех следующих элементов радиоактивны.

Все существующие в природе радионуклиды можно разделить на три группы:

1. Радионуклиды, входящие в природные радиоактивные семейства

Далеко не всегда продукт радиоактивного распада стабилен (устойчив). Новый образовавшийся нуклид тоже может оказаться радиоактивным. В общем случае последовательные радиоактивные превращения могут составить ряд “генетически” связанных радионуклидов (“семейство”). Радиоактивных природных семейств известно три, каждое из них содержит более десятка радионуклидов [7].

“Родоначальники” этих радиоактивных семейств возникли в период формирования Вселенной и имеют возраст, сравнимый с возрастом Земли, - примерно 10⁹ лет: изотопы урана ²³⁸U (период полураспада Т_1/2 = 4,5·10⁹ лет), ²³⁵U (Т_1/2 = 7,13·10⁸ лет), изотоп тория ²³²Th (Т_1/2 = 1,39·10¹⁰ лет). Семейство ²³⁸U приведено на рис.1.

Дочерние” радионуклиды имеют относительно короткие периоды полураспада. Из них наибольшее радиоэкологическое значение имеют изотопы радия ²²⁶Ra (Т_1/2 = 1622 года), ²²⁸Ra (Т_1/2 = 6,7 года), изотоп радона ²²²Rn (Т_1/2 = 3,85 дня), изотоп свинца ²¹⁰Pb (Т_1/2 = 22 года), изотоп полония ²¹⁰Po (Т_1/2 = 138,4 дня). Мы выделяем эти радионуклиды потому, что именно они в основном создают дозу облучения, получаемую человеком за счёт природной радиоактивности.

Рис.1. Радиоактивный ряд урана-238

Главы семейств (материнские радионуклиды) входят в состав многих изверженных (вулканических) пород, поэтому в результате последовательных превращений эти породы будут содержать и все продукты распада урана и тория. Почвы и горные породы будут источником внешнего облучения людей, а также будут способствовать поступлению радионуклидов внутрь организма человека с воздухом, водой и пищей.

Таблица 3

Удельная активность некоторых природных радионуклидов в породах и почвах, мБк/г [4]

Порода или почва	40К	238U	232Th
Породы
Граниты	1000	60	80
Базальты	240	10	10
Известняки	90	30	7
Песчаники	370	19	10
Сланцы	700	44	45
Почвы
Серозёмы	670	31	48
Каштановые	550	27	37
Чернозёмы	410	22	36
Серые лесные	370	18	27
Торфянистые	90	6	6

Загрязнение вод естественными радионуклидами происходит в результате природных геохимических процессов. Поступление урана связано с растворением урансодержащих минералов, миграцией его в водах. Продукты распада урана – радий и радон – также попадают в воду. Радий выщелачивается из твёрдофазных минералов и пород. Радон, будучи газом, диффундирует по трещинам и капиллярам, растворяется в природных водах [6]. Особенно часто радионуклиды естественного происхождения встречаются в водах артезианских скважин. В Свердловской области выявлено 350 источников водоснабжения, в воде которых обнаружено повышенное содержание природных радионуклидов.

Вторым путём поступления радона в организм человека является вдыхание загрязнённого воздуха. Постоянное повышенное содержание радона в воздухе является важным фактором, влияющим на здоровье человека. Радон является радиоактивным газом и создаёт существенные дозы облучения. По оценкам специалистов в СНГ ежегодно от “радонового рака” умирает 15 000 человек [7]. Радон может диффундировать через почву из земных глубин и попадать в жилые помещения зданий через подвалы. Особенно велико его содержание на нижних этажах зданий. Высокое содержание радона обнаружено в природном газе, особенно в сжиженном. Средняя активность добываемого природного газа 1 000 Бк/м³ [8]. Опасен радон не только сам по себе, но и в гораздо большей степени своими продуктами распада, изотопами: ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po. Попав в организм человека, они будут облучать его более длительное время.

Источником природных радионуклидов могут быть строительные материалы. Практически все сорта гранита в той или иной степени радиоактивны. Гранит – типичная вулканическая порода и может иметь повышенное содержание урана, радия, тория. Если использовать такую гранитную щебёнку при изготовлении бетонных блоков для домостроения, то в помещении зданий всегда будет присутствовать радон.

Наконец, последний путь поступления природных радионуклидов в организм человека – по пищевым путям. Поскольку радионуклиды есть в почвах, будут они и в пищевых продуктах, таких как мясо, молоко, зерно, овощи и фрукты.

2. Природные радионуклиды, не входящие в радиоактивные семейства

Существуют природные радионуклиды, не входящие в семейства; их периоды полураспада очень высоки. Радиоэкологическое значение из них имеют только два: изотоп калия (⁴⁰К) и изотоп рубидия (⁸⁷Rb). В природном калии содержится 0,0119 % изотопа ⁴⁰К, поэтому он входит в состав почв, горных пород, Мирового океана и “живого вещества”, даже тела человека. Так, средняя активность тела человека весом 70 кг (содержего 130 г калия) равна 4·10³ Бк.

3. Радионуклиды космогенного происхождения

Они образуются при взаимодействии космических лучей с газами земной атмосферы и некоторыми элементами земной коры. Наиболее радиоэкологически важные изотопы – углерод-14 (Т_1/2 = 5730 лет) и тритий (Т_1/2 = 12,35 года). Тритий (радиоактивный водород) и углерод-14 (¹⁴С) образуются непрерывно, так как мы не можем ограничить взаимодействие космического излучения с атмосферой. Скорость образования ¹⁴С остаётся неизменной уже 15 000 лет [6], поэтому он находится в равновесии с углеродом биосферы (т.е. доля радиоуглерода в составе стабильного практически постоянна) и поступает в организм человека с водой, воздухом, растительной и животной пищей, став составной частью человеческого тела. На определении количества ¹⁴С основан метод оценки возраста органических материалов, произведённых из “живого вещества” (например, дерева), и отмерших организмов. Радиоуглеродный метод разработан американским радиохимиком У. Либби (Нобелевская премия 1960 года) и применим при определении возраста объектов не старше 50 000 лет.

Доля ¹⁴С в смеси со стабильными изотопами (¹²С и ¹³С), из которых состоит элемент углерод, при жизни любого организма постоянна вследствие непрерывного обмена веществ (метаболизма). Эта доля такая же, как у углерода, который входит в состав углекислого газа атмосферы (CO₂); именно этот газ участвует в фотосинтезе, который “строит” тело всех растений. В отмерших материалах из-за прекращения метаболизма доля ¹⁴С вследствие его распада только убывает со скоростью радиоактивного распада (А = А_ое^-λt, где λ = ln 2/Т_1/2). Эта экспериментально устанавливаемая доля находится в строгом количественном соответствии с отрезком времени, который прошёл с момента прекращения метаболизма (например, естественного отмирания или срубания дерева) до момента определения доли ¹⁴С. Так устанавливают “возраст” археологических и палеонтологических объектов органического происхождения.