С.С.БЕРДОНОСОВ

Особенности содержания и методики преподавания некоторых избранных тем курса химии 8—9 классов

Учебный план курса

Лекция № 2

Радиоактивность

Основы радиохимии и радиоэкологии. Синтез и изучение новых элементов

Введение

Обсуждение проблем, связанных с радиоактивными свойствами отдельных атомов, синтезом атомов новых элементов и изучением их свойств, поведением радиоактивных атомов в окружающей среде и влиянием излучения, сопутствующего радиоактивному распаду, на организм человека, входит в программы школьных курсов химии США и других развитых стран [1]. При этом, как можно судить, в частности, по книге [2], с учащимися американских школ проводят практические занятия по работе с радиоактивными источниками, включая препараты, содержащие радионуклиды «в открытом виде» (в виде разбавленного водного раствора). Между тем в программах отечественных базовых курсов химии практически не уделено внимания радиоактивности и родственным с ней проблемам. На их изучение не отведены учебные часы. Цель данной лекции – помочь учителю получить необходимую информацию, которую можно включать в те или иные уроки и обсуждать с учащимися во внеурочное время.

Радиоактивность

Радиоактивностью называют способность некоторых атомов самопроизвольно превращаться в атомы других элементов (испытывать радиоактивные превращения). Радиоактивные превращения связаны с испусканием ядрами -частиц (ядер гелия ⁴₂Не) или -частиц (электронов е^– или, значительно реже, позитронов е⁺). При -распаде из исходного (материнского) ядра с большой скоростью вылетают два протона и два нейтрона, образовавшие ядро гелия. Массовое число исходного ядра уменьшается на 4, а его заряд (и атомный номер элемента) – на 2 единицы заряда (рис. 1).

При ^–-распаде из ядра вылетает электрон, происхождение которого связано с превращением содержащегося в материнском ядре нейтрона n в протон p, электрон e^– и антинейтрино :

n p + e^– + .

Массовое число возникающего ядра остается неизменным, а его заряд увеличивается на 1 (атомный номер элемента возрастает на 1).

В случае ⁺-распада один из протонов исходного ядра превращается в нейтрон, а из ядра вылетают позитрон е⁺ и нейтрино :

р n + e⁺ + .

И в этом случае массовое число атома сохраняется, но его заряд уменьшается на 1 (см. рис. 1).

Нейтрино и антинейтрино уносят с собой часть освобождающейся при -распаде энергии. До сих пор ученые не нашли точного ответа на вопрос, имеется или нет у нейтрино или антинейтрино масса покоя (и следовательно, остается неясным вопрос о том, можно ли рассматривать их как чрезвычайно маленькие частицы или они относятся к материи волновой природы). Вместе с тем твердо установлено, что электрического заряда у нейтрино и антинейтрино нет.

Можно отметить, что на первых этапах изучения радиоактивности широко использовали термины «-лучи» и «-лучи», но после установления природы этого излучения правильно говорить и писать «-частицы» и «-частицы».

Во многих случаях испускание ядрами -частиц (-распад) или -частиц (-распад) сопровождается испусканием -лучей (квантов электромагнитного излучения). Отметим, что испускание ядрами только -лучей (это наблюдается при переходе ядер из возбужденного в основное состояние, что может происходить практически одномоментно с актом распада, а может и за сравнительно большой промежуток времени – от долей секунды до нескольких часов) к радиоактивным превращениям относить не принято [3]. Примером такого превращения служит испускание -квантов метастабильными ядрами бария-137 (такой нуклид обозначают как ^137mBa) при их превращении в ядра стабильного ¹³⁷Ba.

Испускание квантов рентгеновского и -излучения и электронов наблюдается еще при одном типе
-распада – так называемом электронном захвате. Такой тип радиоактивного распада связан с захватом ядром какого-либо орбитального электрона. Попав в ядро, электрон взаимодействует с протоном, который превращается в нейтрон (атомный номер уменьшается на 1):

р + e^– n + .

Избыточную энергию ядро затем испускает в виде кванта электромагнитного излучения. Если этот квант поглотит электрон электронной оболочки атома, то энергии кванта может оказаться достаточной для того, чтобы электрон покинул атом (испускаемые атомом электроны в этом случае называют электронами внутренней конверсии). При электронном захвате заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число, как и в случае других типов -распада, не изменяется.

Отметим, что при радиоактивном распаде превращение претерпевает ядро. Но принято писать и говорить также «радиоактивный распад атомов», «радиоактивное превращение атома» и т.п., поскольку и весь исходный атом при радиоактивном распаде его ядра, разумеется, тоже претерпевает превращение и становится атомом другого нуклида.

Кроме - и -распада существует и спонтанное деление ядер, при котором ядра тяжелых элементов самопроизвольно разрушаются на два близкие по массам ядра элементов середины периодической системы элементов, причем одновременно происходит испускание двух-трех нейтронов, а также -квантов. Этот вид радиоактивности на примере ядер ²³⁸₉₂U был открыт в
1940 г. К.А.Петржаком и Г.Н.Флеровым. В 1984 г. Х.Роуз и Г.Джонс обнаружили так называемую кластерную радиоактивность (f-радиоактивность). Они установили: ядра радия-226 в очень редких случаях испускают не -частицы (как это происходит при их обычном радиоактивном превращении), а ядра углерода-14:

²²⁶₈₈Ra = ²¹²₈₂Pb + ¹⁴₆C.

В дальнейшем оказалось, что при кластерной радиоактивности из ядер тяжелых элементов могут вылетать не только ядра ¹⁴₆С, но и ядра ²⁴₁₀Ne, ²⁸₁₂Mg и др. И спонтанное деление, и кластерная радиоактивность – очень редкие явления в природе, и для химических процессов и для экологии их значение невелико.

Единицы радиоактивности – беккерель и кюри

Единица радиоактивности в системе СИ – беккерель (сокращенно Бк). 1 Бк – это радиоактивность (активность) такого препарата, в котором за 1 с происходит распад одного ядра (1 распад/c). Активность в 1 Бк – очень маленькая, и на практике широко используют ее производные – 1 кБк (килобеккерель, т.е. 1 тыс. беккерелей), 1 МБк (мегабеккерель, 1 млн беккерелей) и др. В первой половине ХХ в. единицей радиоактивности служил 1 кюри (Ки). При радиоактивности препарата, равной 1 Ки, в нем происходит 3,7•10¹⁰ распадов за 1 с (другими словами, его активность равна 3,7•10¹⁰ Бк). Происхождение такой единицы радиоактивности связано с тем, что одна из пионеров исследования радиоактивности – Мария Склодовская-Кюри предложила использовать в качестве единицы радиоактивности 1 г радия, в котором за 1 с происходит около 3,7•10¹⁰ актов радиоактивного распада ядер радия-226. На практике часто использовали производные кюри – 1 милликюри (мкюри, или 3,7•10⁷ Бк) и 1 микрокюри (мккюри, или 3,7•10⁴ Бк).

Для обозначения радиоактивности (активности) используют латинскую букву а.

Скорость радиоактивного распада.
Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада

Изменение числа атомов N радионуклида с течением времени t передает уравнение

где N₀ – исходное число радиоактивных атомов, N_t – число атомов этого радионуклида к моменту t, – постоянная, характеризующая распад данного радионуклида (постоянная распада), e – так называемое «натуральное» число, е 2,71828. Этому уравнению отвечает экспонента (рис. 2), поэтому часто говорят, что со временем число атомов данного радионуклида уменьшается по экспоненциальному закону.

По аналогичному закону изменяется с течением времени и активность препарата а (cм. рис. 2). Изменение активности а с течением времени передает формула

Скорость распада радионуклида можно также характеризовать через период полураспада
Т_1/2 – время, за которое число атомов данного радионуклида (или его активность) уменьшается в 2 раза. Чем больше Т_1/2, тем устойчивее ядра радионуклида и тем медленнее они распадаются. Значение Т_1/2 связано с постоянной распада соотношением: Т_1/2 = ln 2 (ln 2 – натуральный логарифм числа 2, ln 2 0,69315), так что, определив, например, экспериментально значение Т_1/2, можно легко рассчитать и значение и наоборот, зная , найти значение Т_1/2.

Для подавляющего большинства радионуклидов значение Т_1/2 постоянно и не зависит от температуры, давления, степени окисления атомов и каких-либо других факторов. Единственный вид радиоактивного распада, для которого отмечены небольшие изменения значения Т_1/2 в зависимости от степени окисления атома данного радионуклида – это электронный захват. При этом типе радиоактивного распада наблюдаются небольшие (в пределах нескольких сотых долей процента) изменения значения Т_1/2 радионуклида в зависимости от степени окисления атома.

Те радионуклиды, которые распадаются медленно, называют долгоживущими, те, которые распадаются быстро, – короткоживущими. Для наиболее долгоживущих радионуклидов Т_1/2 ~ 10¹³–10¹⁴ лет (радиоактивность более долгоживущих радионуклидов очень мала, и обнаружить экспериментально ее не удается); самые низкие значения Т_1/2, которые можно зафиксировать в настоящее время, ~10^–7–10^–6 с. Для каждого радионуклида значение Т_1/2 (или соответствующее значение ) – постоянная величина, характеризующая данный радионуклид (как атомная, или, по-современному, молярная, масса элемента A_r отвечает только одному определенному элементу). Значения Т_1/2 радионуклидов по результатам новых экспериментов уточняются, и сведения об уточненных значениях Т_1/2 периодически публикуют комиссии ИЮПАК и ИЮПАП, аналогично тому, как это происходит для значений A_r химических элементов.

Значение Т_1/2 можно использовать для предсказания числа распавшихся за определенное время атомов (или оставшихся по его истечению) только по отношению к большому числу исходных атомов данного радионуклида. Так, если значение N₀ для какого-либо радионуклида составляло
1 млн, то через один период полураспада их останется примерно 500 тыс., а еще через один – примерно 250 тыс. Но наступит такой момент, когда число атомов станет равным, например, 10, и тогда предсказать, сколько атомов останется через следующий Т_1/2 – 3, 4, 5, 6 или 7, станет невозможно. Принято считать, что для полного распада радионуклида – загрязнителя окружающей среды – необходимо, чтобы прошло время, равное примерно десяти Т_1/2 этого радионуклида. При этом активность радионуклида снижается в 2¹⁰ (примерно в 1000) раз.

Природные и искусственные радионуклиды

Явление радиоактивности было впервые обнаружено при изучении редких тяжелых элементов – тория (долгоживущий природный радионуклид ²³²Th, Т_1/2 = 1,41•10¹⁰ лет) и урана (природные радионуклиды ²³⁵U, Т_1/2 = 7,1•10⁸ лет и ²³⁸U, Т_1/2 = 4,5•10⁹ лет) и некоторых других. До сих пор у многих существуют ошибочные представления о том, что радиоактивны атомы только тяжелых редких элементов или техногенные атомы, образовавшиеся в ядерном реакторе. Однако на самом деле это не так. В нашем организме, например, самый распространенный радионуклид – это калий-40. -Радиоактивный ⁴⁰К (значение Т_1/2 = 1,28•10⁹ лет, близко к Т_1/2 ²³⁸U) входит в смесь изотопов природного калия наряду со стабильными ³⁹К и ⁴¹К. Правда, содержание ⁴⁰К в этой смеси мало – около 0,0118%, но калий – один из наиболее распространенных в природе элементов, и содержание ⁴⁰К в окружающей среде довольно велико. В табл. 1 приведены сведения о его содержании в некоторых продуктах питания. Разумеется, ⁴⁰К содержится и в теле человека, так что радиоактивность каждого из нас определяется содержанием в организме этого природного радионуклида.

Таблица 1

Радиоактивность по калию-40
некоторых продуктов питания

Установлено, что и некоторые другие химические элементы, в частности ванадий (радионуклид ⁵⁰V), рубидий (⁸⁷Rb), лантан (¹³⁸La) и платина (¹⁹⁰Pt), содержат долгоживущие природные радионуклиды (периоды полураспада которых сравнимы с возрастом Земли, около 5 млрд лет). Кроме того, к числу природных радионуклидов относится и несколько радионуклидов легких элементов с периодами полураспада, значительно меньшими, чем возраст Земли. Так, природные радионуклиды имеются у углерода и водорода. Ядра -радиоактивного ¹⁴С (Т_1/2 = 5730 лет) с постоянной скоростью образуются в атмосфере за счет взаимодействия ядер азота-14 с нейтронами (происхождение которых связано с постоянным потоком космического излучения, многие миллионы лет попадающего на нашу планету):

¹⁴₇N + ¹₀n = ¹⁴₆C + ¹₁p.

Приведенная запись – уравнение ядерной реакции. В таком виде сумма массовых чисел частиц, отвечающих левой части уравнения, должна быть равна сумме массовых чисел частиц правой части уравнения (в данном случае 14 + 1 = 14 + 1). Сохраняется при протекании ядерной реакции и суммарный заряд частиц (7 + 0 = 6 + 1).

Образующиеся атомы ¹⁴₆C окисляются кислородом воздуха до СО₂, затем переходят в растения, а потом по пищевым цепочкам попадают в организмы всех животных и человека (рис. 3).

Рис. 3. Пример пищевой цепочки, по которой в организм человека попадает углерод-14

Убыль атомов ¹⁴₆C за счет радиоактивного распада постоянно компенсируется их образованием в атмосфере. Радиоактивность атомов углерода атмосферного углекислого газа и углерода во всех живых организмах (в расчете на 1 моль атомов углерода С) одинакова и миллионы лет остается постоянной (она равна 2,7 Бк/моль С). Если же организм погибает, новые атомы ¹⁴C в него больше не поступают, а радиоактивный распад ¹⁴C продолжается. Поэтому радиоактивность углерода в таком материале постепенно снижается.

Это обстоятельство используют, когда нужно определить возраст какой-либо археологической находки, содержащей в своем составе углерод. Для этого следует измерить активность¹⁴C, приходящуюся на 1 моль С в этом объекте (а_t), и сравнить найденное значение со значением, отвечающим живому организму (а_о). Используя уравнение (2), можно далее рассчитать возраст находки t.

За счет нескольких ядерных процессов, протекающих с участием природных радионуклидов и космического излучения, элемент водород всегда содержит кроме стабильных протия ¹Н и дейтерия ²Н очень небольшую примесь атомов радиоактивного трития Т (³Н) (значение Т_1/2 = 12,35 года).

Радиоактивные уран и торий при распаде образуют дочерние радиоактивные ядра атомов более легких элементов. Радиоактивный распад дочерних ядер также приводит к новым радиоактивным ядрам. В результате цепочки превращений, начало которым дает -распад ядер урана-238, возникают дочерние радиоактивные ядра радия (²²⁶Ra), радона (²²²Rn), полония (²¹⁰Po) и некоторые другие (рис. 4).

Рис. 4. Цепочка превращений от урана-238 до стабильного свинца-206

Несмотря на то, что периоды полураспада ядер дочерних радионуклидов сравнительно невелики (так, значение Т_1/2 радия ²²⁶Ra равно 1600 лет, полония ²¹⁰Po – 138,4 сут, а газа радона
²²²Rn – всего 3,823 сут), их содержание в земной коре постоянно. Причина здесь в том, что ядра этих радионуклидов образуются с постоянной скоростью из материнских ядер и с такой же скоростью распадаются, а число атомов родоначальников цепочек – тория-232, урана-238 и урана-235 – в земной коре в течение столетий практически не изменяется (т. к. их периоды полураспада очень велики). Перечень важнейших природных радионуклидов, присутствующих в окружающей среде, приведен в табл. 2.

Таблица 2

Важнейшие природные и техногенные
радионуклиды, обусловливающие радиационный фон
на поверхности Земли

В середине ХХ в. после крупномасштабных работ по практическому использованию ядерной энергии – созданию ядерных реакторов и ядерного оружия – на поверхность Земли и в атмосферу попали техногенные радионуклиды, образующиеся при делении ядер ²³⁵U и ²³⁸Pu. Среди этих радионуклидов наибольшее значение имеют ^–-радиоактивные ⁹⁰Sr плюс дочерний, образующийся при распаде ⁹⁰Sr, также ^–-радиоактивный ⁹⁰Y (Т_1/2(⁹⁰Sr) = 29,12 года, а Т_1/2(⁹⁰Y) = 64 ч), ¹³⁴Cs (Т_1/2 = 2,06 года) и ¹³⁷Cs, а также дочерний ^137mBa (Т_1/2(¹³⁷Cs) = 30,17 года, а для испускающего при переходе в основное состояние -кванты бария Т_1/2(^137mBa) = 2,554 мин). Список важнейших техногенных радионуклидов, присутствующих в настоящее время на поверхности Земли и в атмосфере, также приведен в табл. 2.

Взаимодействие излучений радиоактивных атомов с окружающей средой

Прохождение через окружающую среду - и -частиц сопровождается столкновениями этих частиц с атомами, ионами и молекулами среды. При этом происходит ионизация атомов, разрыв химических связей с образованием ионов и свободных радикалов (нейтральных частиц, содержащих неспаренный электрон), возбуждение атомов и молекул. В результате - и -частицы постепенно растрачивают свою энергию, замедляются и тормозятся в среде. Из-за того, что масса -частиц велика и сопоставима с массой составляющих среду атомов, при каждом столкновении -частицы растрачивают большую часть своей огромной начальной энергии (до нескольких мегаэлектронвольт) и тормозятся на сравнительно небольшом отрезке пути. (Некоторую аналогию здесь можно провести с бегуном, на пути которого неожиданно оказывается толпа людей. При столкновениях бегун быстро растеряет свою кинетическую энергию и сможет вклиниться в толпу довольно неглубоко.) Невелик и пробег -частиц в жидкости или твердом веществе (например, в фотоэмульсии) – он составляет не более 100–150 мкм. Поэтому для полного поглощения -частиц от внешнего источника (источника -частиц, расположенного вне организма) и защиты от него достаточно экрана из писчей бумаги или слоя воздуха в 10–15 см. Если радионуклид хранится в стеклянной пробирке и испускает при радиоактивном распаде только -частицы, то стенки пробирки будут полностью их поглощать.

Масса ^–-частицы (электрона) в несколько тысяч раз меньше массы -частицы. При столкновениях с атомами среды энергия каждой ^–-частицы расходуется очень маленькими порциями (как если бы с толпой людей столкнулась летящая наперерез божья коровка). При торможении ^–-частицы в среде ионные пары и свободные радикалы образуются на значительно большем, чем в случае -частиц, отрезке пути. Так, для полного поглощения ^–-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, часто требуется слой воды или алюминия толщиной в несколько миллиметров. Пробег ^–-частиц в воздухе достигает нескольких десятков сантиметров. Для защиты организма человека от воздействия этих частиц, испускаемых внешним источником, требуется экран, например, из органического стекла толщиной в 5–8 мм или слой воды немного большей толщины.

Если происходит ⁺-распад, то испущенный ядром позитрон е⁺, попав в окружающую среду, в течение очень короткого времени (около 10^–10–10^–9 с) вступает во взаимодействие со своей античастицей – электроном е^–. Позитрон и электрон на какое-то мгновение могут образовать атомноподобную микрочастицу – электрон-позитронную пару (так называемый позитроний, условное обозначение Ps). Время жизни позитрония в твердом веществе составляет не более 10^–8 с. В результате столкновения противоположно заряженных электрона и позитрона обе частицы исчезают (аннигилируют), и вместо них обычно возникают два -кванта с довольно большой энергией.

Энергия -квантов при прохождении через вещество также расходуется на ионизацию атомов и молекул и их возбуждение. Однако на единицу пути такие взаимодействия с участием -квантов происходят значительно реже, чем в случае -частиц (не говоря уже об -частицах), поэтому
-кванты достаточно высоких энергий не поглощаются полностью даже слоями воздуха в десятки метров, и для защиты от их вредного воздействия приходится использовать толстые слои бетона или даже свинца.

Отметим еще раз, что сказанное о защите организма от воздействия излучений радиоактивных атомов справедливо только для внешних источников, при облучении организма человека извне. Ситуация резко меняется, когда речь идет о внутреннем облучении организма, т.е. облучении от радиоактивных атомов, оказавшихся внутри организма. В этом случае самыми опасными будут
-радиоактивные нуклиды. Вся энергия испускаемых -частиц поглотится на небольшом участке тканей, что вызовет появление в них чужеродных химически высокоактивных ионов и свободных радикалов, которые далее вступают во взаимодействие с молекулами, входящими в состав организма. Развиваются цепные реакции, в результате чего, во-первых, будут разрушаться все новые и новые молекулы, а во-вторых, в организме будут накапливаться вредные вещества. В итоге может наступить тяжелое заболевание – лучевая болезнь.

Наименее опасны при попадании внутрь нуклиды, испускающие -лучи. Энергия -квантов будет поглощаться тканями организма на сравнительно больших расстояниях, к тому же вполне вероятно, что часть энергии -кванта (или даже вся) вовсе не поглотится в организме, а покинет его.

Воздействие излучений радиоактивных атомов
на организм человека. Доза излучения

Из сказанного понятно, что вредное воздействие излучений радиоактивных атомов будет наблюдаться только тогда, когда излучение взаимодействует со средой. А вот нейтринное излучение, которое с окружающей средой практически не взаимодействует, проникает через живые организмы, не принося им какого-либо вреда. Через каждого из нас, судя по всему, постоянно проходят мощные протоки солнечных нейтрино, но никакого воздействия на нас – ни положительного, ни отрицательного – они не оказывают.

Само воздействие, как уже говорилось, состоит в распаде молекул под действием ионизирующего излучения на ионы и свободные радикалы. В зависимости от того, сколь сильно подвергнут организм облучению, его лучевое поражение может протекать или быстро (острая лучевая болезнь) или медленно (постепенно вызывая в организме образование онкологических опухолей).

Здесь возникает следующий вопрос – человечество постоянно существует в условиях радиационного фона Земли, обусловленного излучением природных радионуклидов и космическими лучами, и, судя по всему, успешно адаптировано к этому фону. С каких же уровней излучение становится опасным для организма?

Для ответа на этот вопрос необходимо количественно охарактеризовать действие излучения радиоактивных атомов на окружающую среду и на организм человека. Такой количественной характеристикой служит доза излучения. Различают поглощенную дозу D_погл, эквивалентную дозу D_экв и эффективную дозу D_эфф. Поглощенная доза D_погл – это отношение энергии, поглощенной веществом (органом человека), к массе этого вещества (органа). Единица поглощенной дозы в системе СИ – 1 грей (1 Гр). Доза в 1 Гр отвечает поглощению 1 Дж в 1 кг вещества. Ранее использовали внесистемную единицу поглощенной дозы – рад. Один рад соответствует поглощению 100 эрг энергии излучения в 1 г вещества; 1 рад = 0,01 Гр. Известно, что при поглощенной за небольшой промежуток времени дозе в 4–5 Гр и более человек погибает (можно отметить, что поглощенная при этом телом человека энергия приблизительно такая же, какую можно получить, выпив чайную ложку чая с температурой около 50 °С).

Введение понятия «эквивалентная доза» связано с тем, что вредное воздействие излучения на организм связано не только с тем, какая энергия излучения поглощена, но и с тем, какой именно вид излучения передал веществу эту энергию. Так, медицинские наблюдения показали, что от хронического воздействия -излучения при одинаковой поглощенной энергии (одном и том же значении D_погл) вреда организму в среднем в 20 раз больше, чем от воздействия - или -излучения. Эту характеристику излучения учитывают за счет использования так называемого «взвешивающего» коэффициента W_R (ранее его называли «коэффициентом качества» и обозначали как КК). Для -излучения значение W_R = 20, для - или -излучения W_R = 1. Значение эквивалентной дозы D_экв = W_RD_погл. Единица эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт (Зв); размерность зиверта такая же, как и грея (Дж/кг), коэффициент W_R – безразмерный. Ранее использовали внесистемную единицу эквивалентной дозы – бэр; 1 бэр = 0,01 Зв.

В последние 10 лет стали учитывать не только «общую» вредность того или иного вида излучения для организма человека, но и то, что в разных органах человека энергия одного и того же типа излучения приносит разный вред [3]. С этой целью введены понятия «эффективная доза» D_эфф и «взвешивающие коэффициенты для тканей и органов» W_T. Например, для красного костного мозга и легких значение W_T = 0,12, а для печени W_T = 0,05. Эффективная доза D_эфф = W_TD_экв. Единица эффективной дозы в системе СИ также зиверт (Зв); коэффициент W_T, как и W_R, – безразмерный.

Наличие естественного радиационного фона приводит к средней эквивалентной дозе, которая для человека на разных участках поверхности Земли колеблется в пределах примерно от 0,5 до 2 мЗв в год. В России фоновая эквивалентная доза близка к 1 мЗв в год. Для профессионалов, занятых, например, на заводах по переработке ядерного горючего, предельно допустимая доза выше и составляет, по современным нормам, 20 мЗв в год в среднем за любые 5 лет, но не более 50 мЗв за 1 год [4].

Вопрос о том, какая доза допустима для нашего организма, до сих пор однозначного ответа не имеет. Связано это с тем, что нет надежных, статистически выверенных данных о том, какое воздействие на организм оказывают малые дозы (на уровне от нескольких миллизивертов до 20–50 мЗв в год). Здесь можно отметить, что и сами малые дозы длительное время определять у большого числа людей довольно сложно. Конечно же, ответ на этот вопрос для всех нас чрезвычайно важен. Можно отметить, что лет 40–50 назад считали, что вред от воздействия небольших доз проявляется прежде всего на потомках и состоит в повышении частоты рождения детей с теми или иными отклонениями. Однако выполненные позднее подробные исследования показали, что на потомстве воздействие небольших доз или сказывается очень мало, или не сказывается вовсе. В частности, этот вывод следует из результатов проведенных в США наблюдений за лабораторными мышами, часть которых облучали малыми дозами. Длительные исследования потомства этих мышей (всего наблюдали более 1 млн особей) показали, что каких-либо различий в потомстве облученных и необлученных мышей нет.

Установлено, что главный вред от сравнительно небольших D_экв состоит в повышении у облученных частоты онкологических заболеваний (как у людей, так и у подопытных животных). Начиная с определенных значений D_экв (около 60–80 мЗв в год и более), наблюдается прямая пропорциональность между D_экв и частотой таких заболеваний. А что же при меньших дозах? Одни ученые считают, что увеличение числа онкологических заболеваний прямо пропорционально дозе при любых, даже самых малых значениях D_экв. Другие придерживаются той точки зрения, что лучевое воздействие носит пороговый характер: до определенных значений D_экв организм на рост дозы не реагирует, а частота онкологических заболеваний начинает возрастать только с определенных значений D_экв. Наконец, существует и третья точка зрения, согласно которой небольшие дозы поглощенной энергии излучения приводят не к увеличению, а к снижению числа онкологических заболеваний. В литературе встречаются, например, данные о том, что увеличение в отдельных регионах Земли радиационного фона в 10 раз приводит к увеличению средней продолжительности жизни населения на 10 лет. И у сторонников каждой точки зрения есть свои весомые аргументы… Очевидно, что, пока ученые ведут дискуссии, следует по возможности снижать риск получения даже небольших избыточных (над естественным фоном) доз.

Роль радона в радиоэкологии

В последние 20–30 лет выяснено, что главное вредное воздействие на население Земли оказывают не техногенные радионуклиды, а природный -радиоактивный радон ²²²Rn. Диаграмма, приведенная на рис. 5, показывает, из каких факторов складывается облучение населения излучением радиоактивных атомов (т.е. дозовая нагрузка населения).

Рис. 5. Диаграмма составных частей (в %) годовой радиационной нагрузки на организм человека на поверхности Земли

Нужно отметить, что приведенные на этой диаграмме числовые данные следует рассматривать как ориентировочные – они могут немного отличаться у разных исследователей в зависимости от метода их определения и географического места на поверхности Земли. Из этой диаграммы следует, что, во-первых, в общей дозовой нагрузке населения более 2/3 приходится на природные факторы (при этом техногенные факторы почти на 90% связаны с медицинскими процедурами) и, во-вторых, более половины всего природного фона обусловлено излучением радона.

Как уже было отмечено, радиоактивный инертный газ радон (наиболее долгоживущий – ²²²Rn) образуется в результате последовательных радиоактивных превращений, родоначальником которых выступают ядра урана-238. Превращения, происходящие с ядрами природного радиоактивного тория ²³²Th, приводят к возникновению ядер другого нуклида радона ²²⁰Rn (этот нуклид иногда называют тороном). Значения Т_1/2 для ²²²Rn – 3,888 сут, ²²⁰Rn – 55,6 с, оба нуклида распадаются с испусканием -частиц достаточно высоких энергий. Торий и уран в природе распространены достаточно широко и вместе с продуктами распада в виде примесей содержатся в самых разных минералах (например, в гранитах, фосфоритах, каменном угле и др.), в различных почвах, в водах подземных источников, рек, озер, морей и океанов (в воде радон заметно растворим). Поэтому все эти вещества способны эманировать – испускать радон в окружающую среду. Примеси урана и тория есть практически во всех строительных материалах (от бетона и красного кирпича до древесины), поэтому эманируют стены большинства жилых помещений. Ничтожная примесь радона всегда присутствует и в природном газе.

Попавшие в атмосферу тяжелые атомы радона скапливаются в низинах, подвалах и на первых этажах домов. Вместе с воздухом радон попадает в легкие. Радон сравнительно хорошо растворяется в легочной ткани и поэтому задерживается в легких. Скорость радиоактивного распада и ²²²Rn, и ²²⁰Rn (его содержание в воздухе значительно меньше, чем ²²²Rn) велика. Продукты распада ядер радона – атомы полония, висмута, таллия и других элементов – нелетучи и остаются в легочной ткани. Ядра этих атомов также испытывают быстрый радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием - и -частиц, пока не превратятся в стабильные ядра соответственно свинца-206 и свинца-208. Превращение радона в свинец сопровождается многочисленными микроожогами легочной такни, и в результате при постоянном попадании в легкие радона в них может возникнуть онкологическая опухоль. Имеются данные, по которым, например, в США ежегодно из-за радона заболевают раком легких около 20 тыс. человек. Радон рассматривают как второй после курения фактор, заметно влияющий на снижение продолжительности жизни человека.

В настоящее время разработаны нормы на содержание радона в помещениях. В нашей стране принято, что активность радона в воздухе старых зданий должна быть не выше 200 Бк/м³, а строящихся вновь – не выше 100 Бк/м³. Ранее норм на содержание радона в воздухе помещений не было, и известно, например, что в некоторых зданиях Швеции концентрация радона достигала
2000 Бк/м³ и более (у тех, кто жил в таких помещениях, вероятность заболевания раком легких заметно возрастала). Поскольку радон в основном выделяется поверхностью Земли, концентрация радона выше всего в подвалах и на первых этажах зданий. Для снижения вредного воздействия радона не следует долго находиться в подвалах, помещения нужно как можно чаще проветривать (правда, этой рекомендации трудно следовать зимой во многих регионах нашей северной страны) [5].

Синтез и изучение новых элементов

Интересная страница, связанная с современной ядерной физикой и радиохимией, – это синтез и изучение свойств ядер новых элементов. Как известно, при любых химических превращениях атомы (и их ядра) сохраняются. В середине ХХ в. ученые-физики научились получать атомы новых элементов за счет проведения ядерных реакций. В большинстве случаев они «обстреливали» ядра мишеней, содержащих атомы урана и других тяжелых элементов, нейтронами или -частицами (ядрами гелия ⁴₂Не). В результате были получены ядра элементов с атомными номерами 93–103, о чем давно и подробно рассказано в научно-популярной и учебной литературе. Поэтому здесь об этом речи больше идти не будет. К 60-м гг. ХХ в. ученые пришли к выводу, что с помощью нейтронов и -частиц нельзя синтезировать ядра элементов с атомными номерами большими чем 102–103. При попадании таких частиц в ядра атомный номер возрастает на 1 (за счет ^–-распада ядра после захвата им нейтрона) или на 2 (после попадания в ядро -частицы). А радиоактивный распад образующихся ядер происходит так быстро, что их уже нельзя использовать как мишени при синтезе новых элементов. Поэтому физики стали «обстреливать» мишени сравнительно тяжелыми ядрами, например, ядрами инертного газа неона ²²₁₀Ne, которые использовали при получении атомов элемента с атомным номером 104:

²⁴²₉₄Pu + ²²₁₀Ne = ²⁵⁹₁₀₄Э + 5¹₀n.

Ядра неона оказалось возможным использовать для синтеза элементов с атомными номерами 102–106. Когда в 1980-е гг. встала задача синтеза сверхтяжелых ядер с атомными номерами 114 и выше, физики Дубны решили использовать в качестве снарядов ядра редкого тяжелого стабильного нуклида кальция-48 (его содержание в природной смеси изотопов кальция составляет 0,187% по массе). Почему нужны ядра именно этого нуклида кальция, а, например, не обычного ⁴⁰Са? В ядре ⁴⁰Са 20 нейтронов, а в ядре ⁴⁸Са – 28. Известно, что с ростом атомного номера в стабильных ядрах возрастает отношение числа нейтронов к числу протонов: избыток нейтронов обеспечивает стабильность ядер. Например, в атомах ¹²₆С и ¹⁶₈О оно равно 1, в атомах железа ⁵⁶₂₆Fe – немного больше 1 (30:26), а в атомах свинца ²⁰⁶₈₂Pb достигает 1,5 (124:82). Связано это с тем, что в ядре между нейтронами и протонами (а также между самими нейтронами) действуют силы внутриядерного притяжения, а между протонами и протонами – еще и электростатического отталкивания. Устойчивость ядра повышается за счет того, что нейтроны способны компенсировать взаимное отталкивание протонов. Поэтому в «снарядах» для получения сверхтяжелых элементов должен быть как можно больший избыток нейтронов. Однако получение массовых количеств соединений кальция (например, СаСО₃ или СаО), в которых содержание ⁴⁸Са будет значительно выше природного и достигнет 70–80% и выше, требует огромных материальных затрат.

Препарат ⁴⁸СаСО₃ был приготовлен несколько десятилетий назад в нашей стране, и именно его наличие позволило в последние годы развернуть в Дубне работы по синтезу элементов с атомными номерами 114 и больше. Сильно ионизированные (до заряда +6) атомы ⁴⁸Са разгоняют до высоких скоростей с помощью имеющегося в Дубне уникального ускорителя тяжелых ионов. При облучении ими мишени, содержащей, например, атомы плутония-244, может протекать ядерная реакция

²⁴⁴₉₄Pu + ⁴⁸₂₀Ca = ²⁸⁹114 + 3¹₀n.

По этой реакции несколько лет назад были получены первые атомы элемента № 114. Вскоре по ядерной реакции

²⁴⁴₉₄Pu + ⁴⁸₂₀Ca =  ²⁸⁷114 + 3¹₀n

были синтезированы ядра еще одного нуклида этого элемента. Из анализа поведения синтезированных ядер физики установили, что им отвечают аномально большие – по меркам сверхтяжелых ядер – периоды полураспада, которые оказались близки к нескольким секундам (а могло бы оказаться и так, что они были бы равны миллионным долям секунды). По аналогичным ядерным реакциям с использованием мишеней, содержащих атомы америция (элемент № 95) и кюрия (элемент № 96), были получены первые атомы элементов с атомными номерами 115 и 116.

К настоящему времени получены ядра всех сверхтяжелых элементов, вплоть до элемента с атомным номером 116. Элемент № 110 получил название «дармштадтий» (символ Ds) в честь немецкого города Дармштадт, в котором находится исследовательский центр, где выполнены многочисленные работы по получению сверхтяжелых элементов. Элемент № 111 назван «рентгений» (символ Rg) в честь немецкого физика В.К.Рентгена, который в 1895 г. открыл излучение, которое в нашей стране называют рентгеновским. Элементы с атомными номерами большими, чем 111, названий пока не имеют.

Изучение свойств сверхтяжелых элементов позволяет лучше понять особенности строения атомных ядер и электронных оболочек атомов.

Отметим в заключение, что различия между образованием новых ядер при протекании ядерных реакций и при радиоактивном распаде состоят в следующем. При ядерной реакции сначала за счет слияния бомбардирующей частицы и ядер мишени образуется возбужденное составное ядро (компаунд-ядро), время существования которого меньше 10^–12–10^–10 с (оно соизмеримо со временем пролета бомбардирующей частицы на расстояние, равное диаметру ядра мишени, т.е. 10^–15 м). Последующий распад компаунд-ядра приводит к образованию нового ядра и вылету протона, нейтрона, дейтрона или другой аналогичной частицы. Если же составное ядро существует более 10^–12–10^–10 с, то его последующее превращение будет радиоактивным распадом. Исходя из этих представлений, должно существовать большое число (до десяти тысяч) ультракороткоживущих радионуклидов с T_1/2 от 10^–12–10^–10 до 10^–6 с, но современная аппаратура не позволяет их идентифицировать. К настоящему времени число идентифицированных физическими методами природных и искусственно полученных нуклидов составляет около 4,5–5 тыс.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Период полураспада радионуклида равен 5 суткам. Какая доля этого радионуклида распадется в течение 15 суток?

Решение и ответ. После трех периодов полураспада (3•5 = 15) останется (1/2)³ = 1/8 (0,125) радионуклида; распадется 1 – 1/8 = 7/8, или 0,875.

2. Сколько - и -частиц выделится при переходе за счет последовательных актов радиоактивного распада от ²³²₉₀Th до ²²⁰₈₆Rn?

Решение и ответ. Массовое число изменилось при данном распаде на 232 – 220 = 12 единиц. Оно изменяется только при испускании -частиц. Следовательно, выделилось три -частицы. Заряд каждой -частицы +2. Обозначим число испущенных -частиц, каждая из которых имеет заряд –1, через х. Учитывая то, что заряды в ядерных реакциях сохраняются, составим запись:

90 = 86 + 3•2 + х•(–1).

Находим, что х = 2. Следовательно, испущено три -частицы и две -частицы.

3. Активность искусственного ^–-радиоактивного ⁹⁰Sr в препарате равна 10 МБк. Какова активность находящегося с ним в равновесии дочернего радиоактивного 90Y?

Решение и ответ. При равновесии радиоактивности короткоживущего дочернего и долгоживущего материнского радионуклидов равны. Следовательно, в равновесии с 10 МБк стронция-90 находится также 10 МБк иттрия-90.

4. Какую защиту надо использовать при работе с 500 г сульфата калия природного изотопного состава?

Решение и ответ. Излучение природного калия довольно слабое, поэтому никакой защиты при работе с 500 г сульфата калия природного изотопного состава (да и вообще с любым количеством соединений калия природного изотопного состава) использовать не надо. Отметим, что примерно 400–500 г соединений калия содержится в организме взрослого человека.

5. В образце древесины активность углерода оказалась 0,0225 Бк/г углерода. Какова будет радиоактивность 1 моль СО₂, полученного сжиганием этой древесины?

Решение и ответ. Период полураспада радионуклида углерод-14 составляет более 5000 лет. За время жизни человека радиоактивность углерода-14 практически не изменяется. Не изменится она и после перевода угля в углекислый газ. В 1 моль СО₂ содержится 12 г углерода, так что общая активность 1 моль углекислого газа составит:

0,0225 (Бк/г)•12 (г) = 0,27 Бк.

6. Англичанин Э.Резерфорд в 1919 г. осуществил первую ядерную реакцию превращения элементов, облучая азот-14 ядрами гелия (-частицами). При этом наблюдалось появление протона р. Элемент с каким атомным номером был получен Резерфордом?

Решение и ответ. Учитывая, что заряд ядра атома азота равен +7, заряд протона +1, а его массовое число также равно 1, составим уравнение ядерной реакции, обозначив неизвестный элемент через Х, его массовое число через A и заряд ядра через z:

¹⁴₇N + ⁴₂Не = ^A_zХ + ¹₁р.

Суммы значений массовых чисел и зарядов при протекании ядерной реакции остаются неизменными. Поэтому составляем два уравнения:

14 + 4 = A + 1, 7 + 2 = z + 1.

Решая эти уравнения, находим, что A = 17, а z = 8. Заряду ядра +8 отвечает атом кислорода. Массовое число этого атома 17. Следовательно, Резерфорд получил нуклид ¹⁷₈О.

ЛИТЕРАТУРА

1. Химия и общество. Пособие для учителей. Американское химическое общество. Пер. с англ. М.: Мир, 1995.

2. Химия и общество. Учебник для средних школ. Американское химическое общество. Пер с англ. М.: Мир, 1995.

3. Чечев В.П., Фурман В.И. Радиоактивность. В кн.: Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994, т. 4, с. 210.

4. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности ОСПОРБ-99. М.: НПК «Апрохим», 2000.

5. Человек и среда обитания. Хрестоматия. Под ред. Г.В.Лисичкина и Н.Н.Чернова. М.: Мир, 2003, 460 с.