ГЛАВНАЯХИМИЯТОКСИКОЛОГИЯФАРМАКОЛОГИЯБАЗЫ ДАННЫХКНИГИЗАКОНЫФОРУМЗАГРУЗКИИССЛЕДОВАНИЯССЫЛКИРАЗНОЕКАРТА САЙТА




Некоторые факты о радиоактивности.

Радиоактивность - самопроизвольное испускание атомным ядром частиц или частей ядра с изменением внутреннего состава или состояния ядра. Ядра (нуклиды), которые распадаются за доступное время измерения называются радиоактивными, распад которых не удалось наблюдать - стабильными. Радиоактивный распад всегда идет с выделением энергии.

Ядра одного элемента с различной массой называются изотопами и обозначаются их округленной массой (в а.е.м.), что численно равно числу нуклонов в ядре. Есть изотопы имеющие одинаковый состав нуклонов и округленную массу, они называются ядерными изомерами. Ядерные изомеры имеют разную внутреннюю структуру и немного отличаются точной массой. Некоторые изотопы имеют до 6 ядерных изомеров.

История открытия радиоактивности.

Радиоактивность была открыта в 1896 году Антуаном Беккерелем в процессе исследования люминисценции. Освещая различные соли урана солнечным светом Беккерель помещал их в темную бумагу и ложил на фотопластинку для обнаружения люминисцентного рентгеновского излучения. Но однажды из-за плохой погоды на пластинку положили соль урана без облучения. Тем не менее на пластинке все равно остался отпечаток соли. Значит дело не в люминисценции. Раким образом была обнаружена радиоактивность урана. Беккерель открыл и биологическое действие радиоактивного излучения, получив радиоактивный ожог, когда носил радиоактивное вещество в жилетном кармане.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория. Позднее они выделили радиоактивные элементы полоний и радий.

Закон радиоактивного распада был открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом в 1903 году.

В 1934 году Ирен Кюри и Фредериком Жолио была открыта искусственная радиоактивность.

В 1938 году было открыто деление ядер.

Закономерности радиоактивного распада.

Современная формулировка закона радиоактивного распада гласит, что число распадов за интервал времени пропорционально числу атомов данного типа в образце: dN/dt = -λN, где λ - постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеет размерность с-1. Знак минус указывает на уменьшение числа ядер со временем. Константа распада ядра в большинстве случаев не зависит от окружающих условий (температуры, давления, химического состава и др.). Изменения константы распада обнаружены для электронного захвата (зависимость от химической формы из-за изменения электронных оболочек) и для некоторых ядер, полностью лишенных электронных оболочек. Постоянство радиоактивного распада позволяет использовать его для радиоактивного определения возраста различных образцов.

Чаще всего для характеристики радиоактивного распада используется не константа распада λ, а производные величины - среднее время жизни τ = 1/λ и период полураспада T1/2 = ln2/λ. В справочниках приводятся значения периодов полураспада - периодов времени за которое число ядер уменьшается в 2 раза. Периоды полураспада радиоактивных изотопов меняются в широких пределах - от 91 иоктосекунды для лития-4 до 2,2 иотталет для теллура-128. Некоторые исследователи не принимают во внимание изотопы с периодами полураспада менее 1 наносекунды, как слишком неустойчивые.

Радиохимические процессы.

Так как ядерный распад идет независимо от химической формы элемента, во время распада меняются химические свойства элемента и могут происходить радиохимические реакции. Например, гидроксид натрия с тритием в качестве водорода, постепенно будет выделять гелий и давать пероксид натрия, фторид трития постепенно выделяет фтор и гелий. Радиоактивное излучение имеет энергию, достаточную, чтоб разорвать практически любую химическую связь. Из-за этого растворы радиоактивных веществ в воде практически все выделяют водород и кислород (могут обрываться и другие связи если они есть в растворенном соединении), а кристаллы радиоактивных солей постепенно приобретают окраску из-за мелкодисперсных фаз продуктов распада и ионизации. В этих процессах легко может меняться валентное состояние элемента, что создает дополнительные проблемы в химии радиоактивных веществ.

Для изотопов с коротким периодом полураспада всегда приходится учитывать тепловыделение ядерного распада. Следует участь, что тепловыделение в ядерных распадах на порядки(!!!) превосходит обычные химические процессы и короткоживущие изотопы при довольно малом количестве уже могут находится в состоянии плазмы. Для некоторых элементов, у которых нет долгоживущих изотопов (Rn, Fr, At) изучение их химии чрезвычайно затруднено из-за постоянного саморазогрева образцов, их загрязнения продуктами распада, ионизационных процессов.

Виды радиоактивного распада.

Радиоактивные распады подразделяются по виду излучаемых из ядра частиц. Некоторые ядра обладают несколькими видами радиоактивного распада с различной вероятностью.

α-распад - разновидность радиоактивного распада при котором из ядра выбрасывается ядро гелия-4. При этом происходит уменьшение заряда ядра на 2 единицы, а массы - на 4 единицы. Характерен для элементов составляющих 3 группы: легкая, состоящая из изотопов He-5, Li-5, Be-6, Be-8 и B-12, средняя, которая начинается с теллура-105 до цезия-118 и самая обширная тяжелая группа - с неодима-144 до конца таблицы Менделеева.

Кластерный распад -испускание из ядра более тяжелых ядер, чем гелий-4. Обычно это ядра с массовыми числами кратными 4: углерод-12, магний-24 и др. Встречается значительно реже, чем альфа-распад и обычно характерен для очень тяжелых элементов. Спектр альфа-частиц дискретный.

β-распад. Имеет довольно большой список разновидностей. Обычно это испускание из ядра электрона (бета-минус-распад) и антинейтрино или позитрона (бета-плюс-распад) и нейтрино. При бета-минус-распаде заряд ядра увеличивается на единицу без изменения массового числа, при бета-плюс-распаде - уменьшается на единицу без изменения массового числа. Вылетающий позитрон почти сразу аннигиллирует с электронами среды порождая аннигиляционное гамма-излучение. Вылетающий электрон обычно тормозится в среде, часто давая рентгеновское или гамма-излучение. Двойной бета-распад дает вылет одновременно двух бета-минус-частиц. Так как в ядре этот процесс очень затруднен, ядра с двойным бета-распадом имеют самые длинные периоды полураспада. Захват электрона формально относят тоже к бета-распадам. Вместо выброса позитрона, ядро может захватить собственный электрон с ближайшей орбиты с тем же результатом. Спектр бета-частиц является непрерывным, из-за уноса лишней энергии нейтрино.

γ-распад в чистом виде наблюдается только при изотопном переходе. Чаще всего гамма-распад сопровождает альфа- или бета-распад. Изотопный переход характерен для изомерных изотопов, при этом не меняется ни заряд ядра, ни массовое число, только осуществляется перестройка внутренней структуры. Унос лишней энергии осуществляет обычно гамма-квант. Спектр гамма-частиц дискретный.

Выброс нуклонов. Характерен для сильно протонизбыточных или нейтронизбыточных ядер. Может выбрасываться один или несколько нуклонов.

Спонтанный распад - это распад ядра на две, обычно неравные, половины; может происходить с выбросом лишних нейтронов. Характерен для тяжелых ядер и изотопа бериллия-8.

Единицы измерения радиоактивного распада.

Период полураспада изотопов измеряется в единицах времени.

Скорость распада изотопа измеряется в беккерелях (Бк). 1 беккерель соответствует 1 распаду в секунду в данном образце. 1 Бк = 1 с-1. Используют и более крупные единицы: 1 кюри (Ки) = 37 000 резерфордов (Рд) = 37 000 000 000 беккерелей.

Чтоб соотнести эту активность с количеством вещества, нужно знать период полураспада изотопа. Возьмем к примеру рутений-106, с периодом полураспада 373,59 сут. Переведем период полураспада в секунды: 373,59 * 24 * 3600 = 32 278 176 секунд, т.е. около 3,2 * 107 с. Атомную массу изотопа мы знаем из названия. Отсюда по следствиям из закона Авогадро получаем, что в 106 г изотопа содержится 6,02 * 1023 атомов. Следовательно в 106 г в секунду распадается 6,02 * 1023 / (3,2 * 107 * 2) = 9,4 * 1015 атомов. Значит активность 1 грамма чистого изотопа 8,9 * 1013 Бк. Для оценки приведем сравнительные цифры. Естественная радиоактивность (за счет калия-40) 1 банана примерно 19 Бк, 1 человека примерно 5 000 Бк. Активность 1 г урана-235 около 80 000 Бк. Следовательно 1 г чистого изотопа рутения-106 излучает значительно больше.

Естественная радиоактивность.

Естественная радиоактивность обусловлена долгоживущими природными изотопами и короткоживущими изотопами природных радиоактивных рядов. Радиоактивность человеческого тела, всех растений и животных в основном обуславливается изотопом калия-40, который присутствует в природном калии. Радиоактивность минералов и горных пород (например, гранита) чаще всего обусловлена ураном и продуктами распада, входящими в его радиоактивный ряд. Одним из изотопов уранового радиоактивного ряда является радиоактивный газ радон-222, который отвечает за радиоактивность приземного слоя воздуха.

Искусственное ядерное деление.

Искуственное деление ядер - это вынужденное деление ядра, при поглощении нейтрона. Для данного процесса в основном используются четно-нечетные ядра (с четным числом протонов и нечетным числом нейтронов), так как у них низкий барьер деления под действием тепловых нейтронов. Искуственное деление ядер имеет очень важное значение, так как на его основе функционируют атомная энергетика и атомное оружие.

Понятие критической массы, которое кратко дается в школе, очень упрощено. Правильнее говорить критические условия. Так как критическая масса, зависит от геометрической формы, физико-химического окружения (наличие атомов-замедлителей или поглотителей, внесенных в виде прослоек или окружающих элемент в виде химического соединения, а также растворителя), плотности, наличия загрязнений (т.е. степень очистки), вида изотопа элемента, формы и материала сосуда. Критические массы для чистых шарообразных моноизотопных элементов обычно являются абстракцией. Критические условия существуют только для изотопов, которые делятся под действием нейтронов с испусканием добавочных нейтронов. При превышении критических условий энерговыделение становится так велико, что это тепло нельзя отвести никакими техническими приемами. При этом не происходит ядерного взрыва (как многие думают), а просто кусок или раствор вещества резко превращаются в пар и выходят из критических условий. Для возникновения ядерного взрыва необходимо удержать делящееся вещество в критических условиях некоторое время. Чем больше время удержания делящегося вещества в надкритических условиях, тем большая часть делящегося материала успеет выделить энергию.

Низкими критическими массами обладают концентрированные растворы их солей в воде в шарообразных сосудах. Это связано с хорошим замедлением нейтронов водой. Для растворов солей урана-233 критическая масса 591 г, солей урана-235 = 856 г, солей плутония-239 - чуть более 500 г. Критические массы изотопов плутония в различных условиях можно прочитать в 4 томе Брауэра (стр. 1375).

Биологическое действие радиации.

Радиоактивное излучение может повреждать клетки. Защита организма справляется с повреждениями, пока дозы облучения не превысят природный фон в сотни и тысячи раз. Более высокие дозы ведут к острой лучевой болезни и увеличивают на 10% вероятность заболевания раком. Дозы в десятки тысяч раз выше фона смертельны. Таких доз в повседневной жизни не бывает.

При распаде атомных ядер высвобождается большая энергия, способная отрывать электроны от атомов окружающего вещества. Этот процесс называется ионизаций, а несущее энергию электромагнитное излучение – ионизирующим. Ионизированный атом меняет свои физические и химические свойства. Следовательно, изменяются свойства молекулы, в которую он входит. Чем выше уровень радиации, тем больше число актов ионизации, тем больше будет поврежденных клеток. Для живых клеток наиболее опасны изменения в молекуле ДНК. Поврежденную ДНК клетка может «починить». В противном случае она погибнет или даст измененное (мутировавшее) потомство. Погибшие клетки организм замещает новыми в течение дней или недель, а клетки-мутанты эффективно выбраковывает. Этим занимается иммунная система. Но иногда защитные системы дают сбой. Результатом в отдаленном времени может быть рак или генетические изменения у потомков, в зависимости от типа поврежденной клетки (обычная или половая клетка). Ни тот, ни другой исход не предопределен заранее, но оба имеют некоторую вероятность.

При больших дозах радиации основные трудности организма связаны не с измененными клетками, а с быстрой гибелью важных для организма тканей. Организм не справляется с восстановлением нормального функционирования самых уязвимых органов, в первую очередь, красного костного мозга, который относится к системе кроветворения. Появляются признаки острого недомогания - острая лучевая болезнь. Если радиация не убьет сразу все клетки костного мозга, организм со временем восстановится. Выздоровление после лучевой болезни занимает не один месяц, но дальше человек живет нормальной жизнью. Вылечившись после лучевой болезни, люди на несколько процентов чаще, чем их необлученные сверстники болеют раком. В отличие от симптомов острой лучевой болезни, которые проявляются через часы или дни, рак возникает не сразу, может быть, через 5, 10 или 20 лет. Для разных локализаций рака скрытый период разный. Быстрее всего, в первые пять лет, развивается лейкоз (рак крови). Именно это заболевание считается индикатором радиационного воздействия при дозах облучения в сотни и тысячи раз выше фона.

Расчет уровня биологического воздействия радиации.

Для того, чтоб узнать, какую дозу радиации получит человек от того или иного изотопа используют понятие гамма-постоянной изотопа (или для современных единиц СИ - керма-постоянной изотопа). Таблицу гамма-постоянных для распространенных изотопов можно посмотреть в "Новом справочника химика и технолога. Радиоактивные вещества", стр. 304 и далее.

Для рутения-106 находим гамма-постоянную в равновесии с продуктами распада равную 1,152 Р * см2 * ч / мКи, что означает мощность экспозиционной дозы гамма-излучения в 1,152 рентген/час на расстоянии 1 см от источника с активностью 1 милликюри. В единицах СИ это будет 7,550 аГр * с / (м2 * Бк). Отношение массовых коэффициентов поглощения энергии фотонов в ткани и воздухе составляет 1,09, откуда мощность эквивалентной дозы будет отношением H = 1,09 * А * Г / R^2, где А - активность источника в беккерелях, Г - гамма-постоянная в единицах СИ, R - расстояние до источника в метрах и H - мощность эквивалентной дозы в аЗв/с.