Илья Леенсон - Удивительная химия
Совершенно другой тип лучей обнаружил в 1896 году французский физик Анри Антуан Беккерель (1852–1908). Эти лучи испускались «сами по себе» некоторыми редкими минералами. Выдающаяся французская исследовательница польского происхождения Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) назвала это явление радиоактивностью. На латыни radius — «палочка, спица в колесе», а также «радиус круга, луч»; radiare — «испускать лучи, сиять»; в английском лексиконе слово radiant («излучающий») появилось еще в XV веке. То есть придуманный Кюри термин должен был означать самопроизвольное («активное») излучение некоторыми веществами. Долгое время не понимали, откуда эти лучи берутся. Потом удалось выяснить, что их испускают неустойчивые разновидности атомов обычных химических элементов. Следует отметить, что в 1903 году одна из первых Нобелевских премий по физике была присуждена А. А. Беккерелю, М. Склодовской-Кюри и ее мужу Пьеру Кюри (1859–1906) за исследование радиоактивных явлений.
Неустойчивые разновидности атомов, испускающие радиоактивные лучи, называются радионуклидами. Иногда их называют также радиоактивными изотопами. При распаде каждого неустойчивого атома из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц, обладающих высокой энергией. Поток этих частиц и называют радиоактивным излучением, или попросту радиацией. В теле человека такие частицы могут вызывать различные повреждения, и если повреждений за короткое время окажется много, организм не сумеет их «залечить» — человек заболеет лучевой болезнью. Наличием радиоактивных превращений объясняется непрерывное облучение, которому подвергаются на Земле и люди, и животные в течение всей их жизни — хотят они этого или нет. Это так называемый радиационный фон, причем заметная его доля приходится на «внутреннее» облучение человека.
Судите сами. Как уже говорилось, в человеке, весящем 70 кг. содержится много различных химических элементов. Больше всего в нем кислорода, углерода, водорода, азота, кальция, фосфора и калия. Все эти элементы мы привыкли считать вполне стабильными и потому безопасными с точки зрения радиации. Однако есть у этих элементов и радиоактивные разновидности — радионуклиды. У одних элементов их больше, у других — меньше.
Из 340 изотопов различных элементов, найденных в природе, 70 — радиоактивны. Большинство содержащихся в организме человека элементов — кислород, водород, азот, кальций, фосфор — природных радионуклидов практически не имеют, или их так мало, что связанное с ними излучение можно вовсе не учитывать. Иначе обстоит дело с углеродом и калием. Природный углерод содержит небольшую примесь (примерно 10-10%) «радиоуглерода» (о нем еще будет подробный рассказ). В теле взрослого человека в минуту распадается почти 200 тысяч атомов радиоуглерода!
Обычный калий тоже содержит примесь радионуклида (его называют калий-40), в результате чего каждую минуту в теле человека распадается около 300 тысяч атомов калия-40.
Много радионуклидов существует в природе, но еще больше их получено искусственно. Некоторые радионуклиды распадаются очень медленно; это космические долгожители, время распада которых сравнимо со временем существования Вселенной. Например, время жизни радиоактивного калия (40К) измеряется миллиардами лет. Когда Вселенная была намного моложе, когда еще не было ни Земли, ни Солнца, радиоактивного 40К было довольно много. Сейчас в обычном калии его осталось чуть больше 0,01 %.
Конечно, за время своего существования все живое приспособилось к радиоактивному облучению. Более того, не исключено, что такое облучение и явилось одной из причин мутаций в ходе эволюции живой природы. Если это так, то не будь в природе радиации, не было бы на Земле такого богатейшего разнообразия животной и растительной жизни, не было бы и нас с вами. Так что не следует считать радиацию всегда и безусловно вредной — все хорошо в меру. Возьмем, к примеру, солнечную ультрафиолетовую радиацию: когда ее мало — люди плохо себя чувствуют, у детей развивается рахит; когда ее слишком много-кожа «обгорает» и «слезает», могут даже образоваться волдыри.
И все же — насколько опасны радионуклиды? Стоит ли верить рекламе чудодейственных средств, якобы выводящих радионуклиды из организма?
Прежде всего внесем ясность в некоторые определения. Химические свойства разных изотопов данного элемента почти не отличаются; например, присутствие в составе поваренной соли (хлорида натрия) двух изотопов хлора не приводит ни к каким последствиям. Кстати, природный натрий на 100 % состоит из единственного стабильного нуклида 23Na. Другое дело, нестабильные, радиоактивные изотопы. Их распад сопровождается испусканием частиц с высокой энергией, которые могут быть опасны для организма. В то же время они широко используются в медицине, промышленности, и без них мы уже обойтись не можем. Искусственно получены очень многие радионуклиды. Важнейшие свойства радионуклидов определяются типом испускаемых частиц, их энергией, а также периодом полураспада т. е. временем, в течение которого распадается половина имеющихся нестабильных атомов.
Если период полураспада некоего вещества равен, например, одной минуте, то через 15–20 минут от него не останется и следа. Другое дело более долгоживущие радионуклиды. Например, для стронция-90 Т1/2 = 28,7 года, поэтому этот радионуклид сохраняет активность в течение нескольких столетий.
Откуда же берутся радионуклиды? Источников их возникновения — несколько, причем одна часть — это естественные источники, а другая — «дело рук» человека. Начнем с естественных источников, на долю которых приходится 2/3 от всей радиации, получаемой человеком. Некоторые радионуклиды возникли при образовании нашей Вселенной одновременно со стабильными нуклидами, и благодаря большому периоду полураспада они до сих пор полностью не распались. Типичный пример — упомянутый калий-40. Его период полураспада — 1,3 миллиарда лет. Организм животных, а также человека, содержит примерно 0,3 % калия (кстати, это больше, чем натрия). Если человек весит 70 кг, то на долю калия приходится 210 г, из которых 0,021 г — это радионуклид 40К. Зная массу и период полураспада, легко рассчитать, что в организме человека каждую секунду распадается примерно 5 тысяч атомов 40К, а в сутки — 430 миллионов атомов! Тем не менее эта скорость распада настолько мала, что не представляет опасности для живых организмов. Некоторые ученые даже считают, что снижение облучения любой ценой окажет эффект, прямо противоположный желаемому.
Второй природный источник радионуклидов — космические лучи, под действием которых в верхних слоях атмосферы из одних нуклидов непрерывно образуются другие, в том числе и радиоактивные. Например, из атомов азота образуются углерод-14 (Т1/2 = 5730 лет) и радиоактивный изотоп водорода — тритий (Т1/2 = 12,3 года). В результате реакций обмена все живое содержит и эти радионуклиды. Атомов углерода-14 в организме человека в секунду распадается примерно столько же, сколько и атомов калия-40 (трития — намного меньше).
Третий основной источник радионуклидов в природе — медленно распадающиеся в земной коре изотопы урана и тория. Сами эти соединения в чистом виде практически не представляют опасности, однако в результате их распада образуется множество значительно более активных радионуклидов с относительно малым периодом полураспада. Один из них, и самый опасный, — радон (T1/2 = 3,8 дня). Это инертный газ, поэтому он постепенно, не вступая в химические реакции, просачивается из глубин земного шара к поверхности и попадает в воздух, а оттуда — в наши легкие. В разных географических районах выделение радона может очень сильно отличаться. И хотя в среднем радона в атмосфере очень мало, именно на него приходится более 50 % дозы облучения, которую в среднем получает человек в течение жизни. Происходит это так. Во время выдоха из легких выходит почти весь радон, который мы перед этим вдохнули с воздухом. Однако небольшая часть его успевает все же распасться, образуя нелетучие радионуклиды полония и свинца. Именно они и дают основной вклад во «внутреннее облучение» человека. Эти же радионуклиды могут попасть в легкие и с твердыми частицами пыли, табачного дыма и т. п., на которые они оседают при распаде радона в воздухе. Радон способен накапливаться в плохо проветриваемых помещениях первого этажа и подвалах, если для него есть туда доступ из земли; выделяется он и из некоторых строительных материалов через мельчайшие трещинки. Поэтому доза облучения радоном очень сильно зависит от того, в каком месте и в каком доме живет человек. Когда в Швеции для экономии энергии стали строить дома с улучшенной изоляцией (а большинство шведов живет вовсе не в небоскребах), оказалось, что у жителей этих домов увеличилась доза облучения, полученная от радона.
