Илья Леенсон - Удивительная химия
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.
Теперь об искусственных источниках радиации. Их тоже несколько. Со времен Марии и Пьера Кюри человек научился концентрировать, накапливать в чистом виде природные источники радиации, увеличивая таким способом их радиоактивность (на единицу массы) в миллиарды раз. Вначале к этим источникам относились без должного внимания, поскольку не подозревали об их опасности. Так, когда обнаружили яркое свечение сульфида цинка и других веществ под действием излучения солей радия, эти смеси со времен Первой мировой войны начали использовать для производства светящихся в темноте составов для покрытия стрелок часов и компасов, авиационных приборов и т. п. На предприятиях, производивших радиоактивные светосоставы, работницы не имели никакой специальной защиты. Они наносили радиоактивную краску кисточкой, а чтобы заострить ее кончик, время от времени облизывали его губами! И лишь после того как обнаружилась закономерная связь между частым заболеванием раком губы и опасным производством, выпуск таких изделий был прекращен. Тем не менее еще не так давно во многих странах продавались наручные часы с радиевым светосоставом. Более того, когда-то радионуклиды считались целебными при приеме внутрь! Так, с 1920 по 1930 годы в США продавалось патентованное «безвредное» средство «Радитор», на этикетке которого красовалась такая надпись: «Содержит радий и мезоторий в трижды дистиллированной воде». И только в 1932 году, когда выяснилась смертельная опасность таких «лекарств», они были запрещены.
Второй источник искусственных радионуклидов — работа ядерных реакторов (промышленных и исследовательских), а также термоядерные взрывы. В этом случае происходит не концентрация уже имеющихся на планете источников радиации, а синтез новых радионуклидов, значительная часть которых в природе не обнаружена. Несколько десятилетий назад огромное количество радионуклидов было выброшено в атмосферу во время массовых испытаний ядерного оружия. Так, в 1954 году (начало испытаний термоядерных бомб) содержание трития в дождевой воде увеличилось в тысячи раз. Сейчас основную опасность могут представлять крупномасштабные аварии на атомных электростанциях, небрежное, а порой преступное обращение с радионуклидами. Тем не менее в среднем доза облучения человека от работы таких станций весьма мала, что наглядно представлено в табл. 1. В ней приведены данные для «среднего американца»; в нашей стране соотношение может быть немного другим (особенно это касается искусственных источников).
Итак, мы выяснили, что полностью уберечься от радионуклидов никак нельзя, да и незачем: некоторые из них — составная часть нашего тела. Как, например, вывести из организма радионуклид калий-40? Теоретически это возможно: надо питаться только такой пищей, в которой этот изотоп калия отсутствует: тогда довольно быстро «чистый» калий вымоет из организма весь калий-40. Приготовление такой пищи лишь для одного человека обойдется, вероятно, не меньше, чем запуск экспедиции на Луну. А как вывести из организма, скажем, стронций-90, попавший туда «незапланированно», например, во время аварии? Ведь стронций концентрируется в костях вместе с очень близким к нему по химическим свойствам кальцием. Попытки «вымыть» стронций из костей могут привести к более печальным последствиям, чем лучевая болезнь, которую все же лечат. Наконец, каждый радионуклид обладает своей химической индивидуальностью, поэтому «средство, выводящее из организма все радионуклиды», так же нереально, как и алхимический «эликсир», превращающий стариков в юношей, а медь — в золото.
Мы уже говорили, что многие природные радионуклиды, хотя и живут сравнительно недолго — какие год, какие всего неделю, а некоторые и того меньше, — непрерывно образуются в результате распада других радионуклидов. Так они и превращаются друг в дружку, и такие превращения (их называют радиоактивными рядами) могут следовать друг за другом десятки раз. Цепочка превращений прекращается, когда образуется стабильный, то есть нерадиоактивный изотоп какого-либо элемента.
Радиоактивный распад подчиняется определенным законам, о которых мы немного сейчас и поговорим.
Как быстро распадаются атомыФормулы, количественно характеризующие радиоактивный распад, в школе не изучают. Тем не менее они достаточно просты и позволяют провести интересные расчеты.
Если бы мы задались целью проследить за конкретным атомом радионуклида, мы бы не смогли предсказать, когда он распадется. Этот случайный процесс. Однако даже в мельчайшей пылинке содержится огромное число атомов, и если эти атомы радиоактивны, то их распад подчиняется строгим математическим закономерностям: в силу вступают статистические законы, которые описывают количественные изменения большого числа объектов. И оказывается, что каждый радионуклид можно охарактеризовать вполне определенной величиной— периодом полураспада (Т1/2). Есть радионуклиды-долгожители, для которых периоды полураспада исчисляются миллионами и даже миллиардами лет. Известны и короткоживущие радионуклиды, распадающиеся полностью за ничтожные доли секунды. Очевидно, что если имеется, например, 1 г радиоактивного вещества, то чем меньше период его полураспада, тем большей радиоактивностью будет обладать вещество.
Сейчас мы выведем формулу, которая показывает, как уменьшается число атомов радионуклида (а вместе с ним — и его радиоактивность) со временем. Пусть в начальный момент времени t=0 имеется N0 атомов радионуклида с периодом полураспада Т1/2 Как следует из определения периода полураспада, по прошествии промежутка времени t= Т 1/2 останется N0/2 атомов. Когда пройдет еще столько же времени (t = 2Т1/2), останется половина от N0/2 атомов, т. е. N0/4 и т. д. Рассуждая далее аналогично, получим ряд уменьшения числа атомов (табл. 2).
Последняя строчка легко выводится из предыдущих «по аналогии». Таким образом, если прошло n периодов полураспада (п = t / Т1/2), то останется N = N/2t/T1/2 атомов. Это и есть основная формула, по которой можно рассчитать, сколько атомов радионуклида останется через определенный промежуток времени t, если известно его начальное количество N0 и период полураспада Т1/2 Точно такая же формула позволяет рассчитать изменение радиоактивности со временем:
а = a0/ 2n,
где ао — начальная радиоактивность.
Здесь надо пояснить, что радиоактивность а — это число атомов, распадающихся в образце в единицу времени; радиоактивность пропорциональна имеющемуся числу атомов, поэтому она изменяется со временем так же, как и N.
На практике радиоактивность образца обычно характеризуют не общим числом происходящих в нем распадов, а пропорциональным ему числом импульсов I, которые регистрирует прибор, измеряющий радиоактивность (I= ка, где к — коэффициент пропорциональности). Очевидно, что и в этом случае формула имеет вид
