Удивительная химия

Леенсон Илья Абрамович

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 Т_1/2 = 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 (Т_1/2 = 5730 лет) и радиоактивный изотоп водорода — тритий (Т_1/2 = 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 (T_1/2 = 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 атомы

Формулы, 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 (Т_1/2). 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 Т_1/2 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 = 2Т_1/2), 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 / Т_1/2), то останется N = N/2^t/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 Т_1/2 Точно такая же формула позволяет рассчитать изменение радиоактивности со временем: