§ 8. Явление радиоактивности

В 1896 году А. Беккерель, изучая соли урана, обнаружил, что они испускают неизвестное ранее излучение. Это явление получило название радиоактивности.

Радиоактивность (или радиоактивный распад) — это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер одних химических элементов в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц высокой энергии, а также жёстким электромагнитным излучением.

Такое превращение не является химической реакцией.

В зависимости от природы испускаемых частиц различают несколько видов радиоактивного распада атомных ядер. Подробно их изучает ядерная физика. Мы рассмотрим два из них — α- и β-распад.

Альфа-распад сопровождается испусканием α-частиц — положительно заряженных ядер гелия, содержащих два протона и два нейтрона: . Этот распад можно представить в виде уравнения ядерной реакции:

где X — неустойчивое ядро с атомным номером Z и массовым числом А; Y — образовавшееся ядро, атомный номер которого на 2 единицы, а массовое число — на 4 единицы меньше, чем у исходного ядра. Примером такого распада является распад радия-226 с образованием газообразных радона-222 и гелия-4:

При составлении уравнений ядерных реакций следует учитывать, что сумма зарядов (Z) и сумма массовых чисел (А) в обеих частях уравнения должны быть равны.

Бета-распад связан с испусканием ядром β-частицы — электрона (). При этом заряд нового ядра увеличивается на единицу, а его массовое число А не изменяется:

Например, при β-распаде углерода-14 образуется азот-14:

Электроны возникают при распаде нейтрона () на электрон () и протон ():

Часто радиоактивные превращения сопровождаются гамма-излучением. Оно представляет собой жёсткое электромагнитное излучение с длиной волны 10^–10–10^–13 м.

Стабильные и радиоактивные нуклиды

Причиной радиоактивности является неустойчивость атомных ядер ряда химических элементов. Неустойчивые нуклиды называются радиоактивными нуклидами, или радионуклидами. Радиоактивные нуклиды отличаются от стабильных соотношением протонов и нейтронов в ядре и энергией их связи.

Любой химический элемент имеет как стабильные, так и радиоактивные нуклиды. Для некоторых элементов известны только радионуклиды. К ним относятся все элементы периодической системы начиная с висмута, а также технеций Tc и прометий Pm.

В природе обнаружено 84 радионуклида. Их называют естественными, или природными, радионуклидами. К ним относятся радионуклиды, которые сохранились с момента образования Земли, а также те, которые возникают в постоянно протекающих ядерных реакциях. Эти реакции связаны либо с распадом уже существующих радионуклидов, либо со взаимодействием между высоко энергетическими космическими частицами и ядрами атомов, присутствующих в атмосфере. Например, в граните содержится радионуклид уран-238, распад которого приводит к образованию радионуклида радон-222. В атмосфере под действием частиц, летящих из космоса (поток нейтронов и др.), образуются радиоактивные ядра углерода-14:

К наиболее распространённым природным радионуклидам относятся уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40.

В окружающей среде присутствует и значительная часть искусственных радионуклидов. Их ещё называют техногенными радионуклидами, так как они образовались в результате работы предприятий атомной промышленности и проведения испытаний ядерного оружия в 40–80-е годы XX века, а также из-за небрежной работы с радиоактивными источниками в других отраслях промышленности.

Устойчивость радионуклидов характеризуется периодом полураспада. Период полураспада — это время, в течение которого распадается половина исходного количества ядер радиоактивного элемента.

Например, период полураспада йода-131 (T_½) равен 8,04 суток, а периоды полураспада цезия-137 и стронция-90 составляют около 30 лет. При этом вовсе не значит, что через 60 лет радиоактивных цезия и стронция не останется. Если посчитать, то к этому времени сохранится четвёртая часть, и даже через 180 лет останется около 1,5 % от их первоначального количества.

В результате аварии на Чернобыльской атомной электростанции 26 апреля 1986 года в окружающую среду были выброшены радиоактивные нуклиды 37 химических элементов. Их повышенное содержание сделало часть территории нашей страны непригодной для проживания. В настоящее время Республика Беларусь продолжает преодолевать последствия чернобыльской катастрофы. Ведущую роль в этой работе играют химики. Они осуществляют мониторинг загрязнённых территорий, участвуют в разработке проектов по их очистке и восстановлению, ищут способы снижения содержания опасных радионуклидов в сельскохозяйственной продукции.

Кроме радиоактивного распада ядер, возможен и их синтез. Например:

Знание механизма и закономерностей протекания ядерных превращений позволяет осуществлять направленный синтез химических элементов. Все элементы с порядковыми номерами больше 92 получены искусственным путём.

В результате ядерных реакций происходит синтез химических элементов на Солнце и других звёздах. Ядерные реакции синтеза элементов на Солнце — источник энергии звезды и жизни на Земле.

Использование радионуклидов

Распад радиоактивных атомных ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. Человечество научилось управлять распадом радионуклидов, а выделяющуюся при этом энергию использовать в своих интересах.

На атомных электростанциях энергия, выделяющаяся при делении ядер урана, преобразуется сначала в тепловую, а затем в электрическую энергию (рис. 13).

Процесс деления радиоактивных ядер урана-235 под действием нейтронов можно представить в виде уравнения:

Образующиеся нейтроны вызывают деление новых ядер урана-235 по цепному механизму.

Действие ядерного оружия основано на мгновенном выделении огромного количества энергии при делении ядер урана или плутония.

При полном делении 1 кг урана-235 выделяется около 7,7 · 10¹³ Дж энергии, что эквивалентно теплоте сгорания около 3000 т высококачественного каменного угля.

В 32 странах мира функционирует около 200 атомных электростанций, обеспечивающих приблизительно 20 % от общего количества потребляемой этими странами электроэнергии.

Радионуклиды используют в медицинской диагностике и для лечения некоторых заболеваний.

Радиационная безопасность

В процессе распада атомных ядер или, наоборот, их синтеза происходит выброс протонов, нейтронов, электронов, сопровождающийся гамма-излучением. Этот процесс называют радиоактивным излучением, или радиацией. Его природные источники — это солнечная радиация и космическое излучение, а также радиоактивные вещества, находящиеся в земной коре, окружающих нас объектах, воде, воздухе и постепенно проникающие в организм человека и животных.

Существуют и техногенные источники радиоактивности, созданные человеком или спровоцированные его деятельностью. Негативные примеры образования таких источников — испытание ядерного оружия, захоронение радиоактивных отходов, ошибки при эксплуатации атомных электростанций, приводящие к катастрофам.

Воздействие значительных доз внешнего радиационного излучения на организм человека может вызвать тяжёлые заболевания. Ещё большую опасность представляет попадание радионуклидов в организм человека через органы дыхания, с пищей и водой (рис. 14). Излучение радионуклидов поражает отдельные клетки, блокирует синтез либо повреждает ДНК. Наибольшую опасность для человека представляют радионуклиды: ²¹⁰Ро, ⁹⁰Sr, ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ²³⁵U, ²²²Rn.

Так, щитовидная железа ответственна за выработку гормонов, участвующих в обменных процессах в организме. Для нормального её функционирования необходим йод. Попадая в организм, радиоактивный йод-131 накапливается в щитовидной железе, вызывает сильнейшее облучение и приводит к образованию раковых опухолей. Чтобы уменьшить опасность такого воздействия, рекомендуется принимать препараты нерадиоактивного йода (KI).

Радионуклид стронций-90 является химическим аналогом кальция, поэтому откладывается вместо кальция в костной ткани, вызывая поражение клеток костного мозга. Одна из мер профилактики такого заболевания на территориях, загрязнённых стронцием-90, — это известкование почвы. Поступление нерадиоактивного кальция приводит к снижению количества стронция-90 не только в растениях, но и в организме животных и человека, употребляющих эти растения.

Радон является вторым по частоте (после курения) фактором, вызывающим рак лёгких. Он естественным образом выделяется из недр Земли и накапливается в подвальных помещениях. Оттуда по вентиляционным шахтам он проникает в жилые помещения (рис. 14). Чтобы уменьшить его содержание, а следовательно, и воздействие, необходимо хорошо проветривать помещения.

Вопросы, задания, задачи

1. Что такое радиоактивность? Назовите виды радиоактивного распада.

2. Укажите характеристики α- и β-частиц, руководствуясь таблицей 4 на с. 37.

3. Назовите источники естественной радиоактивности.

4. Какую радиационную опасность для человека представляет нахождение в подвальных и непроветриваемых помещениях?

5. Сравните состав ядер нуклидов ¹³¹I и ¹²⁷I, ¹³⁷Cs и ¹³³Cs, ⁹⁰Sr и ⁸⁸Sr.

6. Составьте уравнения ядерных реакций:

7. Радионуклиды ²¹⁰Ро, ²³⁵U, ²²²Rn подвергаются α-распаду, а радионуклиды ⁹⁰Sr, ¹³¹I, ¹³⁷Cs — β-распаду. Составьте уравнения реакций их распада и назовите продукты.

8. Массовая доля калия в теле человека составляет 0,25 %. Из всего количества атомов калия на долю калия-40 приходится 0,0117 %. Рассчитайте число радиоактивных атомов ⁴⁰K в организме человека, масса которого — 60 кг.

9. Первой искусственной ядерной реакцией, которую осуществил Э. Резерфорд в 1919 году, была реакция взаимодействия атомов азота-14 с α-частицами. В ходе реакции образуется атом некоторого элемента и выделяется протон. Определите этот элемент.

10. Средняя энергия, которая выделяется при распаде одного ядра урана-235, равна 3,24 · 10^–11 Дж. Рассчитайте значение энергии, которая выделится при распаде урана-235:

• а) количеством 1 моль;
• б) массой 1 кг.

*Самоконтроль

1. α-Распад представлен схемами:

• a) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

2. Образование электронов происходит в реакциях:

• a) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

3. Водород является продуктом в ядерных реакциях:

• a) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

4. Радионуклидами являются:

• а) ¹³¹I;
• б) ¹²⁷I;
• в) ¹⁶O;
• г) ²²⁶Ra.

5. Примерами техногенных источников радиоактивного излучения являются:

• а) космическое излучение;
• б) захоронение радиоактивных отходов;
• в) солнечная радиация;
• г) испытание ядерного оружия.