Полоний: свойства, изотопы и применение¶

Полоний — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 84. Обозначается символом Po (от лат. Polonium). Относится к постпереходным металлам, является радиоактивным элементом, не имеющим стабильных изотопов. При нормальных условиях представляет собой мягкий серебристо-белый металл, по химическим свойствам близкий к теллуру и висмуту.

¶История открытия

Полоний был открыт в 1898 году супругами Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри при исследовании урановой смоляной руды (уранинита). Элемент был выделен химически вместе с висмутом, от которого его удалось отделить благодаря разнице в летучести соединений. Название элемент получил в честь Польши (лат. Polonia) — родины Марии Склодовской-Кюри, которая в то время находилась в составе Российской империи.

Открытие полония стало вторым открытым радиоактивным элементом после урана и предшествовало открытию радия. В 1910 году Мария Кюри и Андре Дебьерн впервые получили металлический полоний. Впоследствии было установлено, что полоний является промежуточным продуктом распада в радиоактивном ряду урана-238.

¶Физические и химические свойства

Полоний — мягкий металл серебристо-белого цвета, по внешнему виду напоминающий свинец. Плотность составляет около 9,3 г/см³ (в α-модификации). Температура плавления — 254 °C, температура кипения — около 962 °C. Металл обладает низкой температурой плавления и достаточно высокой летучестью: уже при нагревании до 55 °C начинается заметное возгонка.

Известны две кристаллические модификации полония: низкотемпературная кубическая (α-Po) и высокотемпературная ромбоэдрическая (β-Po). Переход между ними происходит при температуре около 36 °C.

По химическим свойствам полоний является типичным металлом, хотя проявляет и неметаллические свойства. Степени окисления: −2, +2, +4, +6. Наиболее устойчива степень окисления +4. Полоний образует соединения с галогенами (тетрахлорид PoCl₄, тетрабромид PoBr₄), кислородом (диоксид PoO₂), реагирует с кислотами. Гидрид полония (H₂Po) — летучее нестабильное соединение, аналогичное теллуроводороду.

Радиоактивность полония вызывает интенсивное самооблучение образцов, что приводит к нагреву металла, разрушению кристаллической решётки и химическим превращениям. Свежеприготовленные образцы металла могут светиться в темноте голубоватым светом из-за возбуждения окружающего воздуха альфа-частицами.

¶Изотопы

Известно 33 изотопа полония с массовыми числами от 186 до 227. Все они радиоактивны. Наиболее долгоживущим является полоний-209 с периодом полураспада около 125 лет (по другим данным — 102 года). Полоний-208 имеет период полураспада около 2,9 года.

Практическое значение имеют три изотопа:

• Полоний-210 — наиболее распространённый изотоп, период полураспада 138,4 суток. Испускает альфа-частицы с энергией 5,3 МэВ.
• Полоний-209 — используется как эталонный источник альфа-излучения.
• Полоний-208 — применяется в научных исследованиях.

Полоний-210 образуется в природе в результате цепочки радиоактивного распада урана-238 через радон-222, висмут-210 и другие промежуточные нуклиды. Содержание полония в земной коре крайне мало — около 2·10⁻¹⁴ % по массе. В урановых рудах равновесное содержание полония-210 составляет примерно 0,1 мг на тонну руды.

¶Получение

Промышленное получение полония основано на облучении висмута-209 нейтронами в ядерных реакторах. При захвате нейтрона висмут-209 превращается в висмут-210, который в результате бета-распада с периодом полураспада 5 суток образует полоний-210.

Мировое производство полония-210 оценивается в несколько сотен граммов в год. Основным производителем в прошлом была Россия (ФГУП «ПО „Маяк“»), также производство налажено в США и ряде других стран. Полоний-210 поставляется в герметичных ампулах или на подложках.

¶Применение

¶Космическая техника

Полоний-210 используется в радиоизотопных источниках тепла для космических аппаратов. Благодаря высокой удельной тепловой мощности (около 140 Вт/г) он применялся в советских и американских лунных программах для обогрева приборных отсеков в условиях лунной ночи. В частности, полониевые источники тепла устанавливались на советских луноходах и американских аппаратах «Сервейер».

¶Противогололёдные средства

В СССР и России полоний-210 применялся в составе электростатических устройств для удаления статического электричества и в некоторых типах противогололёдных систем. Однако из-за высокой радиотоксичности эти применения были ограничены.

¶Научные исследования

Полоний-210 и полоний-209 используются в качестве источников альфа-излучения в научных приборах, для калибровки детекторов, в альфа-спектрометрии. Соединения полония применяются в исследованиях по радиохимии.

¶Бытовые и промышленные устройства

Ранее полоний-210 использовался в ионизаторах воздуха, устройствах для снятия статического электричества в текстильной промышленности и в некоторых типах дымовых извещателей. В современных устройствах он практически полностью заменён более безопасными изотопами, например америцием-241.

¶Военные применения

В середине XX века полоний-210 рассматривался как возможный компонент для инициаторов ядерных зарядов — в смеси с бериллием он обеспечивает мощный поток нейтронов. Эти разработки велись в СССР и США, однако впоследствии от использования полония отказались в пользу более технологичных решений.

¶Биологическое действие и токсикология

Полоний-210 является одним из самых токсичных известных веществ. Его удельная активность составляет около 166 ТБк/г (4,5 Ки/г). При попадании внутрь организма полоний накапливается преимущественно в селезёнке, почках, печени и костном мозге. Альфа-излучение вызывает тяжёлые поражения внутренних органов.

Летальная доза при пероральном поступлении для человека оценивается в 10–30 микрограммов (для полония-210). Поступление полония возможно при вдыхании, с пищей (в составе табачного дыма — один из факторов риска для курильщиков) или при контакте с загрязнёнными поверхностями.

Наиболее известный случай отравления полонием-210 — гибель в 2006 году в Лондоне бывшего сотрудника ФСБ Александра Литвиненко. Это происшествие привлекло широкое внимание к проблеме радиационной безопасности и контроля над радиоактивными материалами.

¶Полоний в природе

В природе полоний присутствует в ультрамалых количествах в урановых рудах, а также образуется в атмосфере при распаде радона-222. Содержание полония-210 в морской воде и почвах крайне незначительно. В организмах морских обитателей полоний-210 может накапливаться, однако его концентрации не представляют опасности при обычном потреблении морепродуктов.