Радионуклиды

Радионуклиды — это атомы химических элементов, обладающие нестабильным ядром, которое самопроизвольно (спонтанно) распадается, испуская ионизирующее излучение. Этот процесс называется радиоактивным распадом. Радионуклиды также называют радиоактивными изотопами или радиоизотопами. В природе существует как естественные, так и искусственные (техногенные) радионуклиды. Они широко применяются в науке, медицине, промышленности, энергетике, но при этом представляют серьёзную опасность для живых организмов из-за своего излучения.

История открытия и изучения

История изучения радионуклидов началась с открытия радиоактивности. В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, способные засвечивать фотопластинки. В 1898 году Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из урановой руды два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Термин «радиоактивность» был предложен именно Марией Кюри.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома и экспериментально доказал, что радиоактивный распад — это свойство атомного ядра, а не электронной оболочки. В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри впервые получили искусственные радионуклиды, облучая стабильные элементы альфа-частицами. Это открытие положило начало ядерной физике и производству радиоизотопов.

В 1930-х — 1940-х годах, с развитием ядерных реакторов и ускорителей, стало возможным массовое получение искусственных радионуклидов. В СССР первые работы по получению радиоизотопов начались в 1940-х годах под руководством Игоря Курчатова. В 1946 году был запущен первый в Европе ядерный реактор Ф-1, а затем — промышленные реакторы для наработки плутония и других радионуклидов.

Физическая природа и свойства

Строение ядра

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Стабильность ядра зависит от соотношения числа протонов и нейтронов. Если это соотношение выходит за пределы «зоны стабильности», ядро становится нестабильным и стремится к более устойчивому состоянию путём радиоактивного распада.

Виды радиоактивного распада

Радионуклиды могут распадаться несколькими способами:

Альфа-распад — ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов). Характерен для тяжёлых элементов (уран, радий, плутоний). Альфа-излучение имеет малую проникающую способность (задерживается листом бумаги), но высокую ионизирующую способность.
Бета-распад — ядро испускает электрон (β⁻-распад) или позитрон (β⁺-распад), а также нейтрино. При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон, при β⁺-распаде — протон в нейтрон. Бета-частицы проникают глубже альфа-частиц (до нескольких миллиметров в тканях).
Гамма-излучение — часто сопровождает альфа- и бета-распад, когда ядро переходит из возбуждённого состояния в основное, испуская электромагнитное излучение высокой энергии. Гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью (толстый слой свинца или бетона).
Электронный захват — ядро захватывает один из электронов внутренней оболочки атома, протон превращается в нейтрон, испускается нейтрино.

Период полураспада

Ключевая характеристика любого радионуклида — период полураспада (T₁/₂), то есть время, за которое распадается половина исходного количества атомов. Периоды полураспада варьируются в огромных пределах: от долей секунды (например, ²¹²Po — 3×10⁻⁷ с) до миллиардов лет (²³⁸U — 4,47 млрд лет, ⁴⁰K — 1,28 млрд лет).

Активность

Активность радионуклида — это количество распадов в единицу времени. Измеряется в беккерелях (Бк, 1 распад/с) или кюри (Ки, 3,7×10¹⁰ Бк). Активность зависит от количества радионуклида и его периода полураспада.

Классификация радионуклидов

По происхождению

Естественные (природные) радионуклиды — существуют в природе с момента образования Земли или образуются в результате космических процессов. К ним относятся:

Долгоживущие изотопы (²³⁸U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb).
Радионуклиды, образующиеся в результате распада урана и тория (радон, радий, полоний).
Космогенные радионуклиды (¹⁴C, ³H, ⁷Be), образующиеся под действием космических лучей в атмосфере.

Искусственные (техногенные) радионуклиды — получены в результате ядерных реакций в реакторах, ускорителях или при ядерных взрывах. Примеры: ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ⁶⁰Co, ²³⁹Pu, ¹³¹I.

По типу излучения

Альфа-излучатели (²³⁸Pu, ²⁴¹Am, ²¹⁰Po).
Бета-излучатели (³H, ¹⁴C, ⁹⁰Sr, ³²P).
Гамма-излучатели (⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ¹⁹²Ir).
Чистые бета-излучатели (⁹⁰Sr, ³⁵S) — не испускают гамма-лучи.

По периоду полураспада

Короткоживущие (T₁/₂ < 1 года) — ¹³¹I (8 дней), ⁹⁹mTc (6 часов).
Среднеживущие (1 год < T₁/₂ < 1000 лет) — ¹³⁷Cs (30 лет), ⁹⁰Sr (29 лет).
Долгоживущие (T₁/₂ > 1000 лет) — ²³⁹Pu (24 000 лет), ²³⁸U (4,5 млрд лет).

Источники радионуклидов

Природные источники

Естественный радиационный фон формируется за счёт:

Космического излучения (нейтроны, мюоны).
Радионуклидов в земной коре (уран, торий, калий-40).
Радона (²²²Rn) — радиоактивного газа, выделяющегося из почвы и строительных материалов.

На территории России уровни природного фона варьируются: в равнинных районах — 0,1–0,2 мкЗв/ч, в горных (Алтай, Кавказ) — до 0,5 мкЗв/ч. В некоторых регионах (например, вблизи урановых месторождений) фон может быть выше.

Техногенные источники

Ядерные реакторы — работа АЭС, исследовательских реакторов, судовых установок. В процессе деления урана и плутония образуются сотни различных радионуклидов.
Ядерные взрывы — испытания ядерного оружия (до 1963 года проводились в атмосфере, затем под землёй). В СССР испытания проводились на Семипалатинском полигоне (Казахстан) и Новой Земле. В результате в атмосферу попали ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ¹⁴C, ²³⁹Pu.
Радиоактивные отходы — отработанное ядерное топливо, материалы, загрязнённые в процессе производства и использования радионуклидов.
Медицинские и промышленные источники — аппараты лучевой терапии, дефектоскопы, измерительные приборы.
Аварии — крупнейшие: Чернобыльская АЭС (1986, СССР, ныне Украина) и АЭС Фукусима-1 (2011, Япония). При аварии на ЧАЭС в окружающую среду попали ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu.

Применение радионуклидов

Медицина

Диагностика — радиоизотопная визуализация (сцинтиграфия, ПЭТ-КТ). Используются ⁹⁹mTc (наиболее распространённый), ¹⁸F, ¹²³I, ⁶⁷Ga. В России ежегодно проводится более 1 млн диагностических процедур с радиофармпрепаратами.
Терапия — лучевая терапия онкологических заболеваний. Используются ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ¹⁹²Ir (брахитерапия), ¹³¹I (лечение заболеваний щитовидной железы), ⁹⁰Y, ¹⁷⁷Lu.
Стерилизация — гамма-излучение (⁶⁰Co) для стерилизации медицинских инструментов и перевязочных материалов.

Промышленность

Дефектоскопия — контроль качества сварных швов, металлоконструкций с помощью гамма-дефектоскопов (¹⁹²Ir, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs).
Измерение толщины и плотности — радиоизотопные толщиномеры, плотномеры.
Радиоизотопные источники энергии — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) на основе ²³⁸Pu, ⁹⁰Sr. Используются в космических аппаратах (например, на марсоходах) и в удалённых автоматических станциях (в России — на маяках и метеостанциях в Арктике).
Трассеры — радиоактивные метки для изучения течения жидкостей, износа деталей, миграции подземных вод.

Наука

Радиоуглеродное датирование (¹⁴C) — определение возраста археологических и геологических образцов до 50 000 лет.
Радиоизотопные метки — в биохимии, молекулярной биологии, экологии для изучения метаболизма и переноса веществ.
Геохронология — определение возраста горных пород по распаду ²³⁸U, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb.

Энергетика

Ядерное топливо для АЭС — ²³⁵U, ²³⁹Pu. В России эксплуатируется 11 АЭС (37 энергоблоков), вырабатывающих около 20% электроэнергии страны.

Опасность и меры защиты

Биологическое действие

Ионизирующее излучение радионуклидов вызывает повреждение ДНК, белков и других молекул в клетках. Последствия облучения:

Детерминированные эффекты — лучевая болезнь, ожоги, катаракта, возникают при дозах выше пороговых (обычно > 0,5 Гр за короткое время).
Стохастические эффекты — рак, генетические мутации, риск которых пропорционален дозе и не имеет порога.

Особую опасность представляют радионуклиды, которые накапливаются в организме: ⁹⁰Sr (замещает кальций в костях), ¹³¹I (накапливается в щитовидной железе), ¹³⁷Cs (распределяется по мягким тканям).

Нормирование

В России действуют «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99/2009) и «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99/2010). Предел эффективной дозы для персонала (категория А) — 20 мЗв/год в среднем за 5 лет, для населения — 1 мЗв/год.

Методы защиты

Время — сокращение времени пребывания в зоне излучения.
Расстояние — интенсивность излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
Экранирование — защитные материалы: свинец (для гамма-излучения), бетон, вода, полиэтилен (для нейтронов).
Герметизация и вентиляция — для предотвращения попадания радионуклидов внутрь организма (ингаляционно, с пищей).