Радий: свойства, история и применение¶

Радий — химический элемент второй группы главной подгруппы седьмого периода периодической системы, атомный номер 88, обозначается символом Ra. Относится к щёлочноземельным металлам, является радиоактивным элементом. Впервые выделен в 1898 году супругами Марией и Пьером Кюри из урановой смоляной руды в сотрудничестве с химиком Густавом Бемоном. Название происходит от латинского radius — «луч», что отражает способность элемента испускать радиоактивное излучение.

¶История открытия

Открытию радия предшествовало исследование урановой смоляной руды (уранинита). Мария Кюри заметила, что активность руды значительно выше, чем у чистого урана, что указывало на наличие неизвестного радиоактивного вещества. В ходе трудоёмкой переработки нескольких тонн руды, проводившейся в неприспособленном сарае, супруги Кюри выделили два новых элемента: полоний (июль 1898 года) и радий (декабрь 1898 года). Однако чистый металлический радий был получен лишь в 1910 году Марией Кюри совместно с Андре Дебьерном посредством электролиза хлорида радия на ртутном катоде.

За открытие радия и полония Мария и Пьер Кюри в 1903 году были удостоены Нобелевской премии по физике (совместно с Анри Беккерелем). Мария Кюри стала первым человеком, получившим две Нобелевские премии, вторая — по химии (1911) — была присуждена за открытие и исследование радия и полония.

¶Физические и химические свойства

Радий — блестящий серебристо-белый металл, на воздухе быстро покрывающийся тёмной оксидной плёнкой. Плотность составляет около 5,5 г/см³, температура плавления — 700 °C, кипения — 1737 °C. По химическим свойствам радий наиболее близок к барию, с которым сосуществует в природных минералах.

Металл обладает высокой химической активностью: реагирует с водой с выделением водорода, образуя гидроксид радия Ra(OH)₂, легко взаимодействует с кислородом и галогенами. Все соединения радия проявляют свойства, сходные с соответствующими соединениями бария, однако обладают собственной радиоактивностью.

Радий — один из самых интенсивных альфа-излучателей среди природных элементов. Его период полураспада составляет 1600 лет. При распаде образуется радиоактивный газ радон-222, что создаёт дополнительные радиационные риски. Радий постоянно находится в равновесии со своими дочерними продуктами распада, которые также вносят вклад в общую активность препарата.

¶Изотопы и радиоактивные свойства

В природе встречается несколько изотопов радия, наиболее распространённым является радий-226 (продукт распада урана-238). Другие природные изотопы — радий-228 (из ториевого ряда) и радий-224 — имеют значительно меньшие периоды полураспада (5,75 года и 3,66 суток соответственно). Всего известно около 25 изотопов радия с массовыми числами от 202 до 234.

Радий-226 испускает альфа-частицы с энергией 4,78 МэВ, а также гамма-излучение от дочерних продуктов. Активность 1 грамма радия-226 составляет примерно 1 кюри (3,7×10¹⁰ Бк) — эта величина исторически была принята за эталон единицы измерения активности.

¶Получение

Радий содержится в урановых рудах в крайне малых количествах: на 3 тонны урана приходится около 1 грамма радия. Промышленное извлечение радия исторически осуществлялось из отходов переработки урановых руд — яхонтовой смолки, карнотита и других минералов. Процесс включал длинную цепочку химических операций: выщелачивание серной кислотой, осаждение в виде сульфата, перевод в хлорид и многократную дробную кристаллизацию для отделения от бария.

В первой половине XX века радий добывали преимущественно в Бельгийском Конго, Чехословакии (Яхимов), США (Колорадо) и Канаде (Большое Медвежье озеро). После начала ядерной эры основным источником радия стало облучение тория нейтронами в реакторах, однако с развитием производства искусственных радионуклидов промышленное получение радия в значительных масштабах прекратилось.

¶Применение

¶Медицина

В начале XX века радий активно применялся в медицине для лучевой терапии злокачественных опухолей. Радиевые иглы и аппликаторы использовались для брахитерапии — внутритканевого облучения новообразований. Радиоактивные препараты на основе радия применялись также для лечения кожных заболеваний и доброкачественных новообразований. С развитием ядерной медицины и появлением более безопасных и эффективных изотопов (кобальт-60, цезий-137, иридий-192) использование радия в терапии было практически полностью прекращено.

¶Производство светосоставов

Радий в смеси с сульфидом цинка использовался для изготовления самосветящихся красок постоянного действия. Такие составы наносились на циферблаты часов, авиационные приборы и военное снаряжение. Работницы предприятий, наносившие радиевую краску, подвергались серьёзному облучению, что привело к трагическим последствиям — так называемому «радиевому скандалу» в США в 1920-х годах. Впоследствии радиевые светосоставы были заменены менее опасными материалами на основе трития и прометия-147.

¶Научные исследования

Радий сыграл ключевую роль в развитии ядерной физики. Эрнест Резерфорд использовал радий как источник альфа-частиц в своих знаменитых экспериментах по рассеянию, которые привели к открытию атомного ядра. Радий применялся также для создания первых нейтронных источников (смесь радия с бериллием) и в исследованиях радиоактивных превращений.

¶Технические применения

В некоторых областях радий находил применение в качестве источника ионизирующего излучения для снятия статического электричества, в радиоизотопных генераторах и дефектоскопии. Эти использования носили ограниченный характер и были прекращены с появлением более доступных искусственных радионуклидов.

¶Радиационная опасность

Радий представляет серьёзную биологическую опасность. Попадая в организм, он ведёт себя подобно кальцию и накапливается в костной ткани, где облучает костный мозг и окружающие ткани. Длительное воздействие радия вызывает остеосаркомы, лейкозы и другие онкологические заболевания. Помимо внешнего облучения гамма-излучением, опасен и радон — газообразный продукт распада радия, который при вдыхании облучает лёгочную ткань.

Исторический опыт с радиевой краской показал, что даже относительно небольшие количества радия при хроническом воздействии приводят к тяжёлым поражениям костной ткани. В связи с высокой токсичностью радий относится к особо опасным радиоактивным веществам, работа с ним требует строгого соблюдения норм радиационной безопасности.

¶Радий в культуре и обществе

В 1910–1930-х годах радий воспринимался общественностью как чудодейственное вещество, способное излечивать болезни и придавать энергию. Радий добавляли в косметические кремы, зубные пасты, шоколад и тонизирующие напитки. Подобная необоснованная реклама привела к многочисленным случаям отравления и способствовала формированию более ответственного отношения к радиоактивным материалам. В современной культуре радий упоминается как символ эпохи первоначального увлечения радиоактивностью до осознания её опасности.

¶Современное состояние

В настоящее время радий не имеет значимого промышленного применения. Основные запасы радия сосредоточены в хранилищах радиоактивных отходов и исследовательских лабораториях. Радий-226 используется в ограниченных количествах для калибровки радиометрической аппаратуры и в научных целях. Радий-223 (препарат «Ксофиго») применяется в современной медицине для лечения метастатического рака предстательной железы, однако этот изотоп получают искусственным путём и он не связан с традиционной добычей радия.

¶Источники

Кюри М. Радиоактивность. — М.: Гостехиздат, 1947.
Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. — М.: Наука, 1969.
Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997.
Weeks M. E. Discovery of the Elements. — 6th ed. — Easton: Journal of Chemical Education, 1956.