Полная версия

Главная arrow Экология arrow Биогеохимия радионуклидов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ВВЕДЕНИЕ В РАДИОАКТИВНОСТЬ

Исследование радиоактивности — одна из важнейших очередных задач человечества...

В.И. Вернадский,1922

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОАКТИВНОСТИ

Строение атома. Явление радиоактивности и радионуклиды

Строение атома. Атом (от др.-греч. atomos — неделимый) — элек-тронейтральная частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Строение атома удобно рассматривать, используя планетарную модель атома, предложенную Э. Резерфордом (1911 г.) и уточненную Н. Бором (1913 г.). Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов (е_), которые вращаются на определенных энергетических орбитах (К — ближайшей к ядру, L, М, N, О, Р, Q). Чем дальше электроны находятся от ядра, тем менее прочно они с ним связаны. Химические реакции протекают путем взаимодействия между орбитальными электронами атомов, поэтому строение электронной оболочки атома и, главным образом, его внешней валентной оболочки определяет химические свойства элемента.

Радиоактивность связана с изменениями, которые происходят внутри ядра атома, поэтому рассмотрим строение ядра более подробно. Атомное ядро состоит из нуклонов (от лат. nucleus — ядро). Нуклоны — это элементарные частицы, которые могут существовать в двух состояниях — протона (р) или нейтрона (п). Протоны — положительно заряженные частицы, нейтроны — частицы, не имеющие заряда. Каждый протон несет единичный заряд (+1). Общий заряд атомного ядра (Z) определяется количеством протонов, которое совпадает с атомным номером элемента в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и определяет его химические свойства. В любом атоме число протонов в ядре равно числу орбитальных электронов, и атом в целом электрически нейтрален.

Число Z, равное числу протонов в ядре, называют зарядовым числом. Другой важной характеристикой состава атомного ядра является массовое число (М), которое равно сумме протонов и нейтронов в ядре. Число нейтронов в ядре (N) определяется по разности:

N = M-Z.

Атомные ядра с определенным зарядовым (Z) и массовым числом (М) называются нуклидами. Нуклиды в настоящее время принято обозначать схематически в виде: где X — символ химического

элемента. Так как каждый химический элемент имеет свой постоянный атомный номер (зарядовое число), то его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа, например: |2С, 31Р, 137Cs, 232Th и т.д. Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа: углерод—12, фосфор—31, цезий—137, торий—232 и т.д.

Число нейтронов в атомах одного и того же химического элемента не постоянно и может в известных пределах меняться. Например, все атомы водорода имеют 1 протон и 1 электрон, а число нейтронов может быть 0 (единственный нуклид, не имеющий нейтронов в ядре — протий), 1 (дейтерий) или 2 (тритий) (рис. 3.1). Все виды атомов водорода по химическим свойствам и поведению в реакциях практически одинаковы и различаются только количественным составом элементарных частиц в ядре и, соответственно, массой. Такие разновидности атомов одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре, называются изотопами (от греч. isos — одинаковый и topos — место). Другими словами, изотопы — это атомы, имеющие одинаковый атомный номер (а следовательно, и заряд ядра), но разное массовое число. Изотопы — это нуклиды данного химического элемента.

Стабильные изотопы

Рис. 3.1. Разновидности атомов водорода: р — протоны, п — нейтроны, е — электроны

(сверхтяжелый водород)

ч__ __У

V

Радиоактивный изотоп

Число известных изотопов у каждого элемента сильно варьирует. Например, водород характеризуется наличием 3 изотопов, а у полония их 27.

Каждый химический элемент имеет свой природный изотопный состав. Он сложился в процессе образования и эволюции материи на нашей планете. Очень редко в составе элемента присутствует только один изотоп, чаще химические элементы, встречающиеся в природе, являются смесью изотопов. Например, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото состоят из одного изотопа: 23№, 27А1, 3|Р, 55Мп, 197Аи, соответственно. Кислород встречается в виде трех изотопов: |60 (в смеси 99,759% по массе), |70 (0,037%), 180 (0,204%); хлор — в виде двух изотопов: 35С1 (75,53%) и 37С1 (24,47%); а олово имеет наибольшее число природных изотопов — десять: 1128п (0,96%), 1|48п (0,66%), |158п (0,35%), ||68п (14,30%), 1178п (7,61%), 1188п (24,03%), 1198п (8,58%), 1208п (32,85%), 1228п (4,72%) и 1248п (5,94%).

Масса атомных ядер может измеряться в абсолютных (например, в граммах) или относительных единицах массы. Для выражения масс микрочастиц используется атомная единица массы. За атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 доля массы атома изотопа углерода 12С: 1 а.е.м. = 1,66 х 10-24 г.

Массы протона и нейтрона близки и в относительных единицах составляют около 1 а.е.м. = 1,007 276 466 а.е.м.; тп = 1,008 664 916 а.е.м.). Масса электрона значительно меньше массы нуклонов и составляет 1/1837 часть массы протона, поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре и равна величине, очень близкой к целочисленному значению. Нетрудно догадаться, что численное значение атомной массы позволяет определить массовое число нуклида. Для этого нужно просто округлить до целочисленного значения атомную массу — и получится значение массового числа.

В периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева атомные массы химических элементов — дробные числа, так как атомная масса элемента является средневзвешенной атомной массой всех стабильных изотопов данного химического элемента с учетом их природной распространенности в земной коре и атмосфере. Например, для приведенного выше хлора, состоящего из двух изотопов С1 (75,53%) и 37С1 (24,47%), атомная масса химического элемента будет равна 34,97 х 0,7553 + 36,96 х 0,24475 ~ 35,458 а.е.м., где 34,97 и 36,96 — атомные массы нуклидов.

Для моноизотопных элементов атомная масса элемента совпадает с атомной массой его единственного представленного в природной смеси изотопа. Следует не путать атомную массу химического элемента и атомную массу нуклида.

Размеры атомного ядра в 100 тыс. раз меньше размеров атома в целом. На рис. 3.2 представлена модель атома кислорода. Размер атома составляет ~10_1° м, а размеры ядра атома — порядка 10-15 м. При этом атом в целом — довольно разреженная система, и практически вся масса атома сосредоточена в малом объеме пространства — в ядре. Плотность ядра колоссальна. Она составляет около 1014 г/см3.

Модель атома кислорода

Рис. 3.2. Модель атома кислорода

Знание особенностей такого неравномерного распределения материи в пространстве очень важно для понимания закономерностей взаимодействия излучений с веществом (см. раздел 3.1.4).

Явление радиоактивности и радионуклиды. Нуклоны в ядре связаны и взаимодействуют между собой посредством особых сил сильного взаимодействия — ядерных сил. Эти силы действуют на коротких расстояниях (порядка 10-13 см) и не зависят от заряда нуклонов. Радиус ядерных сил по порядку величины равен размеру нуклона, поэтому ядра — сгустки очень плотной материи. Наиболее тесно нуклоны упакованы в ядре атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Энергия взаимодействия в атомных ядрах в десятки тысяч и миллионы раз превышает энергии химических реакций, связанных с взаимодействием орбитальных электронов.

Однако, как ни прочны атомные ядра, согласно законам квантовой механики, которые действуют в микромире и имеют вероятностный характер, любая система обладает той или иной степенью неустойчивости. Свойство неустойчивых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием частиц высокой энергии называется радиоактивностью (это явление было открыто в 1896 г. А. Беккерелем, а сам термин «радиоактивность» предложен М. Склодовской-Кюри в 1898 г.). Другими словами радиоактивностью называется явление самопроизвольного распада ядра атома с испусканием корпускулярных (поток частиц) и (или) волновых (электромагнитные волны) излучений высокой энергии. А потоки частиц или фотонов, испускаемые атомом в результате внутриядерных превращений, называются радиоактивными излучениями, или радиацией.

Энергия излучения, выделяющаяся при радиоактивном распаде ядра атома, несоизмеримо больше энергии обычных химических реакций.

Единицей измерения энергии ядерных изменений является элек-тронвольт (эВ) — внесистемная единица энергии, равная энергии, которую приобретает электрон при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в 1 В. 1 эВ = 1,6 • 10-19 Дж. Часто пользуются производными единицами: 103 эВ — килоэлектронвольт (кэВ), 106 эВ — мегаэлектронвольт (МэВ).

Нуклиды бывают стабильными, если их ядра устойчивы во времени и не распадаются, и радиоактивными, если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра. Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться, называют радионуклидами. Например, среди изотопов водорода (см. рис. 3.1) протий и дейтерий являются стабильными изотопами, а тритий — радиоактивным.

Понятия «изотопы» («радиоизотопы») и «нуклиды» («радионуклиды») идентичны. Однако принято пользоваться термином «изотопы» для атомов одного химического элемента, например изотопы урана — 234и, 235и, 238и, и термином «нуклиды» для атомов разных химических элементов, например осколочные радионуклиды — 908г, 1311, 137Сз и др.

Стабильность ядер определяется балансом притягивающих ядерных сил между нуклонами (нейтронами и протонами) и отталкивающих кулоновских электромагнитных сил, которые действуют между заряженными протонами и характеризуются большим дальнодействием. Для стабильных ядер характерно вполне определенное соотношение числа нейтронов и протонов. Легкие стабильные ядра (с массовым числом менее 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов 1 : 1 (рис. 3.3). Например, в ядре атома стабильного азота 141Ч — 7 нейтронов и 7 протонов, а в атоме калия 39К — 20 нейтронов и 19 протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов увеличивается и достигает величины около 1,5 : 1. Например, в ядре атома стабильного золота '^Аи нейтронов 197 - 79 = 118, а протонов — 79, соотношение п : р равно 1,49 : 1, а в ядре радиоактивного урана 23;8и 238 - 92 = 146 нейтронов и 92 протона (1,59 : 1). Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер ядерных сил и возрастающую роль кулоновского отталкивания протонов с ростом зарядового числа. Кулоновские силы также ограничивают область существования тяжелых ядер, для которых короткодействующие ядерные силы не могут компенсировать кулоновские силы отталкивания, и тяжелые ядра с числом протонов Ъ > 90 распадаются путем спонтанного деления с образованием двух более стабильных фрагментов атома — осколков деления. Этим же объясняется и то, что ядра тяжелее урана > 92) в природе пока не обнаружены.

Линия стабильности изотопов

Рис. 3.3. Линия стабильности изотопов

В настоящее время известно около 3000 стабильных и радиоактивных нуклидов. Причем основную массу (около 90%) составляют радиоактивные нуклиды.

Почти все элементы с зарядом ядра не более 83 имеют хотя бы один стабильный изотоп. Наиболее тяжелыми стабильными нуклидами являются изотопы свинца (7 = 82) и висмута (7 = 83). Исключение составляют два элемента: технеций (7 = 43) и прометий (7 = 61), которые не имеют стабильных изотопов. У элементов с зарядовым числом более 83 и массовым числом более 209 также не существует стабильных ядер. Все изотопы элементов с большим зарядом ядра — радиоактивные. Элементы, у которых все изотопы радиоактивны и нет стабильных изотопов, называются радиоактивными. Итак, радиоактивными элементами являются технеций, прометий, полоний и все последующие элементы, стоящие в Периодической системе элементов после полония.

По происхождению радионуклиды подразделяются на естественные (природные) и искусственные (техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности человека.

Естественные радионуклиды (подробнее см. гл. 4) широко распространены в природных объектах, однако к экологически значимым можно отнести немногие:

  • 1) первичные радионуклиды, включающие элементы радиоактивных семейств урана и тория (238и, 235и, 232ТЪ, 226И.а, 222Яп, 2|0Ро, 210РЬ и др.) и отдельные радионуклиды (40К, 87И.Ь и др.);
  • 2) космогенные радионуклиды 3Н, 7Ве, 14С и др.

Наряду с космическим излучением естественные радионуклиды являются составляющими природного радиационного фона (ПРФ).

Искусственных радионуклидов значительно больше (подробнее см. гл. 5). Они создаются человеком в результате ядерных реакций, осуществляемых на ускорителях и ядерных реакторах, в определенных целях или образуются как побочный продукт технической деятельности. Принципиальной разницы между природной и искусственной радиоактивностью не существует, так как свойства изотопа не зависят от способа его образования, и радиоактивный изотоп, полученный искусственным путем, ничем не отличается от такого же самого природного изотопа.

Искусственные радионуклиды могут находиться в процессе нормальной эксплуатации под контролем человека или оказаться вне его контроля (утерянные источники или нуклиды, рассеянные в окружающей среде в результате аварий на ядерных объектах и др.). В последнем случае они становятся причиной радиоактивного загрязнения.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>