Удивительная химия

Леенсон Илья Абрамович

ХИМИКИ ИЗУЧАЮТ РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

«Страшное» слово — радионуклид

Масса — не единственное свойство, по которому можно отличить изотопы одного и того же химического элемента, этих химических «близнецов». Исследования показали, что изотопы всех элементов по своему поведению можно разделить на две группы. Одни ведут себя смирно: какими они появились на свет, такими и остались. Причем появиться они могли и много миллиардов лет назад — когда возникла Вселенная, и совсем недавно. Поведение же других изотопов химических элементов прямо

противоположное: они непрерывно «меняют лицо», превращаясь в изотопы других элементов. Такие превращения принято называть радиоактивным распадом. Почему распад — понятно: «смена лица» фактически приводит к уничтожению атомов данного элемента, к их распаду. А радиоактивными эти превращения названы потому, что они сопровождаются испусканием особых лучей. Что же это за лучи?

Конец XIX века был богат на открытия, связанные с обнаружением разного рода «излучений». В 1895 году немецкий физик В. К. Рентген (1845–1923) открыл лучи, названные впоследствии его именем. Они возникали, когда быстро летящие в вакууме отрицательно заряженные частицы — электроны ударялись о препятствие. Мы уже говорили о том, что почти одновременно с открытием рентгеновских лучей появилась соответствующая аппаратура, которая сразу же нашла практическое применение, прежде всего — в медицине. Сейчас рентгеновские лучи широко используются во всем мире. Редко можно найти человека, который бы ни разу в своей жизни не побывал в рентгеновском кабинете — хотя бы для того, чтобы сделать снимок зуба; рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани, но задерживаются костями и другими твердыми предметами (рис. 7.1, 7.2).

_{Рис. 7.1. Эта фотография руки охотника, пострадавшего от случайного выстрела мелкой дробью, была сделана профессором Майклом И. Пьюпином из Колумбийского университета в Нью-Йорке в феврале 1896 года — вскоре после первого сообщения Рентгена об открытии им новых лучей (28 декабря 1895 года). Но не Пьюпин был первым, кто применил рентгеновские лучи в медицинских целях: еще раньше М. Ястровиц в Берлине обнаружил новым методом осколки в руке стеклодува, Г. Кайзер в Вене — дробь в руке лесника, А. Шустер в Манчестере — иголку в ступне балерины (кстати, после газетных сообщений об этом успехе масса мнительных людей во всем мире начала обращаться к врачам с жалобами на болезненные ощущения в разных частях тела, где у них, по-видимому, застряли иголки…)}

_{Рис. 7.2. Монета номиналом 10 марок, выпущенная в ФРГ в 1995 году и посвященная 100-летию со дня открытия Рентгеном нового вида излучения, которое автор назвал Х-лучами (буква X в центре монеты). В России и Германии эти лучи называют рентгеновскими. На монете изображен также первый в мире рентгеновский снимок руки человека (этим человеком была жена Рентгена — Берта). В 1901 году Рентген получил первую Нобелевскую премию по физике «за открытие лучей, которые носят его имя» (официальная формулировка Шведской академии наук)}

Совершенно другой тип лучей обнаружил в 1896 году французский физик Анри Антуан Беккерель (1852–1908). Эти лучи испускались «сами по себе» некоторыми редкими минералами. Выдающаяся французская исследовательница польского происхождения Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) назвала это явление радиоактивностью. На латыни radius — «палочка, спица в колесе», а также «радиус круга, луч»; radiare — «испускать лучи, сиять»; в английском лексиконе слово radiant («излучающий») появилось еще в XV веке. То есть придуманный Кюри термин должен был означать самопроизвольное («активное») излучение некоторыми веществами. Долгое время не понимали, откуда эти лучи берутся. Потом удалось выяснить, что их испускают неустойчивые разновидности атомов обычных химических элементов. Следует

отметить, что в 1903 году одна из первых Нобелевских премий по физике была присуждена А. А. Беккерелю, М. Склодовской-Кюри и ее мужу Пьеру Кюри (1859–1906) за исследование радиоактивных явлений.

Неустойчивые разновидности атомов, испускающие радиоактивные лучи, называются радионуклидами. Иногда их называют также радиоактивными изотопами. При распаде каждого неустойчивого атома из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц, обладающих высокой энергией. Поток этих частиц и называют радиоактивным излучением, или попросту радиацией. В теле человека такие частицы могут вызывать различные повреждения, и если повреждений за короткое время окажется много, организм не сумеет их «залечить» — человек заболеет лучевой болезнью. Наличием радиоактивных превращений объясняется непрерывное облучение, которому подвергаются на Земле и люди, и животные в течение всей их жизни — хотят они этого или нет. Это так называемый радиационный фон, причем заметная его доля приходится на «внутреннее» облучение человека.

Судите сами. Как уже говорилось, в человеке, весящем 70 кг. содержится много различных химических элементов. Больше всего в нем кислорода, углерода, водорода, азота, кальция, фосфора и калия. Все эти элементы мы привыкли считать вполне стабильными и потому безопасными с точки зрения радиации. Однако есть у этих элементов и радиоактивные разновидности — радионуклиды. У одних элементов их больше, у других — меньше.

Из 340 изотопов различных элементов, найденных в природе, 70 — радиоактивны. Большинство содержащихся в организме человека элементов — кислород, водород, азот, кальций, фосфор — природных радионуклидов практически не имеют, или их так мало, что связанное с ними излучение можно вовсе не учитывать. Иначе обстоит дело с углеродом и калием. Природный углерод содержит небольшую примесь (примерно 10^{– 10}%) «радиоуглерода» (о нем еще будет подробный рассказ). В теле взрослого человека в минуту распадается почти 200 тысяч атомов радиоуглерода!

Обычный калий тоже содержит примесь радионуклида (его называют калий-40), в результате чего каждую минуту в теле человека распадается около 300 тысяч атомов калия-40.

Много радионуклидов существует в природе, но еще больше их получено искусственно. Некоторые радионуклиды распадаются очень медленно; это космические долгожители, время распада которых сравнимо со временем существования Вселенной. Например, время жизни радиоактивного калия (⁴⁰К) измеряется миллиардами лет. Когда Вселенная была намного моложе, когда еще не было ни Земли, ни Солнца, радиоактивного ⁴⁰К было довольно много. Сейчас в обычном калии его осталось чуть больше 0,01 %.

Конечно, за время своего существования все живое приспособилось к радиоактивному облучению. Более того, не исключено, что такое облучение и явилось одной из причин мутаций в ходе эволюции живой природы. Если это так, то не будь в природе радиации, не было бы на Земле такого богатейшего разнообразия животной и растительной жизни, не было бы и нас с вами. Так что не следует считать радиацию всегда и безусловно вредной — все хорошо в меру. Возьмем, к примеру, солнечную ультрафиолетовую радиацию: когда ее мало — люди плохо себя чувствуют, у детей развивается рахит; когда ее слишком много-кожа «обгорает» и «слезает», могут даже образоваться волдыри.

И все же — насколько опасны радионуклиды? Стоит ли верить рекламе чудодейственных средств, якобы выводящих радионуклиды из организма?

Прежде всего внесем ясность в некоторые определения. Химические свойства разных изотопов данного элемента почти не отличаются; например, присутствие в составе поваренной соли (хлорида натрия) двух изотопов хлора не приводит ни к каким последствиям. Кстати, природный натрий на 100 % состоит из единственного стабильного нуклида ²³Na. Другое дело, нестабильные, радиоактивные изотопы. Их распад сопровождается испусканием частиц с высокой энергией, которые могут быть опасны для организма. В то же время они широко используются в медицине, промышленности, и без них мы уже обойтись не можем. Искусственно получены очень многие радионуклиды. Важнейшие свойства радионуклидов определяются типом испускаемых частиц, их энергией, а также периодом полураспада т. е. временем, в течение которого распадается половина имеющихся нестабильных атомов.