Характеристика радиоактивных излучений

Количество  энергии излучения, поглощенное  единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой (рис. 5) и измеряется в системе СИ в грэях (Гр). Но эта величина не учитывает того, что при одинаково поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучений.

рис. 5

Если принять во внимание этот факт то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения  данного вида повреждать ткани организм: альфа-излучение считается при этом в двадцать раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; ее измеряют в системе СИ в единицах, называемых зивертами (Зв).

Следует учитывать также, что одни части  тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений.

Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами (рис. 6).

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие  коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах.     

                                                                                                                            рис. 6                                                                                                                                                

Эти три  понятия описывают только индивидуально  получаемые дозы. Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем кколлективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

Следует ввести, однако, еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются  очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Такая иерархия понятий на первый взгляд может показаться слишком сложной, но тем не менее она представляет собой логически последовательную систему и позволяет рассчитывать согласующиеся или сопоставимые друг с другом дозы облучения. В последующих частях материал будет излагаться так, чтобы по возможности избежать употребления этих терминов, однако без них иногда не удается достичь необходимой точности и ясности изложения.      

Характеристика  радиоактивных излучений 

     Таблица 1 

 
Теория радиоактивного распада. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. Так, например, излучение радия сопровождается выделением газообразного радона ("эманацией"). В свою очередь радон, распадаясь, оставляет радиоактивные отложения на стенках содержащего его сосуда. Собранная при распаде радия эманация теряет половину исходной активности примерно за 4 сут. Эти и другие не поддававшиеся интерпретации экспериментальные факты удалось объяснить с помощью теории радиоактивного распада атомов, предложенной Резерфордом и Содди в 1903, а также правила смещения, сформулированного в 1913 А.Расселом и независимо от него Фаянсом и Содди. Суть теории Резерфорда и Содди состоит в том, что в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. 
Правило смещения. Правило смещения точно указывает, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение. 
Эмиссия альфа- и бета-частиц. Правило смещения можно пояснить с помощью ядерной модели атома, предложенной Резерфордом в 1911. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная часть массы атома. Вокруг ядра вращаются электроны, заряд которых компенсирует положительный заряд ядра. Каждому атому приписывается свой атомный номер Z, соответствующий его порядковому номеру в периодической таблице Менделеева и численно равный заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Альфа-частица имеет Z = 2 и массовое число (округленный атомный вес) A = 4. Если неустойчивое ядро испускает бета-частицу, то его Z увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Следовательно, радиоактивный атом превращается в следующий по порядку атом таблицы Менделеева. При эмиссии альфа-частицы Z и A вновь образованного ядра уменьшаются на 2 и 4 единицы соответственно, а дочерний атом, испытав соответствующее изотопическое превращение, "смещается" в таблице Менделеева влево от родительского элемента. 
Гамма-излучение. Орбитальные электроны, получив избыток энергии, могут переходить на более высокие энергетические уровни. Возвращаясь в основное (нормальное) состояние, они отдают избыток энергии в виде света или рентгеновского излучения. Ядра атомов, обладающие избыточной энергией, также могут переходить в возбужденное состояние. Подобное возбуждение часто испытывают ядра, образующиеся в процессе радиоактивных превращений. Переходя в основное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов. Особый интерес представляет вариант распада, когда радиоактивное ядро имеет большое время жизни возбужденного состояния. В этом случае у находящихся в разных энергетических состояниях одинаковых ядер (с одинаковыми значениями Z и A) наблюдаются однотипные радиоактивные распады, но происходят они с разными скоростями, поскольку одни ядра распадаются из возбужденного, а другие из основного состояния. Это явление получило название ядерной изомерии, а возбужденное и нормальное ядра называются изомерами.      
 
 

Метаболизм  и токсикология радиоизотопов  стронция. 

Стронций (лат. Strontium), Sr, химический элемент II группы периодической Системы Менделеева, атомный номер 38, атомная масса 87,62, серебристо-белый металл. Природный стронций состоит из смеси четырёх стабильных изотопов: ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr и ⁸⁸Sr; наиболее распространён ⁸⁸Sr (82,56%).

Искусственно  получены радиоактивные изотопы  с массовыми числами от 80 до 97, в том числе ⁹⁰Sr (Т ¹/₂ = 27,7 года), образующийся при делении урана. В 1790 шотландский врач А. Крофорд, исследуя найденный близ населённого пункта Строншиан (в Шотландии) минерал, обнаружил, что он содержит неизвестную ранее "землю", которая была названа стронцианом. Позднее оказалось, что это окись сронция SrO. В 1808г Г. Дэви, подвергая электролизу с ртутным катодом смесь увлажнённой гидроокиси Sr(ОН)₂ с окисью ртути, получил амальгаму стронция.

Распространение в природе. Среднее содержание стронция в земной коре 3,4-10 ²% по массе, в геохимических процессах он является спутником кальция. Известно около 30 минералов стронция: важнейшие - целестин SrSO₄ и стронцианит SrCO₃. В магматических породах стронция находится преимущественно в рассеянном виде и входит в виде изоморфной примеси в кристаллическую решётку кальциевых, калиевых и бариевых минералов. В биосфере стронция накапливается в карбонатных породах и особенно в осадках солёных озёр и лагун (месторождения целестина).

Физические  и химические свойства. При комнатной температуре решётка стронция кубическая гранецентрированная (a-Sr) с периодом а = 6,0848 ; при температуре выше 248°C превращается в гексагональную модификацию (b-Sr) с периодами решётки а=4,32 и с = 7,06 ; при 614°C переходит в кубическую объёмно-центрированную модификацию (g-Sr) с периодом а = 4,85 . Атомный радиус 2,15 , ионный радиус Sr² + 1,20. Плотность a - формы 2,63г/см³ (20 °C); t_пл 770 °C, t_kип 1383 °C; удельная теплоёмкость 737,4кдж/(кг-К) [0,176 кал/(г-°C)]; удельное электросопротивление 22.76-10^-6ом-см³ стронция парамагнитен, атомная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 91,2-10^-6. Стронция - мягкий пластичный металл, легко режется ножом. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Sr 5s², в соединениях обычно имеет степень окисления +2. С. - щёлочноземельный металл, по химическим свойствам сходен с Ca и Ba. Металлический стронция быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую поверхностную плёнку, содержащую окись SrO, перекись SrO₂ и нитрид Sr₃N₂. С кислородом при обычных условиях образует окись SrO (серовато-белый порошок), которая на воздухе легко переходит в карбонат SrCO₃: с водой энергично взаимодействует, образуя гидроокись Sr (OH)₂ - основание более сильное, чем Ca (OH)₂. При нагревании на воздухе легко воспламеняется, а порошкообразный стронция на воздухе самовозгорается, поэтому хранят стронция в герметически закрытых сосудах под слоем керосина. Бурно разлагает воду с выделением водорода и образованием гидроокиси. При повышенных температурах взаимодействует с водородом (>200°C), азотом (>400°C), фосфором, серой и галогенами. При нагревании образует интерметаллические соединения с металлами, например SrPb₃, SrAg₄, SrHg₈, SrHg₁₂. Из солей стронция хорошо растворимы в воде галогениды (кроме фторида), нитрат, ацетат, хлорат; трудно растворимы карбонат, сульфат, оксалат и фосфат. Осаждение стронция в виде оксалата и сульфата используют для его аналитического определения. Многие соли стронция образуют кристаллогидраты, содержащие от 1 до 6 молекул кристаллизационной воды. Сульфид SrS постепенно гидролизуется водой: нитрид Sr₃N₂ (чёрные кристаллы) легко разлагается водой с выделением NH₃ и Sr (OH)₂. стронция хорошо растворяется в жидком аммиаке, давая растворы тёмно-синего цвета.

Получение и применение. Основным сырьём для получения соединений стронция служат концентраты от обогащения целестина и стронцианита. Металлический стронция получают восстановлением окиси стронция алюминием при 1100-1150 °C:

4SrO + 2AI = 3Sr + SrO-Al₂O₃.

Процесс ведут в электровакуумных аппаратах [при 1 н/м² (10 ^-2 мм рт. ст.)]периодического действия. Пары стронция конденсируются на охлажденной поверхности вставленного в аппарат конденсатора; по окончании восстановления аппарат заполняют аргоном и расплавляют конденсат, который стекает в изложницу. Стронций получают также электролизом расплава, содержащего 85% SrCl₂ и 15% KCI, однако при этом процессе выход по току невелик, а металл оказывается загрязнённым солями, нитридом и окисью. В промышленности электролизом с жидким катодом получают сплавы стронция, например с оловом.

Практическое  применение металлического стронция невелико. Он служит для раскисления меди и бронзы. ^-90Sr - источник b-излучения в атомных электрических батареях. С. используется для изготовления люминофоров и фотоэлементов, а также сильно пирофорных сплавов. Окись стронция входит в состав некоторых оптических стекол и оксидных катодов электронных ламп. Соединения стронция окрашивают пламя в интенсивный вишнёво-красный цвет, благодаря чему некоторые из них находят применение в пиротехнике. Стронцианит вводят в шлак для очистки высокосортных сталей от серы и фосфора; карбонат стронция используют в неиспаряющихся геттерах, а также добавляют в состав стойких к атмосферным воздействиям глазурей и эмалей для покрытия фарфора, сталей и жаропрочных сплавов. Хромат SrCrO₄ - очень устойчивый пигмент для изготовления художественных красок, титанат SrTiO₃ применяют как сегнетоэлектрик, он входит в состав пьезокерамики. Стронциевые соли жирных кислот ("стронциевые мыла") используют для изготовления специальных консистентных смазок.

Соли  и соединения стронция малотоксичны; при работе с ними следует руководствоваться правилами техники безопасности с солями щелочных и щёлочноземельных металлов.

Стронций  в организме. Стронций - составная часть микроорганизмов, растений и животных. У морских радиолярий (акантарий) скелет состоит из сульфата стронция - целестина. Морские водоросли содержат 26-140 мг С. на 100 г сухого вещества, наземные растения - 2,6, морские животные - 2-50, наземные животные - 1,4, бактерии - 0,27-30. Накопление стронция различными организмами зависит не только от их вида, особенностей, но и от соотношения в среде стронция с др. элементами, главным образом с Ca и Р, а также от адаптации организмов к определённой геохимической среде.

Животные  получают стронций с водой и пищей. Всасывается стронция тонким, а выделяется в основном толстым кишечником. Ряд веществ (полисахариды водорослей, катионообменные смолы) препятствует усвоению стронция. Главное депо стронция в организме - костная ткань, в золе которой содержится около 0,02% С. (в др. тканях - около 0,0005%). Избыток солей стронция в рационе крыс вызывает "стронциевый" рахит. У животных, обитающих на почвах со значительным количеством целестина, наблюдается повышенное содержание стронция в организме, что приводит к ломкости костей, рахиту и др. заболеваниям. В биогеохимических провинциях, богатых стронция (ряд районов Центральной и Восточной Азии, Северной Европы и др.), возможна т. н. уровская болезнь.

Стронций-90. Среди искусственных изотопов стронция его долгоживущий радионуклид ⁹⁰Sr - один из важных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Попадая в окружающую среду, ⁹⁰Sr характеризуется способностью включаться (главным образом вместе с Ca) в процессы обмена веществ у растений, животных и человека. Поэтому при оценке загрязнения биосферы ⁹⁰Sr принято рассчитывать отношение ⁹⁰Sr/Ca в стронциевых единицах (1 с. е. = 1 мк мккюри ⁹⁰Sr на 1 г Ca). При передвижении ⁹⁰Sr и Ca по биологическим и пищевым цепям происходит дискриминация С., для количественного выражения которой находят "коэффициент дискриминации", отношение ⁹⁰Sr/Ca в последующем звене биологической или пищевой цепи к этой же величине в предыдущем звене. В конечном звене пищевой цепи концентрация ⁹⁰Sr, как правило, значительно меньше, чем в начальном.

В растения ⁹⁰Sr может поступать непосредственно при прямом загрязнении листьев или из почвы через корни (при этом большое влияние имеет тип почвы, сё влажность, pH, содержание Ca и органических веществ и т.д.). Относительно больше накапливают ⁹⁰Sr бобовые растения, корне- и клубнеплоды, меньше - злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах и плодах накапливается значительно меньше ⁹⁰Sr, чем в др. органах (например, в листьях и стеблях пшеницы ⁹⁰Sr в 10 раз больше, чем в зерне). У животных (поступает в основном с растительной пищей) и человека (поступает в основном с коровьим молоком и рыбой) ⁹⁰Sr накапливается главным образом в костях. Величина отложения ⁹⁰Sr в организме животных и человека зависит от возраста особи, количества поступающего радионуклида, интенсивности роста новой костной ткани и др. Большую опасность ⁹⁰Sr представляет для детей, в организм которых он поступает с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.