Что такое распад веществ
Что такое радиоактивность?
Реакция нашего мозга на слово «радиоактивность» часто сводится к миру супергероев, которые кружат по городу, превращаются в человеческий огненный шар или сокрушают негодяев. Или, возможно, ваш мозг вызывает очень темный пост-апокалиптический мир после ядерных осадков.
Итак, что случилось? Как такое, казалось бы, чудесное открытие превратилось в монстра под нашей кроватью, который пугает людей по всему миру?
Почему некоторые элементы радиоактивны?
Подобно тому, как ваше тело посредством серии расширений и сокращений вытесняет раздражающее вещество во время чихания, нестабильные изотопы элементов выбрасывают различные частицы или формы энергии, чтобы восстановить баланс между силами в их ядрах. В процессе достижения стабильности они превращаются в новое ядро.
Как ядро подвергается радиоактивному распаду?
Ядро может подвергнуться ядерному или радиоактивному распаду из-за испускания альфа-, бета- или гамма-излучения (а иногда и комбинации всех трех).
Альфа-частицы относительно тяжелые. Они могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров и их легко остановить листом бумаги или пластика.
Бета-частицы обладают большей энергией и проникающей способностью, чем альфа-частицы, но обладают меньшей ионизацией по своей природе. Они могут путешествовать по воздуху, но их можно остановить с помощью тонкого листа металла или даже защитной одежды.
Это форма высокоэнергетического света, излучаемого ядром, которое остается в более высоком энергетическом состоянии после того, как произошел процесс альфа- и бета-распада, но все же должно вернуться в более стабильное более низкое энергетическое состояние.
Ядро может подвергнуться всем этим распадам спонтанно и превратиться в стабильную форму за секунды, а может потребоваться дни, годы или даже столетия. Эта скорость определяется периодом полураспада радиоактивного вещества, то есть количеством времени, которое требуется радиоактивному веществу для распада до половины своего первоначального значения.
Нельзя говорить о радиоактивности без упоминания Марии Кюри. Ее запечатанная свинцом и сильно радиоактивная лаборатория, записные книжки, кулинарные книги и мебель были заражены радием и будут заражены в течение следующих 12 000 лет или около того. Тем не менее они являются свидетельством ее вклада в эту область и причиной двух Нобелевских премий.
Лабораторная тетрадь Марии Кюри.
Открытие радиоактивности и радиоактивных элементов Марией и Пьером Кюри вместе с Анри Беккерелем в начале 1900-х годов открыло дверь в совершенно новую область атомной физики. Этот шаг вперед в конечном итоге привел к открытию различных компонентов атомов и ядерной энергии.
Радиоактивные элементы, такие как уран-235 и плутоний-239, бомбардируются нейтронами, которые выделяют огромное количество энергии. При правильном манипулировании внутри ядерного реактора это топливо может действовать как длительный источник энергии. Килограмм урана-235 может произвести почти 24 миллиона киловатт-часов энергии путем ядерного деления, тогда как 1 кг угля может произвести только 8 киловатт-часов энергии. Правильное использование этого источника энергии может решить глобальную проблему увеличения выбросов углекислого газа.
Однако «ахиллесовой пятой» здесь является безопасная утилизация использованного радиоактивного топлива и широко распространенный страх перед ядерными авариями.
То, что произошло на Чернобыльском реакторе несколько десятилетий назад, по сей день потрясает человечество. Один инцидент, связанный с расплавлением реактора, и целые акры земли стали непригодными для проживания в течение нескольких поколений, не говоря уже о тысячах жизней, подвергшихся неизгладимым последствиям радиационного отравления.
Власти построили вокруг реактора саркофаг из бетона, чтобы предотвратить утечку радиации в атмосферу. Кроме того, остатки реактора находятся внутри защитной оболочки с толстыми стальными стенками.
Реактор Фукусима, пострадавший от цунами в 2011 году, вынудил эвакуировать тысячи людей в радиусе 20 км от места происшествия. Власти все еще очищают прилегающую территорию, а также убирают и утилизируют верхний слой почвы в пострадавшем регионе.
Эффекты радиоактивности
Вредное воздействие радиоактивных веществ может повлиять на наш организм косвенно через радиационное облучение или напрямую через контакт или проглатывание.
Радиационное воздействие
Радиоактивный материал в процессе распада испускает ионизирующее излучение, которое может легко превратить нейтральные атомы в положительно заряженные ионы, сбивая их электроны. Когда живое существо подвергается такому высокоэнергетическому излучению, оно не делает человека радиоактивным или сверхмощным, но делает его склонным к радиационному отравлению.
Радиационное отравление ядерным излучением может легко повредить молекулярную структуру ДНК и нанести вред живым клеткам. Тяжелая или продолжительная доза может оказаться смертельной, поскольку эти лучи являются канцерогенными.
Радиоактивное загрязнение
Поскольку радиоактивное вещество находится в непосредственном контакте с внутренней или внешней частью тела, такая форма проникновения увеличивает опасность в два раза. Оно не только подвергает организм воздействию радиационного отравления, но и вызывает внутренние повреждения, воздействуя на определенные части тела.
Наше тело принимает радиоактивный радий за кальций при приеме внутрь. Затем он продолжает заменять кальций в нашем организме радием, что приводит к некрозу костей и зубов. При попадании внутрь уран в основном поражает почки.
Всегда ли радиоактивность вредна?
В токсикологии есть поговорка, что «доза делает любую вещь не ядовитой». Хотя воздействие нерегулируемых количеств радиоактивного материала может вызвать серьезные генетические мутации и рак, при регулировании они также могут вылечить рак. Радиоактивный йод используется в лучевой терапии для лечения рака и для визуализации щитовидной железы. Радиоактивный технеций используется для обнаружения пороков сердца, костей и других органов.
Человечество и радиоактивность мирно сосуществовали на протяжении веков. Воздух, которым мы дышим, бананы в наших коктейлях и указатели выхода содержат радиоактивные элементы… но в безопасных количествах! Технически, мы тоже радиоактивны, так как в нашем организме есть очень незначительные количества радиоактивных изотопов калия и углерода. Радиоактивность есть повсюду, и жизнь навсегда остается в долгу перед ней за то, что она держит наше земное ядро поджаренным и обеспечивает нам защиту под уютным магнитным пузырьком.
Однако гипотетически, если вы в конечном итоге отправляетесь в поход в неизвестную страну, и счетчик Гейгера в вашей сумке начинает издавать громкий треск, вам, вероятно, следует просто начать бежать!
Радиоактивный распад
Большинство атомных ядер нестабильно. Рано или поздно они самопроизвольно (или, как говорят физики, спонтанно) распадаются на более мелкие ядра и элементарные частицы, которые принято называть продуктами распада или дочерними элементами. Распадающиеся частицы принято именовать исходными материалами или родителями. У всех нам хорошо знакомых химических веществ (железо, кислород, кальций и т. п.) имеется хотя бы один стабильный изотоп. (Изотопами называются разновидности химического элемента с одним и тем же числом протонов в ядре — это число протонов соответствует порядковому номеру элемента, — но разным числом нейтронов.) Тот факт, что эти вещества нам хорошо известны, свидетельствует об их стабильности — значит, они живут достаточно долго, чтобы в значительных количествах накапливаться в природных условиях, не распадаясь на составляющие. Но у каждого из природных элементов имеются и нестабильные изотопы — их ядра можно получить в процессе ядерных реакций, но долго они не живут, поскольку быстро распадаются.
Распад ядер радиоактивных элементов или изотопов может происходить тремя основными путями, и соответствующие реакции ядерного распада названы тремя первыми буквами греческого алфавита. При альфа-распаде выделяется атом гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов, — его принято называть альфа-частицей. Поскольку альфа-распад влечет за собой понижение числа положительно заряженных протонов в атоме на два, ядро, испустившее альфа-частицу, превращается в ядро элемента, отстоящую на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева. При бета-распаде ядро испускает электрон, а элемент продвигается на одну позицию вперед по периодической таблице (при этом, по существу, нейтрон превращается в протон с излучением этого самого электрона). Наконец, гамма-распад — это распад ядер с излучением фотонов высоких энергий, которые принято называть гамма-лучами. При этом ядро теряет энергию, но химический элемент не видоизменяется.
Однако сам по себе факт нестабильности того или иного изотопа химического элемента отнюдь не означает, что, собрав воедино некоторое число ядер этого изотопа, вы получите картину их одномоментного распада. В реальности распад ядра радиоактивного элемента чем-то напоминает процесс жарки кукурузы при изготовлении поп-корна: зерна (нуклоны) отпадают от «початка» (ядра) по одному, в совершенно непредсказуемом порядке, пока не отвалятся все. Закон, описывающий реакцию радиоактивного распада, собственно, только констатирует этот факт: за фиксированный отрезок времени радиоактивное ядро испускает число нуклонов, пропорциональное числу нуклонов, остающихся в его составе. То есть чем больше зерен-нуклонов всё еще остается в «недожаренном» початке-ядре, тем больше их выделится за фиксированный интервал времени «жарки». При переводе этой метафоры на язык математических формул мы получим уравнение, описывающее радиоактивный распад:
где dN — число нуклонов, испускаемых ядром с общим числом нуклонов N за время dt, а λ — экспериментально определяемая константа радиоактивности исследуемого вещества. Вышеприведенная эмпирическая формула представляет собой линейное дифференциальное уравнение, решением которого является следующая функция, описывающая число нуклонов, остающихся в составе ядра на момент времени t:
где N 0 — число нуклонов в ядре на начальный момент наблюдения.
Константа радиоактивности, таким образом, определяет, насколько быстро распадается ядро. Однако физики-экспериментаторы обычно измеряют не ее, а так называемое время полураспада ядра (то есть срок за который исследуемое ядро испускает половину содержащихся в нем нуклонов). У различных изотопов различных радиоактивных веществ время полураспада варьируется (в полном соответствии с теоретическими предсказаниями) от миллиардных долей секунды до миллиардов лет. То есть некоторые ядра живут практически вечно, а некоторые распадаются буквально моментально (тут важно помнить, что по истечении времени полураспада остается половина совокупной массы исходного вещества, по истечении двух сроков полураспада — четверть его массы, по истечении трех сроков полураспада — одна восьмая и т. д.).
Что касается возникновения радиоактивных элементов, то рождаются они по-разному. В частности, ионосфера (верхний разреженный слой атмосферы) Земли подвергается постоянной бомбардировке космическими лучами, состоящими из частиц с высокими энергиями (см. Элементарные частицы). Под их воздействием долгоживущие атомы и расщепляются на неустойчивые изотопы: в частности, из стабильного азота-14 в земной атмосфере постоянно образуется неустойчивый изотоп углерода-14 с 6 протонами и 8 нейтронами в ядре (см. Радиометрическое датирование).
Но вышеописанный случай — скорее экзотика. Гораздо чаще радиоактивные элементы образуются в цепи реакций ядерного деления. Так называют череду событий, в ходе которых исходное («материнское») ядро распадается на два «дочерних» (также радиоактивных), те, в свою очередь, — на четыре ядра-«внучки» и т. д. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут получены стабильные изотопы. В качестве примера возьмем изотоп урана-238 (92 протона + 146 нейтронов) со временем полураспада около 4,5 млрд лет. Этот период, кстати, приблизительно равен возрасту нашей планеты, что означает, что примерно половина урана-238 из состава первичной материи формирования Земли по-прежнему находится в совокупности элементов земной природы. Уран-238 превращается в торий-234 (90 протонов + 144 нейтрона), время полураспада которого равно 24 суткам. Торий-234 превращается в протактиний-234 (91 протон + 143 нейтрона) со временем полураспада 6 часов — и т. д. После десяти с лишним этапов распада получается, наконец, стабильный изотоп свинца-206.
О радиоактивном распаде можно говорить много, но особо отметить нужно несколько моментов. Во-первых, даже если мы возьмем в качестве исходного материала чистый образец какого-то одного радиоактивного изотопа, он будет распадаться на разные составляющие, и вскоре мы неизбежно получим целый «букет» различных радиоактивных веществ с различными ядерными массами. Во-вторых, естественные цепочки реакций атомного распада успокаивают нас в том смысле, что радиоактивность — явление природное, существовала она задолго до человека, и не нужно брать грех на душу и обвинять одну только человеческую цивилизацию в том, что на Земле имеется радиационный фон. Уран-238 существовал на Земле с самого ее зарождения, распадался, распадается — и будет распадаться, а атомные электростанции ускоряют этот процесс, фактически, на доли процента; так что никакого особо пагубного влияния дополнительно к тому, что предусмотрено природой, они на нас с вами не оказывают.
Наконец, неизбежность радиоактивного атомного распада сопряжена как с потенциальными проблемами, так и с потенциальными возможностями для человечества. В частности, в цепи реакций распада ядер урана-238 образуется радон-222 — благородный газ без цвета, запаха и вкуса, не вступающий ни в какие химические реакции, поскольку он не способен образовывать химические связи. Это инертный газ, и он буквально сочится из недр нашей планеты. Обычно он не оказывает на нас никакого действия — просто растворяется в воздухе и остается там в незначительной концентрации, пока не распадется на еще более легкие элементы. Однако если этот безвредный радон будет долго находиться в непроветриваемом помещении, то со временем там начнут накапливаться продукты его распада — а они для здоровья человека вредны (при вдыхании). Вот так мы получаем так называемую «радоновую проблему».
С другой стороны, радиоактивные свойства химических элементов приносят людям и значительную пользу, если подойти к ним с умом. Радиоактивный фосфор, в частности, теперь вводится в виде инъекций для получения радиографической картины костных переломов. Степень его радиоактивности минимальна и не причиняет вреда здоровью пациента. Поступая в костные ткани организма вместе с обычным фосфором, он излучает достаточно лучей, чтобы зафиксировать их на светочувствительной аппаратуре и получить снимки сломанной кости буквально изнутри. Хирурги, соответственно, получают возможность оперировать сложный перелом не вслепую и наугад, а заранее изучив структуру перелома по таким снимкам. Вообще же, применениям радиографии в науке, технике и медицине несть числа. И все они работают по одному принципу: химические свойства атома (по сути, свойства внешней электронной оболочки) позволяют отнести вещество к определенной химической группе; затем, используя химические свойства этого вещества, атом доставляется «в нужное место», после чего, используя свойство ядер этого элемента к распаду в строгом соответствии с установленным законами физики «графику», регистрируются продукты распада.