5. Радиационное загрязнение

Изотопы и радиоактивное излучение. Изотопы – это атомы элемента с одним и тем же атомным номером, но с различными атомными массами. Термин «изотоп» предложил Содди в 1918 г. для обозначения двух или более веществ с разной массой, занимающих одно и то же место в периодической таблице. Известно 340 естественных изотопов элементов.

A=Z+N,

N=A–Z,

Z=A–N,

где A – массовое число, Z – порядковый номер элемента в периодической системе, равный заряду ядра, числу протонов и числу орбитальных электронов атома, N – число нейтронов.

У легких изотопов A=2Z. Это соотношение выдерживается до кальция - 40. По принципу четности нейтронов и протонов все изотопы могут быть разделены на 4 типа:

Z			N
	Четное		Нечетное
Четное	Четно-четные, 166 изотопов, 168O		Четно-нечетные, 55 изотопов, 94Be
Нечетное	Нечетно-четные, 47 изотопов, 73Li		Нечетно-нечетные, 5 изотопов, 63Li, 105B, 147N, 5023V, 18073Ta

Еще Д. И. Менделеев обнаружил аномальность соотношений для трех пар элементов (более тяжелые элементы с меньшими порядковыми номерами, чем более легкие):

₄₀¹⁸ Ar и ₃₉¹⁹K 19;

₅₉²⁷Co и ₂₈⁵⁸Ni;

₅₂¹²⁸Te и ₅₃¹²⁷I.

Эти и другие аномалии были объяснены с открытием радиоактивности. Радиоактивность – самопроизвольный переход ядер нестабильных атомов в более стабильное состояние. В результате изменений в ядрах атомов выделяется издучение:

α-лучи (ионы гелия);

β-лучи (электроны);

γ-лучи (электромагнитные волны).

Удаление α-частицы из ядра смещает атомный номер в периодической таблице на 2 позиции влево. Массовое число элемента при этом уменьшается на 4 единицы.

При β-распаде массовое число не изменяется. При обычном β-распаде нейтрон превращается в протон с выделением электрона, а атомный номер элемента увеличивается на единицу. При электронном захвате протон переходит в нейтрон в результате перемещения электрона их К-оболочки атома в ядро. Атомный номер при этом уменьшается на единицу, β-излучение отсутствует, но выделяются Х-лучи.

γ-лучи испускаются при возвращении ядра из возбужденного состояния в обычное состояние.

Все три вида излучения являются ионизирующими и способны наносить повреждения биологическим объектам (лучевая болезнь, мутации, образование злокачественных опухолей). Наибольшей проникающей способностью обладает γ-излучение.

Содержание стабильных изотопов часто выражают с помощью формулы:

 = (R_{образец} – R_{стандарт}) / R_{стандарт} · 1000,

где R – соотношение стабильных изотопов (¹³С/¹²С), (³⁴S/³²S), (¹⁸O/¹⁶O) и т. д.

Так, например, ¹³С составляет для атмосферы –7‰, а для ископаемого топлива –26‰, ³⁴S для ископаемых топлив лежит от 0 до +5‰, а для ДМС +20‰. Это позволяет различать источники поступления различных веществ в окружающую среду.

При радиоактивном распаде с изменением атомного номера первоначальный изотоп называется материнским, новообразованный – дочерним.

dN / dt = −N,

где N – число неизмененных атомов, t – время,  – постоянная распада данного радиоактивного изотопа, которую можно выразить как долю распавшихся атомов на один атом в секунду.

Если интегрировать уравнение распада от t=0 до t и от N₀ до N, где N₀ – число атомов при t=0, потенцируем и получаем:

N = N₀ e^−t.

Часто используется период полураспада – время распада половины первоначального числа атомов. Константа распада λ и период полураспада t_½ связаны между собой:

1/2 = e^−λt½ или t_½ = ln2 /λ.

Если P – число материнских атомов в минерале, а D – число дочерних атомов, то

P = (P + D)e^−λt или D = P(e^λt −1).

Отсюда

P /(P + D) = e^−λt,

e^λt = (P + D) / P,

^λt = ln(1+ D/P),

t = 1/λ·ln(1+ D/ P).

Изотопы в окружающей среде. Наибольшую опасность из радиоактивных элементов представляют те, у которых период полураспада составляет от нескольких недель и месяцев до нескольких лет (табл. 36), поскольку короткоживущие изотопы распадаются быстро и не успевают принести существенного вреда, а долгоживущие – слабо радиоактивны.

Таблица 36