Радионуклиды — определение, виды, свойства¶

Радионуклиды (радиоактивные нуклиды) — атомные ядра химических элементов, обладающие радиоактивностью, то есть способные к самопроизвольному распаду с испусканием ионизирующего излучения и/или переходом в другое ядерное состояние. Радионуклидами являются все ядра нестабильных (радиоактивных) изотопов: от природных, существующих в природе миллиарды лет (например, уран-238, торий-232, калий-40), до искусственных, полученных в ядерных реакторах и ускорителях (например, технеций-99м, кобальт-60, цезий-137).

¶Основные характеристики

Ключевые параметры, определяющие свойства радионуклида:

• Период полураспада (T½) — время, за которое распадается половина данного числа ядер. Варьируется от долей секунды (полоний-214, T½ ≈ 164 мкс) до миллиардов лет (уран-238, T½ ≈ 4,47 млрд лет).
• Вид распада — альфа-, бета-минус, бета-плюс, электронный захват, изомерный переход, спонтанное деление.
• Энергия излучения — характерный набор энергий альфа-, бета- и гамма-квантов, служащий «отпечатком» конкретного нуклида при идентификации.
• Удельная активность — активность единицы массы вещества (Бк/г), обратно пропорциональная произведению периода полураспада и атомной массы.

¶Классификация

По происхождению радионуклиды делятся на:

1. Природные — существовали до образования Земли или возникли в её недрах. К ним относятся три семейства радиоактивных рядов (уран-238, уран-235 и торий-232), а также «ветвящиеся» нуклиды (калий-40, рубидий-87, самарий-147 и др.). Совокупная радиоактивность природных нуклидов в коре оценивается примерно в 10¹⁵ Бк.
2. Искусственные (техногенные) — получены человеком. Основные источники: ядерные реакторы (продукты деления — цезий-137, стронций-90, технеций-99; продукты наведённой активации — кобальт-60), ядерные испытания (тритий, углерод-14, стронций-90), ускорители частиц, медицинские генераторы.

По происхождению в ядерной физике различают также нуклиды первичные (существовавшие до образования Солнечной системы) и космогенные (образованные космическими лучами, например углерод-14, тритий, бериллий-7).

¶Основные виды радиоактивного распада

¶Природные радиоактивные ряды

Три основных природных ряда образованы последовательными распадами длинноживущих родоначальных нуклидов:

• Уран-238 (T½ = 4,47 млрд лет) — через цепочку из 14 распадов превращается в свинец-206. Промежуточные продукты включают радон-222, радий-226, полоний-210.
• Уран-235 (T½ = 704 млн лет) — заканчивается свинцом-207. Промежуточные продукты — актиний-227, радий-223, радон-219.
• Торий-232 (T½ = 14,05 млрд лет) — заканчивается свинцом-208. Промежуточные продукты — радий-228, торон (радон-220).

Все три ряда начинаются с альфа-распада и содержат по одному бета-распаду в каждом «альфа-шаге», что приводит к уменьшению атомного номера на 2 и массового числа на 4 за цикл.

¶Радионуклиды в природе и техногенезе

Природная радиоактивность присутствует во всех объектах биосферы: горных породах, почве, воде, воздухе, пищевых продуктах и живых организмах. Среди природных радионуклидов наибольшее практическое значение имеют:

• Калий-40 (T½ = 1,25 млрд лет) — содержится во всех природных калийсодержащих соединениях; на него приходится основная доля естественной радиоактивности тела человека (около 4,5 тыс. Бк для взрослого).
• Углерод-14 (T½ = 5730 лет) — постоянно образуется в атмосфере под действием космических лучей, включается в органические вещества; применяется для датирования археологических и геологических находок.
• Радон-222 (T½ = 3,82 суток) — газообразный продукт распада урана-238, проникает из почвы в здания; основной источник облучения населения от природных источников (в среднем около 1 мЗв/год из суммарного природного фона ~2,4 мЗв/год).

Техногенные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате аварий на АЭС (цезий-137, стронций-90, йод-131), испытаний ядерного оружия, работы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, сбросов жидких радиоактивных отходов. Цезий-137 (T½ = 30,17 лет) и стронций-90 (T½ = 28,8 лет) — наиболее значимые долгоживущие загрязнители после Чернобыльской аварии 1986 года на территории России, Беларуси и Украины.

¶Применение

Радионуклиды широко используются в медицине, промышленности и науке:

• Медицина: диагностика — технеций-99м (самый распространённый радиофармпрепарат в ядерной медицине), фтор-18 (ПЭТ), йод-131 (диагностика и лечение заболеваний щитовидной железы); терапия — кобальт-60 (гамма-терапия), иридий-192 (брахитерапия), лютеций-177, актиний-225 (тераностика).
• Промышленность: неразрушающий контроль сварных швов и отливок (кобальт-60, иридий-192), радиография, дефектоскопия, измерение уровней и толщины (цезий-137, америциум-241).
• Наука и техника: радиоизотопные источники энергии (плутоний-238 в космических аппаратах, стронций-90 в маяках и навигационных системах), радиоуглеродное датирование, трассирование потоков, радиометрия.

¶Радионуклиды и радиационная безопасность

Действие радионуклидов на биологические объекты определяется ионизирующим излучением, порождаемым при распаде. Основные нормативные понятия: активность (единица — беккерель, 1 Бк = 1 распад/с), поглощённая доза (грей), эквивалентная и эффективная доза (зиверт). Контроль содержания радионуклидов в пищевых продуктах, питьевой воде и объектах окружающей среды осуществляется в соответствии с санитарными нормами (СанПиН), устанавливает предельно допустимые концентрации для каждого нуклида.

В России мониторинг радиоактивного загрязнения ведётся Гидрометцентром, Роспотребнадзором, МЧС и профильными научными институтами (например, Обнинским филиалом Физико-энергетического института им. А. И. Лейпунского).

¶История открытия

Термин «радиоактивность» введён Анри Беккерелем в 1896 году после открытия им излучения урановых солей. Понятие радиоактивного распада как превращения одного нуклида в другой разработано в 1902 году Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди. Термин «нуклид» предложен Арчибальдом Тьюи в 1947 году. Систематическое производство искусственных радионуклидов началось в 1930-х годах после создания первых циклотронов (Эрнест Лоуренс) и открытия нейтрона (Джеймс Чедвик, 1932).