Изотопы — это… радиоактивные изотопы, их распад и полураспад

Отравление. Симптомы

Даже выиграть в лотерею миллиард долларов проще, чем где-то встретить полоний. Ведь его производство засекречено правительством, и каждый микрограмм добываемого вещества строго контролируется. Однако если это каким-то образом произошло, то действовать нужно незамедлительно.

Отравление полонием-210 не имеет явных признаков. Но с первого же контакта вещество провоцирует развитие лучевой болезни, которая сопровождается симптомами радиоактивного поражения. Проявляются те же признаки, которые наблюдаются при отравлении иными высокотоксичными металлами. А именно:

• Диарея, тошнота, рвота.
• Гипертония и тахикардия.
• Упадок и усталость.
• Бред, галлюцинации и нарушения сознания.

Это общие признаки. Спустя какое-то время начинается:

• Выпадение волос.
• Резкое старение организма.
• Отказ органов (начинается с печени и почек).
• Полное поражение иммунитета и отвечающей за него лейкоцитарной формулы.
• Нехватка костного мозга и лимфы.

Полоний-210, попав в организм, посредством крови равномерно «расходится» по всему организму. Однородная концентрация наблюдается уже спустя пару часов после случившегося. Сразу же нарушаются обменные процессы, могут появляться судороги и психоз, проблемы с двигательной моторикой. Сердечные приступы, кровавый стул, перепады давления, частичная или полная слепота – все это является последствиями отравления.

Обычные радиоактивные источники

Изменение активности (ГБк) тонны облученного ядерного топлива как функция времени (годы, логарифмический масштаб ).

Большинство радиоактивных источников содержат несколько, а иногда и большое количество радиоактивных изотопов разных периодов. Этот случай является обычным, поскольку продукт распада радиоактивного изотопа обычно сам по себе является радиоактивным. В этом случае кривая спада активности довольно далека от убывающей экспоненциальной функции, как показано кривой напротив.

Таким образом, понятие периода полураспада не имеет отношения к характеристике радиоактивного распада обычного источника, такого как отработавшее ядерное топливо или радиоактивные отходы .

Многоликий цезий

В природе цезий встречается исключительно в виде стабильного изотопа Cs-133. Но современная физика знает 39 искусственно созданных радионуклидов (радиоактивных изотопов).

Напомним, что изотопы – это разновидности атома элемента с различным количеством нейтронов в их ядрах.

Дольше всех (до 2,3 миллиона лет) живет изотоп Cs-135, второй по периоду полураспада – цезий-137. Именно последний является виновником радиационного загрязнения нашей планеты. Период полураспада цезия-137 в секундах – 952066726, что составляет 30,17 года.

Данный изотоп образуется при распаде ядер в ядерном реакторе, а также при испытаниях оружия с ядерными боеголовками.

Вероятностный характер

Моделирование множества идентичных атомов, подвергающихся радиоактивному распаду, начиная с 4 атомов в коробке (слева) или 400 (справа). Число вверху показывает, сколько полураспада прошло

Обратите внимание на следствие закона больших чисел : чем больше атомов, тем общий распад более регулярный и более предсказуемый.

Период полураспада обычно описывает распад дискретных объектов, таких как радиоактивные атомы. В этом случае нельзя использовать определение, которое гласит, что «период полураспада — это время, необходимое для распада ровно половины объектов». Например, если имеется только один радиоактивный атом, а его период полураспада составляет одну секунду, через одну секунду не останется «половины атома».

Вместо этого период полураспада определяется с точки зрения вероятности : «Период полураспада — это время, необходимое для разложения ровно половины объектов в среднем ». Другими словами, вероятность распада радиоактивного атома в период полураспада составляет 50%.

Например, изображение справа представляет собой симуляцию множества идентичных атомов, подвергающихся радиоактивному распаду

Обратите внимание, что после одного периода полураспада остается не точно половина атомов, только приблизительно , из-за случайного изменения в процессе. Тем не менее, когда распадается много идентичных атомов (правые прямоугольники), закон больших чисел предполагает, что это очень хорошее приближение, чтобы сказать, что половина атомов остается после одного периода полураспада.

Различные простые упражнения могут продемонстрировать вероятностный распад, например, с подбрасыванием монет или запуском статистической компьютерной программы .

Обогащение ископаемых

В некоторых отраслях науки и техники использование относительно большого количества радиоактивных веществ считается обязательным. Но при этом в естественных условиях таких соединений совсем немного.

Известно, что изотопы – это нераспространенные варианты химических элементов. Количество их измеряется несколькими процентами от самой стойкой разновидности. Именно поэтому ученым необходимо проводить искусственное обогащение ископаемых материалов.

За годы исследований удалось узнать, что распад изотопа сопровождается цепной реакцией. Освобожденные нейтроны одного вещества начинают влиять на другое. В результате этого тяжелые ядра распадаются на более легкие и получаются новые химические элементы.

Это явление получило название цепной реакции, в результате которой можно получить более стойкие, но менее распространенные изотопы, которые в дальнейшем используются в народном хозяйстве.

Токсичность

У рассматриваемого элемента очень большая удельная активность – целых 166 ТБк/г. Под данным термином подразумевается количество осуществляемых в единицу времени радиоактивных распадов – спонтанного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер.

Данное вещество излучает только альфа-частицы – положительно заряженные, образованные 2 протонами и 2 нейтронами. Но даже несмотря на это, его запрещено брать руками. Коснувшись этого мягкого серебристо-белого металла, человек гарантированно заработает лучевое поражение кожи как минимум. И высока вероятность того, что оно распространится по всему организму. Потому что изотоп легко проникает внутрь через кожные покровы.

Опасен он и на расстоянии, которое превышает длину преодоления альфа-частиц. Все потому, что они начинают самостоятельно нагреваться, вследствие чего переходят в аэрозольное состояние.

Это что касательно токсичности и распада полония-210. Но еще есть изотопы 208 и 209 – более долгоживущие. У 208-го период полураспада составляет 2,898 года. А у 209-го – и вовсе 103 года. Они менее токсичны. А об остальных изотопах и их радиотоксичности практически нет сведений, поскольку они являются короткоживущими.

10 9 секунд (гигасекунды)

изотоп	период полураспада
годы	10 9 секунд
висмут-207	32,9	1.04
титан-44	63	2.0
уран-232	68,9	2,17
плутоний-238	87,7	2,77
самарий-151	96,6	3,05
никель-63	100,1	3,16
полоний-209	125,2	3,95
америций-242m1	141	4.4
кремний-32	170	5,4
аргон-39	269	8,5
берклий-248	> 300	> 9,5
калифорний-249	351	11.1
серебро-108м	418	13,2
америций-241	432,2	13,64
ртуть-194	444	14.0
ниобий-91	680	21 год
калифорний-251	900	28 год
гольмий-166m1	1,200	38
берклий-247	1,380	44 год
радий-226	1,600	50
молибден-93	4 000	130
гольмий-163	4,570	144
кюрий-246	4 760	150
углерод-14	5730	181
плутоний-240	6 561	207,0
торий-229	7,340	232
америций-243	7 370	233
кюрий-250	8 300	260
кюрий-245	8 500	270
ниобий-94	20 300	640
плутоний-239	24 110	761

Немного истории

В начале прошлого века ученые обнаружили, что у одного и того же химического соединения в разных условиях могут наблюдаться разные массы ядер электронов. С чисто теоретической точки зрения, такие элементы можно было посчитать новыми и начать заполнять ими пустые клеточки в периодической таблице Д. Менделеева. Но свободных ячеек в ней всего девять, а новые элементы ученые открывали десятками. К тому же и математические подсчеты показали, что обнаруженные соединения не могут считаться ранее не известными, ведь их химические свойства полностью соответствовали характеристикам уже существующих.

После длительных обсуждений было решено назвать эти элементы изотопами и помещать их в одну клеточку с теми, ядра которых содержат с ними одинаковое количество электронов. Ученым удалось определить, что изотопы – это всего лишь некоторые вариации химических элементов. Однако причины их возникновения и длительность жизни изучались еще почти целое столетие. Даже в начале XXI века утверждать, что человечество знает абсолютно все об изотопах, нельзя.

Различные научные контексты

В биологии и фармакологии

В биологии период полураспада фермента — это время, за которое фермент теряет половину своей удельной активности из-за денатурации и инактивации.

В фармакологии период полураспада означает время, необходимое для снижения концентрации вещества, содержащегося в биологической системе, до половины от исходного значения (например, концентрации лекарственного средства в плазме крови ).

Этот параметр незначительно варьируется от одного человека к другому, в зависимости от процесса выведения и относительного функционирования индивидуума.

На практике считается, что лекарство перестает оказывать фармакологический эффект после пяти-семи периодов полураспада.

В химии

Для химической реакции понятие периода полураспада называется временем полураспада .

Разница между периодом полураспада и полуреакцией

В простом случае, например, для реакции по уравнению A → P, приведенное выше определение времени полужизни полностью применимо к времени полураспада. С другой стороны, в общем случае это определение неверно, как показывают следующие два примера:

• Случай реакции уравнения A + B → P с начальными условиями для количества вещества n (A) = 10 моль и n (B) = 1 моль. Когда время полужизни достигнуто, оставшееся количество A составляет не n (A) / 2, которое было бы 5 моль, а n (A) = 9,5 моль.
• Случай сбалансированной реакции A = P с константой равновесия K = 0,25 с начальным условием n (A) = 10 моль и n (P) = 0 моль. В состоянии равновесия n (A) _экв = 8 моль и n (P) _экв = 2 моль. Время полуреакции — это время, по истечении которого n (A) = 9 моль (а не время, после которого n (A) = 5 моль, ситуация, которая никогда не произойдет в этом случае).

Эти два примера показывают, что необходимо другое определение времени полураспада, чем то, которое дано для времени полураспада. Обычно дается определение: «Время полуреакции — это время, по истечении которого достигается половина окончательного продвижения ». Говоря менее научным языком, это время, по истечении которого достигается половина возможной эволюции или даже время, за которое половина того, что должно быть сделано, делается.

ИЮПАК дает следующее определение

Для данной реакции время полуреакции t1 / 2 реагента — это время, в течение которого его концентрация достигает значения, которое является средним арифметическим между его концентрацией в исходном состоянии и в конечном состоянии (на балансе).

Случай реакций 1-го порядка

Если реакции порядка 1 интересны, потому что половина времени реакции не зависит от начальных условий. Закон скорости (для уравнения A → P) имеет вид

speed = -d / dt = k (где k — постоянная скорости)

Время полуреакции τ _1/2 = ln (2) / k

Тот факт, что время полуреакции не зависит от начальной концентрации, характерен для порядка 1.

Случай других реакций

Все реакции, которые не относятся к порядку 1, имеют время полупериода, которое зависит от начальной концентрации.

Случай порядка 2

Время полуреакции в случае кинетики порядка 2, закон скорости которой имеет вид

скорость реакции = k 2

время полуреакции τ _1/2 = / k

Случай порядка 0

Время полуреакции в случае кинетики порядка 0, закон скорости которой имеет вид

скорость реакции = k

время полуреакции τ _1/2 = / 2k

Случай разложения

В случае некоторых молекул, которые демонстрируют низкую стабильность и которые разлагаются, обычно превращаясь в другие молекулярные частицы, приводит к уравнению A → P. В этом случае определение периода полураспада эквивалентно определению, предполагающему развитие. Это разложение не происходит мгновенно, но вызывает уменьшение количества молекул в зависимости от времени, время полуреакции характеризует это уменьшение, указывая время, по истечении которого количество молекул уменьшается вдвое. Этот период полураспада молекулы зависит от температуры .

В физике период полураспада (или период) радиоактивного изотопа — это время, по истечении которого половина ядер этого изначально присутствующего изотопа распалась . Если нет другого образования таких ядер (как продуктов ядерной реакции или распада других радиоизотопов ), это также время, по истечении которого количество ядер рассматриваемого изотопа уменьшается вдвое.

Средняя активность

Элемент активности

Мы называем «  активностью  » количество распадов в секунду образца, состоящего из N радиоактивных ядер. Средняя активность выражается в беккерелях (Бк), что представляет собой скорость распада ядра (количество распадов в секунду).
В{\ displaystyle A}

Активность радиоизотопа математически связана с периодом его полураспада следующим образом:

Математическая связь между активностью и средней жизнью

Мы замечаем :

В(т)знак равно|Δнет|Δтзнак равно-δНЕТδт{\ displaystyle A (t) = {\ frac {| \ Delta n |} {\ Delta t}} = — {\ frac {\ delta N} {\ delta t}}}

или же :

• |Δнет|{\ displaystyle | \ Delta n |} количество ядер, распавшихся за период Δт{\ displaystyle \ Delta t}
• -δНЕТδт{\ displaystyle — {\ frac {\ delta N} {\ delta t}}} изменение количества неразрушенных ядер, которое неизбежно будет отрицательным в течение положительного периода (поскольку ядра распадаются и, следовательно, их количество уменьшается).

Путем дифференцирования сразу получаем:

Взнак равноНЕТ.λ.е-λ.т{\ displaystyle A = N_ {0}. \ lambda .e ^ {- \ lambda .t}}

Заменяя радиоактивное постоянство λ на его значение, выраженное в периоде полураспада, мы видим, что активность обратно пропорциональна периоду полураспада элемента:

Взнак равноНЕТ.λзнак равноНЕТ.пер⁡(2)т12{\ displaystyle A = N. \ lambda = N. {\ frac {\ ln (2)} {t_ {1/2}}}}

Беккерель — очень маленькая единица. Когда радиоактивный элемент присутствует в метрических количествах, количество задействованных атомов порядка числа Авогадро , то есть 6,02 × 10 23 . Для элемента с периодом полураспада один миллион лет, или 30 × 10 ^ 12 секунд, один моль радиоактивного материала будет иметь активность порядка 20×10 ^ 9 Бк.

Это число (несколько миллиардов беккерелей) кажется высоким, но относительно незначительным с точки зрения радиационной защиты  : даже для активности порядка тысячи беккерелей обычно встречаются бесконечно малые доли молей  ; со своей стороны, типичные порядки радиотоксичности выражаются в мкЗв / Бк; миллионы беккерелей необходимы для достижения значительных результатов с точки зрения радиационной защиты .

Активность смеси во времени

В общем, радиоактивный изотоп проявляет специфическую активность, которая тем больше, чем меньше период его полураспада. Поэтому сильная радиоактивность быстро исчезает в геологическом масштабе. Очень радиоактивные материалы являются радиоактивными только в течение относительно короткого времени, а долгоживущая радиоактивность (в геологическом масштабе) может достигать только относительно низких уровней радиоактивности.

В случае смеси, такой как продукты деления , после определенного времени охлаждения в радиоактивности преобладают радиоизотопы , период полураспада которых порядка величины этого времени охлаждения: радиоизотопы, период полураспада которых значительно короче, распадаются быстрее. , а их уровень остаточной радиоактивности незначителен; а те, которые имеют значительно более длительный период полураспада, менее радиоактивны, и их уровень радиоактивности перекрывается уровнем более активных элементов.

Таким образом, в случае продуктов деления, которые составляют основную часть отходов HAVL  :

• Примерно через тридцать лет, доминирующая Радиоактивность является то , что цезий — 137 (30 лет) и стронций 90 (28,8 лет), которые имеют удельную активность порядка 3,3 и 5,2. Т Ки / г соответственно. Так как эти два элемента представляют порядка 10% от продуктов деления, продукты деления , то есть общую активность по массе порядка нескольких сотен G Бк / г .
• Спустя примерно десять тысяч лет преобладающей радиоактивностью становится технеций-99 (211000 лет), который составляет около 5% продуктов деления. Его активность по массе будучи 630 M Бк / г , активность по массе продуктов деления тогда порядка 31 МБк / г.
• Поскольку ни один продукт деления не имеет срока службы от ста до десяти тысяч лет, активность технеция — это активность продуктов деления в течение всего этого временного интервала.

Евростандарты

Существенным моментом, влияющим на состояние исторических зданий, по словам Николая Троневского, стал повсеместный евроремонт и требования пожарных.

— Около пяти лет назад в домах начали массово заменять старинные черепичные крыши на металлочерепицу, сводчатые окна менять на дешевый прямоугольный пластик, полускатные мансарды достраивать полноценными этажами, утеплять стены минеральной ватой, покрывать страшными покрытиями. Всё это до неузнаваемости меняло облик зданий и приобрело массовый характер. Взять тот же Даркемен (современный Озерск), Тапиау (сейчас Гвардейск), где исторический ландшафт целых улиц не менялся с 1945 года. Там можно было увидеть старинные деревянные двери. А теперь их выкинули, вместо них поставили убогие — просто лист металла. Но, по стандартам пожарных, они там должны быть. К сожалению, нет понимания, что наследие нужно сохранять и резные двери, оставшиеся с довоенных времен, можно отреставрировать или хотя бы заменить на аналогичные, сделанные по образцу исторических, как это, к примеру, делают в соседнем Гданьске… Ведь двери, декоративные элементы, лепнина — это то, ради чего туристы могут специально приехать в небольшой городок. Но у нас всё приводят под одни стандарты, и мы скоро спальные районы Омска не отличим от наших старинных городов, — сокрушается Троневский.

Кирха в поселке Высокое

Три года назад вместе с другими краеведами, Александром Казенновым и Василием Савчуком, он создал в соцсетях группу под названием «Прусский наблюдатель», в которой они выкладывают материалы о разрушении бывшей Восточной Пруссии.

Средневековый провал

В Калининградской области есть уникальный населенный пункт — поселок Железнодорожный, бывший Гердауэн, в котором еще несколько лет назад можно было снимать фильмы про Средневековье. Однако за последние годы уникальные фахверковые здания развалились, окна в них заменили на современный пластик, а фасады изуродовали мотками толстых черных проводов и «умными» электросчетчиками. При этом в поселке сложно найти кафе или общественный туалет, к старинной кирхе пристроены гаражи, а в воздухе чувствуется запах дыма — жители поселка всё еще отапливают дома дровами или углем.

В начале декабря во время «прямой линии» губернатор Калининградской области Антон Алиханов рассказал, что областной бюджет планирует вложить в Железнодорожный 75 млн рублей, чтобы привести его в подобающий вид.

— У нас благодаря решениям по нацпроектам появились свободные деньги, которые на нас нечаянно свалились, и мы в следующем году 23 дома в центральной части Железнодорожного, исторических старых немецких дома, приведем в нормальный вид, капитально отремонтируем, восстановим крыши, фасады… Там есть несколько объектов культурного наследия, которые мы все-таки планируем изъять из собственности в судебном порядке у владельцев, которые не следят за ними, они просто разрушаются постепенно в центре города. Надеюсь, в ближайшее время тоже эту работу завершим, — пообещал губернатор.

01_Железнодорожный (Гердауэн)-2018

Поселок Железнодорожный

Фото: Марина Сергеева

04_Железнодорожный (Гердауэн)-2018-2

Поселок Железнодорожный

Фото: Марина Сергеева

05_Железнодорожный (Гердауэн)-2018-3

Поселок Железнодорожный

Фото: Марина Сергеева

02_Железнодорожный (Гердауэн)-2018-4

Поселок Железнодорожный

Фото: Марина Сергеева

03_Железнодорожный (Гердауэн)-2018-1

Поселок Железнодорожный

Фото: Марина Сергеева

Впрочем, у Николая Троневского есть сомнения по поводу того, что эти вложения когда-нибудь окупятся.

— Если брать для примера Гданьск, в восстановление которого вложены колоссальные деньги, то там отдача есть — в бывший Данциг приезжают миллионы туристов, там можно открыть кафе, гостиницу. Наша область, во-первых, всё равно остается закрытой. И во-вторых, кто поедет в Железнодорожный за 80 км от Калининграда? Туристы, приезжающие в Калининградскую область, обычно отправляются на побережье — там хорошие дороги, кафе, отели. А что в Железнодорожном? Десять лет назад один калининградский предприниматель продал в областном центре процветающее кафе и решил купить убитое здание в Железнодорожном, чтобы открыть там ресторан. Но я за 10 лет попал туда всего лишь раз. Ну отремонтируют там здания — а дальше что? Поедут миллионы туристов? Сомневаюсь. А пока потока туристов нет — нет интереса у коммерсантов открывать там что-то.

Распад изотопов

Поскольку изотопы – это нестойкие образования, можно предположить, что они по прошествии времени всегда распадаются на более постоянные ядра химических элементов. Это утверждение верно, поскольку ученым не удалось обнаружить в природе огромного количества радиоактивных изотопов. Да и большинство из тех, которые были добыты в лабораториях, просуществовали от пары минут до нескольких дней, а потом снова превратились в обычные химические элементы.

Но есть в природе и такие изотопы, которые оказываются очень устойчивыми к распаду. Они могут существовать миллиарды лет. Образовались такие элементы в те далекие времена, когда земля еще формировалась, а на ее поверхности не было даже твердой коры.

Радиоактивные изотопы распадаются и вновь образуются очень быстро. Поэтому с той целью, чтобы облегчить оценку стойкости изотопа, учеными было принято решение рассматривать категорию периода его полураспада.

Как действовать?

То, удастся ли спасти человека от губительного контакта с этим веществом, зависит не от периода полураспада полония-210, и даже не от того, какое количество металла или испарений оказало воздействие. А от лечения и своевременной помощи. Вот как нужно действовать:

• При прикосновении к металлу сразу же промыть этот участок тела, применив большое количество стирального порошка или хозяйственного мыла.
• При попадании изотопа в пищевод надо немедля вызвать рвоту. Поскольку счет идет на секунды, для этого применяются подкожные инъекции апоморфина. И прием слабительного – введение клизмой сульфата натрия и магния.

Естественно, перед этим необходимо вызвать скорую. В таких случаях квалифицированная медицинская помощь первостепенна.

В течении полугода-года изотоп может быть выведен из организма почками. Но за это время он накопится и причинит вред (облысение, например).

Если вещество успело впитаться в ткань органов, медики используют химические соединения из оксатиола и унитиола. Эти препараты могут «извлечь» полоний-210 и вывести наружу. В течение как минимум недели пострадавшему придется лежать под капельницей.

Пожарная опасность пенополиуретанов («Выделение полного набора боевых отравляющих веществ»)

В отличие от пенополистирола жесткий пенополиуретан является инертным по токсичности полимером с нейтральным запахом. По этой причине он широко применяется для холодильников при хранении пищевых продуктов. Пенополиуретан не создает токсичных выделений, вызывающих заболевания человека или приводящих к летальному исходу.

Но в результате горения пенополиуретанов и пенополиизоциануратов всегда образуется смесь низкомолекулярных продуктов термического разложения и продуктов их горения. Состав смеси зависит от температуры и доступа кислорода.

Процесс диссоциации пенополиуретана в исходные компоненты — полиизоцианат и полиол — начинается после прогрева материала до 170-200°С.

При продолжительном воздействие высоких температур свыше 250 °С происходит постепенное разложение большинства термореактивных пластмасс, а также жестких пенополиуретанов.

При нагревании изоцианатной составляющей свыше 300°С, она разлагается с образованием летучих полимочевин (желтый дым) в случае эластичных пенополиуретанов или образованием нелетучих поликарбодиммидов и полимочевин в случае жестких пенополиуретанов и пенополиизоциануратов. Происходит термическое разложение полиизоцианата и полиола.

При температурах, превышающих 300°С начинается деструкция пенополиизоцианурата, содержащего, в отличие от пенополиуретана, более устойчивый изоциануратный цикл. Температура, при которой образуется достаточное количество горючих продуктов разложения, которые могут воспламеняться от пламени, искр или горючих поверхностей, для жестких пенополиуретанов от 320 °С.

Для жестких пенополиуретанов на основе специальных марок полиизоцианата температура разложения с выделением горючих газов находится в пределах от 370 °С до 420 °С. Кроме того, в процессе разложения различных пенополиуретанов при нагреве до 450 °С определены следующие соединения: двуокись углерода (углекислый газ), бутандиен, тетрагидрофуран, дигидрофуран, бутандион, вода, синильная (цианистая) кислота и окись углерода (угарный газ).