Калий 40 выведение из организма. Радиоактивные вещества в природе. "Чердак" рассказывает, какие радиоактивные вещества появились до человека. Откуда радиоактивный калий в воде
В 1807 г. английский химик Дэви электролизом твердого едкого кали (КОН) выделил калий и назвал его «потассий» (лат. Potassium, этоназвание до сих пор употребительно в английском, французском, испанском, португальском и польском языках). В 1809 г. Л.В.Гильберт предложил название «калий» (лат.Kalium от арабского аль-кали – поташ).
Калий - элемент главной подгруппы первой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева с атомным номером 19. Обозначается символом К – (лат. kalium). Простое вещество калий - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. Очень лёгок и легкоплавок. В природе в свободном состоянии не встречается, а только в соединениях с другими элементами, например в морской воде, а также во многих минералах. Он очень быстро окисляется на воздухе и легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щелочь.
Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они все же отличаются. Растворимость едкого калия при 20°С в 100 г. воды составляет 112 г. Относительно хорошо растворяется в ртути, образуя амальгамы .
Природный элемент калий состоит из трех изотопов: 39 К (93,98 %), 40 К (0,0119 %) и 41 К (6,91 %). Из них 40 К является радиоактивным изотопом с периодом полураспада 1,3·10 9 года. Радиоактивный распад проходит по схеме:
Радиоизотоп 40 К составляет около 0,012 % природного калия. Обычная питьевая вода содержит около 2,5 ч. на 1 млн калия или 3 10 мг/л 40 К. Эта концентрация примерно эквивалентна 2 мкКюри/л или 2 10 мкКюри/мл.
Так как в природных условиях изотопный состав элементов не меняется, то всюду, где бы ни находился элемент калия, он всегда сопровождается своим радиоактивным изотопом 40 К и, следовательно, постоянно излучает поток электронов и γ-кванты. В каждом грамме природного калия в секунду распадается в среднем 32 ядра 40 К, благодаря чему, например, в организме человека весом 70 кг ежесекундно происходит около 4000 радиоактивных распадов. 40 К считается одним из основных источников геотермальной энергии, выделяемой в недрах Земли (мощность оценивается в 44 ТВт).
В минералах, содержащих калий, постепенно накапливается 40 Аг, один из продуктов распада калия-40, что позволяет измерять возраст горных пород; калий-аргоновый метод является одним из основных методов ядерной геохронологии. В качестве примера успехов, достигнутых с помощью калий-аргонового метода, рассматривают проведенную датировку инверсий магнитного поля Земли.
Калий, как и другие щелочные металлы, получают электролизом расплавленных хлоридов или щелочей .Калий, как и другие щелочные металлы, проявляет типичные металлические свойства и химически активен, легко отдаёт электроны. Он настолько активно соединяется с кислородом, что образуется не оксид, а супероксид калия КО 2 (или К 2 О). Является сильным восстановителем. Пероксиды являются сильными окислителями, поэтому их применяют для отбеливания тканей в текстильной промышленности.
Свойство обменивать углекислый газ на кислород используется в изолирующих противогазах и на подводных лодках. В качестве поглотителя используют эквимолярную смесь супероксида калия и пероксида натрия. Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в замкнутых системах, например, в атомных силовых установках на быстрых нейтронах. Кроме того, широко применяются его жидкие сплавы с рубидием и цезием. Сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % обладает рекордно низкой температурой плавления -78°С. Соединения калия - важнейший биогенный элемент и потому применяются в качестве удобрений.
Соли калия широко используются в гальванотехнике, так как, несмотря на относительно высокую стоимость, они более растворимы, чем соответствующие соли натрия, и потому обеспечивают интенсивную работу электролитов при повышенной плотности тока. Перхлорат и хлорат (бертолетова соль) используются в производстве спичек, ракетных порохов, осветительных зарядов, взрывчатых веществ, в гальванотехнике. Перманганат калия - сильный окислитель и используется как антисептическое средство в медицине и для лабораторного получения кислорода, тартрат натрия-калия (сегнетова соль) в качестве пьезоэлектрика, а дигидрофосфат и дидейтерофосфат – в виде монокристаллов в лазерной технике.
Пероксид калия и супероксид калия используются для регенерации воздуха на подводных лодках и в изолирующих противогазах (поглощает углекислой газ с выделением кислорода). Фтороборат калия - важный флюс для пайки сталей и цветных металлов. Цианид калия применяется в гальванотехнике (серебрение, золочение), при добыче золота и при нитроцементации стали. Бихромат (хромпик) – сильный окислитель, используется для приготовления «хромовой смеси» для мытья химической посуды и при обработке кожи (дубление). Также используется для очистки ацетилена на ацетиленовых заводах от аммиака, сероводорода и фосфина. Калий совместно с перекисью калия применяется при термохимическом разложении воды на водород и кислород(калиевый цикл «Газ де Франс», Франция).
Калий является неотъемлемым элементом живых организмов. Хотя 40 К может составлять от 5 до 50 % природной β-активности питьевой воды, содержание этого изотопа в воде не считается опасным для здоровья. Проникнув в организм человека, 40 К отчасти концентрируется в половых клетках, но в силу своей низкой удельной активности и небольшой концентрации в воде он не относится к опасным радиоизотопам. Из окружающей природной среды (ОПС) он поступает в основном в виде хлористых и углекислых солей, распределяется по всему живому организму и присутствует в любой его ткани, клетке, субклеточных органеллах. Его содержание регулируется специальными физиологическими системами. Калий принимает участие в ряде биохимических и биофизических процессов.
Калий-40 является основным радионуклидом, обусловливающим постоянное внутреннее γ- и β-облучение живых тел. Живые организмы, постоянно поглощая калий из ОПС, накапливают в себе значительные количества 40 К. Так, например, его содержание в морских микроорганизмах – 330-600 Бк/кг, водорослях – 570-800, в мышцах морских организмов – 57-216 Бк/кг сухого веса при его содержании в морской воде 12-15 Бк/кг. Из почвы 40 К поступает через корневую систему в растения и с растительной пищей – в организмы животных. В табл.9 представлено содержание 40 К в растениях .
Таблица 9
Содержание калия-40 в растениях, употребляемых в пищу, Бк/кг
Примечание.
Особо богаты 40 К: фасоль – 299, картофель – 174, орехи – 210, клюква – 355 Бк/кг.
Калий - важнейший биогенный элемент, особенно в растительном мире. При недостатке калия в почве растения развиваются плохо, уменьшается урожай. Поэтому около 90% добываемых солей калия используются в качестве удобрений.
Для различных полевых растений концентрация калия варьирует в десятки раз, повышаясь у высших цветковых растений, снижаясь у голосемянных и имея низшие значения у мхов и лишайников. У высших растений доля участия 40 К в общей β-активности золы может достигать 50-60 %. С растительной пищей 40 К поступает в организм животных и человека. Его распределение по тканям человеческого организма показано в табл. 10.
Калий содержится большей частью в клетках, до 40 раз больше, чем в межклеточном пространстве. В процессе функционирования клеток избыточный калий покидает цитоплазму, поэтому для сохранения концентрации он должен нагнетаться обратно при помощи натрий-калиевого насоса. Калий и натрий между собой функционально связаны и выполняют следующие функции: создание условий для возникновения мембранного потенциала и мышечных сокращений; поддержание осмотической концентрации крови и кислотно-щелочного баланса; нормализация водного баланса; обеспечение мембранного транспорта; активация многих ферментов; нормализация ритмов сердца.
Рекомендуемая суточная доля калия составляет для детей от 600 до 1700 мг, для взрослых от 1800 до 5000 миллиграмм. Потребность в калии зависит от общего веса тела, физической активности, физиологического состояния и климата места проживания. Рвота, продолжительные поносы, обильное потение, использование мочегонных средств повышают потребность организма в калии.
Усвоение калия облегчает витамин В6, затрудняет - алкоголь. При недостатке калия развивается гипокалиемия. Возникают нарушения работы сердечной и скелетной мускулатуры. Продолжительный дефицит калия может быть причиной острой невралгии. При переизбытке калия развивается гиперкалиемия, для которой основным симптомом является язва тонкого кишечника. Настоящая гиперкалиемия может вызвать остановку сердца.
Калий-40 входит в состав многих земных пород, минералов и почв и вносит свой вклад во внешнее облучение биоты. Значение 40 К как внешнего облучателя особенно велико для обитателей почвы – микрофлоры, корней растений, почвенной фауны, на которые воздействуют излучения при непосредственном соприкосновении с излучателем. Во внешнем облучении наземных растений и животных основное место принадлежит γ-квантам 40 К .
Таблица 10
Концентрация калия-40 в тканях человеческого организма
| Название ткани | Средняя концентрация, г/кг ткани | Концентрация активности, Бк/кг ткани |
| Тимус | 0,6 | |
| Кожа | 0,8 | |
| Щитовидная железа | 1,2 | |
| Кишечник | 1,2 | |
| Тонкий кишечник | 1,3 | |
| Кровь | 1,6 | |
| Легкие | 1,9 | |
| Семенники | 2,0 | |
| Сердце | 2,1 | |
| Печень | 2,5 | |
| Центральная нервная система | 2,9 | |
| Головной мозг | 3,0 | |
| Мышцы скелета | 3,0 | |
| Селезенка | 3,1 | |
| Эритроциты | 3,4 | |
| Красный костный мозг | 4,0 |
Близкий по своим химическим свойствам калию рубидий и его радиоизотоп рубидий-87 (87 Rb) распространены в ОПС в микроколичествах. Это долгоживущий радиоизотоп (период полураспада 6,1·10 10 лет) с мягкими β-излучением (0,275 МэВ) и γ-излучением (0,94 МэВ). Его концентрация в тканях живых организмов составляет в среднем 8,5 Бк/кг. Вклад в общее постоянное облучение биоты незначителен.
4. Изотопы радия
Радий - элемент главной подгруппы второй группы, седьмого периода Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева с атомным номером 88. Обозначается символом Ra. Слово radium (радий) происходит от латинского radius - «луч», дословно название этого элемента переводится как «излучающий», «лучистый». Простое вещество радий - блестящий щелочно-земельный металл серебристо-белого цвета, быстро тускнеющий на воздухе. Обладает высокой химической активностью. Радиоактивен; наиболее устойчивый изотоп Ra. Получить чистый радий в начале ХХ века стоило огромного труда. На каждые три миллиона атомов урана в природе приходится лишь 1 атом радия .
Радий добывают из урановых руд и радиевых вод. Впервые этот элемент был выделен Марией и Пьером Кюри в 1898 г. из урановой смолки Яхимовского месторождения (Чехия). Радий довольно редок. Мария Кюри трудилась 12 лет, чтобы получить крупинку чистого радия. Чтобы получить всего 1 г чистого радия, нужно было несколько вагонов урановой руды, 100 вагонов угля, 100 цистерн воды и 5 вагонов разных химических веществ. За прошедшее с момента его открытия время - более столетия - во всём мире удалось добыть всего только 1,5 кг чистого радия. Одна тонна урановой смолки, из которой супруги Кюри получили радий, содержит лишь около 0,0001 г радия-226. Поэтому на начало ХХ века в мире не было более дорогого металла. За 1 г радия нужно было заплатить более 200 кг золота. За открытие радия и полония супруги Кюри получили Нобелевскую премию. Из Яхимовских урановых руд до 1931 г. извлекли 39 г радия. Уже в ходе этой самой первой работы стало ясно, что новый элемент – аналог бария: при фракционном разделении компонентов активность накапливалась в бариевой фракции.
В нашей стране радий впервые был извлечен из урановой руды в 1921 г. В.Г.Хлопиным. Эта руда добывалась в труднодоступных горах Средней Азии в очень малых количествах. Общие запасы урана не превышали 120 т, и из них можно было извлечь около 40 г радия.
Радий образуется через многие промежуточные стадии при радиоактивном распаде изотопа урана-238 и поэтому находится в небольших количествах в урановой руде (см. рис. 1,2). Многие радионуклиды, возникающие при радиоактивном распаде радия, до того, как была выполнена их химическая идентификация, получили наименования вида радий А (218 Ро), радий В (Pb), радий С (Bi), радий D (Pb), радий Е (Bi), радий F (Po), радий С (Ро), радий С (Tl). Хотя сейчас известно, что они представляют собой изотопы других химических элементов, их исторически сложившиеся названия по традиции иногда используются.
Названная в часть Кюри внесистемная единица радиоактивности Кюри основана на активности 1 г радия-226: 3,7∙10 распадов в секунду, или 37 ГБк.
Радий-226 (α- и γ-излучатель) сопутствует урану в местах его накопления, а в мелкодисперсном состоянии повсеместно распространен в земных породах, почвах, воде различного происхождения. О его содержании в ОПС дает представление табл. 11 [НКДАР, 1962].
Радий 226 Ra – α- и γ-радиоактивный изотоп с периодом полураспада 1617 лет. Распад радия сопровождается образованием радона, а также мощным α- и γ-излучением . γ-излучение опасно на значительных расстояниях, α-излучение опасно при попадании внутрь организма (табл. 12). Точечный источник в 1 мг радия в равновесии с ДПР на расстоянии 1 см (при наличии платинового фильтра толщиной 0,5 мм) создает мощность экспозиционной дозы γ-излучения (МЭД ГИ) 8,4 Р/ч. Используется в технических и эталонных источниках γ-излучения.
Соли радия обладают свойством светиться в темноте. По этой причине наиболее широкое применение радий нашел в оборонных отраслях промышленности, в частности, в судостроении и авиастроении, в составе светящихся красителей – светомассы постоянного действия (СПД). СПД в 40 – 60-х годах наносился на циферблаты часов, елочные украшения.
В медицине радий используется для радиотерапевтических целей.
Велись исследовательские работы по использованию радия (наряду с ураном и радиоактивными сланцами) в составе микроудобрений.
Изотопы радия (226 Ra, 228 Ra, 224 Ra), наряду с изотопами урана, являются наиболее распространёнными среди ЕРН в природных водах, и отличаются высокой радиотоксичностью; ограничения объемной активности (ОА) в питьевой воде для них – одни из наиболее жестких. Соответствующие уровни вмешательства (УВ вода) характеризуются низкими значениями, особенно для 228 Ra и 226 Ra.
Фоновые значения УА 226 Ra в горных породах и почвах составляют от 5 до 50 Бк/кг, в то время как ОА в подземных водах могут варьировать в очень широком диапазоне (табл.11).
Таблица 11
| В горных породах, Бк/кг | |
| Граниты | 96-114 |
| Базальты | 18,5-40,7 |
| Песчаник | 11,1-25,9 |
| Известняк | 14,8-25,9 |
| Сланцы | 14,8 |
| Алюминиевые сланцы (Швеция) | |
| В строительных материалах, Бк/кг | |
| Кирпич | 23-152 |
| Известковый кирпич | 6-25 |
| Бетон | 11-80 |
| Цемент | 9-168 |
| Газобетон на основе квасцовых глинистых сланцев | 320-2620 |
| Черепица | 63-91 |
| Дерево | 0,3-0,5 |
| Почвы | 3,3-29,6 |
| В воде, Бк/л | |
| Реки | 1,85 10 -4 -2,96 10 -2 |
| Источники | 2,59 10 -3 -5,1 |
| Океаны | 7,4 10 -4 -1,1 10 -2 |
| Водопроводная вода в разных городах | 3,7 10 -3 -0,38 |
Гидробионты морей и океанов накапливают радий из воды с различной интенсивностью . Так, коэффициент накопления для камбалы равен 6, для мидий – 69, для моллюсков возрастает до 210.
Из почв и воды радий поступает в растения, где его содержание колеблется в пределах 2,1·10 -2 -2,5 Бк/кг. По пищевым цепям радий проникает в организмы рыб
(2,5·10 -2 -23·10 -2 Бк/кг), в мясо животных (1,6·10 -2 -5·10 -2 Бк/кг). С растительной и животной пищей радий поступает в организм человека .
Таблица 12
Основные характеристики изотопов радия
Радий принадлежит к разряду остеотропных РВ, то есть веществ, отличающихся наибольшей токсичностью из-за их свойства накапливаться в костной ткани (около 70-90 %), которая обладает высокой радиочувствительностью, следствием чего являются лейкозы, лучевые остеосаркомы. Кроме того, радий накапливается в легких и печени . Данные о присутствии и распределении радия в организме человека приведены в табл.13. Преждевременная смерть Марии Кюри произошла вследствие хронического отравления радием, так как в то время опасность облучения еще не была осознана.
Таблица 13
Поступление и распределение радия в организме человека
Изучение и использование радиоактивных свойств радия сыграло огромную роль в исследовании строения атомного ядра и явления радиоактивности. Химические методы, разработанные при выделении из руд соединений Ra и изучении их свойств, легли в основу методов радиохимии .
Спектрометрическим методами .(α-или γ"Известные методики определения изотопов радия в природных водах, отличающиеся способами измерения активности, включают стадию предварительного концентрирования. Коллекторами обычно служат труднорастворимые соли: карбонат кальция, сульфаты бария и свинца или двуокись марганца. Активность сконцентрированных в небольшом объеме изотопов радия определяют эманационным, радиометрическим,
Последнее большое событие в истории элемента №88 произошло в 1967 г. Практически одновременно в знаменитых лабораториях Дубны и Беркли были получены нейтроно-дефицитные изотопы радия с массовыми числами от 206 до 214. До этого времени были известны лишь изотопы с массовыми числами 213 и от 218 до 230. Все эти изотопы оказались короткоживущими альфа-излучателями с периодами полураспада от 0,4 до 15 сек.
Большую опасность представляет радон 222 Rn – газообразный радиоактивный продукт распада радия .Из 1 г радия образуется 1 мм 3 222 Rn в сутки. (рис. 4)
Рис. 4. Изотопы радона и их дочерние продукты в цепочках распада (символ, путь распада (α-, β-, γ-излучения), наименование, период полураспада Т).
По данным Научного Комитета по действию атомной радиации (НКДАР) при ООН, радон вместе со всеми дочерними продуктами распада (ДПР) ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации .
5. Полоний
Полоний – первый после урана и тория открытый радиоактивный химический элемент, вписанный в VI группу Периодический системы элементов, аналог теллура. Атомный номер 84. Не имеет стабильных изотопов. Существование элемента с порядковым номером 84 было предсказано Д.И.Менделеевым, в 1889 г. он назвал его двителлуром (второй теллур) и предположил, что его атомная масса близка к 212.
Полоний в свободном виде – мягкий серебристо-белый радиоактивный металл, существует в двух модификациях . Из-за сильной радиоактивности светится в темноте и сильно нагревается, поэтому нужен непрерывный отвод тепла. Температура плавления полония 254°С (чуть выше, чем у олова), температура кипения 962°С, поэтому уже при небольшом нагревании полоний возгоняется. Плотность полония почти такая же, как у меди – 9,4 г/см. На воздухе полоний медленно окисляется (быстро при нагревании до 250°С) с образованием красного диоксида (при охлаждении он становится желтым в результате перестройки кристаллической решетки).
Полоний был открыт в 1898 г. Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри путем выделения из смоляной обманки (урановой руды). Он был назван в честь родины Марии Кюри – Польши (Polonia, лат.). На начало 2006 г. было известно 33 изотопа полония в диапазоне массовых чисел от 188 до 220. Кроме того, известны 10 метастабильных возбужденных состояний изотопов полония. Наиболее долгоживущий изотоп 209 Po имеет период полураспада 102 года, однако его получение в чистом виде сложно, поэтому для практических целей применяют 210 Ро (α-радиоактивен). Изотопы с массовыми числами 210-218 входят в природные радиоактивные ряды урана, тория и актиния (см. рис. 4); наиболее устойчивый из них – 210 Po (период полураспада 138,376 сут.). Он является членом уранового семейства и появляется в природной смеси в результате ряда последовательных превращений изотопов тяжелых элементов, первый из которых – 238 U (табл. 14) .
Таблица 14
Основные продукты распада радия-226 и их характеристика
| Нуклид | Название | Период полураспада | Природа излучения | Энергия, МэВ |
| 226 Ra | Радий-226 | 1602 года | α | 4,78 |
| γ | 0,18 | |||
| 222 Rn | Радон-222 | 3,82 сут | α | 5,49 |
| γ | 0,51 | |||
| 218 Po | Полоний-218 | 3,05 мин | α | 6,00 |
| β | 0,72 | |||
| 214 Pb | Свинец-214 | 26,8 мин | α | 0,35 |
| 214 Bi | Висмут-214 | 19,7 мин | α | 5,45 |
| β | 1,51 | |||
| γ | 0,6-1,7 | |||
| 210 Tl | Таллий-210 | 1,3 мин | β | 1,9-2,3 |
| γ | 0,79 | |||
| 210 Pb | Свинец-210 | 22,3 года | β | 0,01 |
| γ | 0,04 | |||
| 210 Po | Полоний-210 | 138.4 сут | α | 5,3 |
| 210 Bi | Висмут-210 | 5,01 сут | β | 11,1 |
| 206 Tl | Талий-206 | 4,2 мин | β | 1,53 |
| 206 Pb | Свинец-206 | стабильный | - | - |
Содержание в земной коре 210 Po составляет всего 2 10 -14 %; в одной тонне природного урана содержится 0,34 г радия и доли миллиграмма 210 Po . Самый короткоживущий из известных изотопов полония - 213 Po (период полураспада 3 10 -7 сут.). Самые легкие изотопы полония – чистые α –излучатели, более тяжелые одновременно испускают α- и γ-лучи. Некоторые изотопы распадаются путем электронного захвата, а самые тяжелые проявляют также очень слабую β-активность.
На практике в граммовых количествах 210 Po синтезируют искусственно, облучая металлический висмут 209 Bi нейтронами в ядерных реакторах. Если тот же изотоп висмута поместить в циклотрон и там обстрелять потоками протонов, то образуется самый долгоживущий изотоп полония 209 Po. Микроколичества полония извлекают из отходов переработки урановых руд. Выделяют полоний экстракцией, ионным обменом, хроматографией и возгонкой. Металлический Po получают термическим разложением в вакууме сульфида PoS или диоксида (PoO 2) x при 500°C.
С водородом полоний образует летучее соединение. Металлический полоний и его соединения сильно токсичны. Полоний-210 испускает α-лучи с энергией 5,3 МэВ, которые в твердом веществе тормозятся, проходя всего тысячные доли мм и отдавая при этом свою энергию. Полоний удобно применять для исследования воздействия α-излучения на различные вещества . 210 Ро применяют в ампульных источниках нейтронов и как источник энергии в атомных батарейках.
Полоний-210 в сплавах с бериллием и бором применяется для изготовления компактных и очень мощных нейтронных источников, практически не создающих γ-излучения. Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе и очень надежны. Например, латунная ампула диаметром 2 и высотой 4 см ежесекундно дает до 90 млн нейтронов. Отдельной областью применения полония является его использование в виде сплавов со свинцом или самостоятельно для производства мощных и весьма компактных источников тепла для автономных установок (1 см 3 210 Po выделяет 1320 Вт тепла). Время его жизни позволяет использовать полоний как источник энергии в атомных батареях космических кораблей (для получения мощности 1 кВт достаточно всего 7,5 г полония). В этом отношении он превосходит другие компактные «атомные» источники энергии. Например, у советского лунохода для обогрева приборного отсека во время долгой лунной ночи применялся полониевый обогреватель.
Полоний встречается в природе, накапливается растениями, в том числе – табаком. 20 % полония-210, содержащихся в табаке сигарет, попадает в легкие человека. Среднее годовое поступление 210 Po в легкие человека, выкуривающего одну пачку сигарет в сутки, составляет 60 мБк. О поступлении и содержании 210 Ро в теле человека можно судить по данным табл. 15.
Таблица 15
Содержание 210 Pb и 210 Po в организме человека
| Показатели | 210 Pb | 210 Po |
| При нормальном содержании в пище: | ||
| Поступление с пищей, Бк -2 /сут | 5,18-22,9 | 4,8-17,0 |
| Содержание у некурящих, Бк/кг | ||
| Костная ткань | 2,4 | |
| Мягкая ткань | 0,14-0,2 | 0,1-0,2 |
| Содержание у курящих, Бк/кг | ||
| Костная ткань | 4,81 | 3,7 |
| Мягкая ткань | 0,22-0,33 | 0,18-0,33 |
| При высоком содержании в пище: | ||
| Поступление с морскими продуктами, Бк -2 /сут | 62,9 | |
| Поступление с мясом карибу и северных оленей, Бк -2 /сут | 13,3-162 | 222-1272 |
| Содержание Бк/кг | ||
| Костная ткань | 9,25 | 7,4 |
| Мягкая ткань | 0,44-0,55 | 1,33-2,66 |
Основным источником полония-210 в ОПСявляется радон-222, выделяющийся из почвы. Полоний-210 является также и техногенным изотопом. В период ядерных испытаний полоний-210 формировался при взрывах атомных бомб, попадал в атмосферу, а затем в растительность, почвы, воду, донные осадки. Свинец -210 также является дочерним продуктом распада урана-238 и содержание и миграция в ОПСсвязана в основном с содержанием и миграцией его материнского радионуклида-радона-222 .
Полоний-210 и свинец-210 поступают в атмосферу с летящей золой при сжигании угля в ТЭЦ, в результате чего происходит выброс в атмосферу ряда тяжелых металлов, радиоактивных элементов, в том числе полония-210 и свинца-210. Оседая из воздуха на поверхность земли под воздействием гравитационных сил или с атмосферными осадками, свинец-210 и полоний-210 задерживаются на различных компонентах биосферы (растения, почва, мхи и др.) и тем самым участвуют в миграции по пищевым цепочкам. Максимальные концентрации 210 Рb - 21О Ро в воздухе вокруг ТЭС, работающих на угле, могут достигать 510 мкБк/м 3 . Для средних широт Северного полушария средние концентрации Ро-210 в воздухе составляют 0,12 10 -3 Бк/м 3 , для РЬ-210 - 0,52 мкБк/м 3 . В мировой практике изучаются полоний-210 и свинец-210 в различных объектах ОПС для оценки дозовых нагрузок на биосистему.
Полоний-210 и свинец-210, являясь наиболее радиотоксичными и распространенными в ОПС естественными радионуклидами, подлежат первоочередному контролю в природных средах.
Свинец-210 является остеотропным элементом и накапливается в костной ткани, где содержится до 70 % этого радионуклида. Полоний-210, находящийся в костях, образуется в основном из своего предшественника 210 Pb. В мягкие ткани полоний-210 поступает из воздуха и пищи, преобладая в тканях печени и почек.
Биологическое действие 210 Po обусловлено α-излучением. Он является одним из наиболее токсичных РН из-за низкого периода полураспада и высокой энергии излучаемых α-частиц. Для 210 Ро предельно допустимое содержание в воздухе составляет всего 40 миллиардных долей микрограмма в 1 м воздуха, полоний в 4 триллиона раз токсичнее синильной кислоты. Вред наносят испускаемые полонием альфа-частицы (и в меньшей мере также гамма-лучи), которые разрушают ткани и вызывают злокачественные опухоли.
Атомы полония могут образоваться в легких человека в результате распада в них газообразного радона. Кроме того, металлический полоний способен легко образовывать мельчайшие частицы аэрозолей. Контакт с ним может привести к облучению всего организма. При высоких концентрациях 210 Po развитие лучевой болезни заканчивается летальным исходом. Поэтому работа с 210 Po должна вестись дистанционно в герметичных боксах с применением СИЗ . Естественный вывод полония из организма (с выделениями) затруднен, так как он не входит в состав ни одного из химических соединений, участвующих в метаболизме (табл. 23).
6. Углерод-14
Углерод (лат. сarboneum ) относится к неметаллам. В природе представлен стабильными 12 С (98,90 %) и 13 С (1,10 %); в земной атмосфере присутствует в ничтожных концентрациях (около 10 -14 ат %). Масса нуклида 12 С принята равной точно 12, а 1/12 называют атомной единицей массы.
β-радиоактивный углерод 14 С (Т 1/2 =5730 лет) постоянно образуется на земле в результате следующих ядерных реакций: 14 N (n; р) 14 C; 17 O (n;α) 14 C; 13 C (n;γ) 14 C. Эти реакции протекают как в верхних слоях атмосферы благодаря захвату космических нейтронов атомами азота по реакции 14 N +п = 14 C +p (при образовании природного 14 С), так и при образовании техногенного радиоуглерода в результате атомных взрывов и работы атомных реакторов как промышленных, так и транспортных и исследовательских .
Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность 14 С равна примерно 0,3 распада в сек на 1 г углерода, что соответствует изотопному содержанию 14 С около 10 -10 %.
Углерод существует в нескольких модификациях, свойства которых резко различны: графит, алмаз, карбин (получен искусственно). Высокочистый графит служит замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Алмаз применяют как абразивный материал для обработки металлов и др. материалов. Искусственный радионуклид 14 С в форме различных соединений используют в химических, биологических и медицинских исследованиях.
Основным поставщиком 14 С является первая реакция в виду большого содержания азота (78,08 %) в составе воздуха. Причем, в водо-графитовых реакторах (именно такой тип реактора на Сибирском химическом комбинате) образующийся на азоте 14 С практически целиком выносится в атмосферу. Кроме того, в реакторах этого типа часть образующегося 14 С попадает в ОПС с жидкими сбросами в виде растворимых карбонатов и углекислоты .
Существуют понятия локального и глобального загрязнения радиоуглеродом.
Источником локального загрязнения можно рассматривать не только атомный взрыв, но и каждую АЭС, предприятия ЯТЦ, изотопные производства по получению препаратов, меченых 14 С, научно-исследовательские учреждения. Среднее поступление реакторного 14 С в организм местных жителей, проживающих в районе действия такого источника, может составить в зонах 0-10 км – 0,32; 10-20 км – 0,08 мкКи/год. Зафиксированный в НРБ-99 предел годового поступления (ПГП) биологически значимого 14 С в организм человека составляет 6,3 10 5 Бк/год.
Глобальное радиоуглеродное загрязнение ОПС связано с развитием атомной энергетики в целом и ядерными испытаниями. При термоядерных взрывах 90% радиационного фона в атмосфере обусловлено 14 С. Этот долгоживущий радионуклид (период полураспада составляет 5730 лет) включается в глобальный круговорот углерода.
Углерод-14 образуется высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с ядрами азота . Когда он достигает поверхности, его поглощают растения, а затем - животные, поедающие эти растения. Таким образом, углерод-14 попадает в ткани растений и животных . Пока организм жив, любой распавшийся атом углерода-14 замещается таким же атомом углерода-14 из окружающей среды. Однако после смерти живого существа круговорот углерода завершается и начинается неотвратимый распад изотопа. Через 5730 лет в куске дерева останется только половина того количества углерода-14, какое было в дереве перед его гибелью (см. рис. 6).
14 С реагирует с кислородом и дает 14 СО 2 . Таким образом, углекислота всегда содержит примесь 14 СО 2 . Участвуя в фотосинтезе, она несет 14 С всем органическим веществам (углеводороды, белки, жиры и др.), образующим живой организм. Мягкое (0,155 МэВ) β-излучение 14 С также вносит свой вклад в постоянное внутреннее облучение биоты атомной радиацией. Содержание 14 С в тканях растений и животных составляет 22,7 Бк/кг углерода. Его величина колеблется для различных тканей в пределах 20-93 Бк/кг ткани. Общее содержание 14 С в биосфере составляет 8,5·10 18 Бк. В течение года образуется около 10 15 Бк [НКДАР, 1982].
Рис. 6. Сравнение радиоуглеродного содержания в годичных кольцах деревьев из различных районов с атмосферными радиоуглеродными данными для Северного полушария
Рис. 7. Изменение содержания в биосфере искусственного 14 С бомбового (1)
и реакторного (2) происхождения (по Рублевскому В.П. и др., 1979)
Как показывают расчеты (Рублевский и др., 1979), ежегодное поступление 14 С в организм человека с продуктами питания превысит естественный путь поступления 14 С к 2010 г. в 5 раз, а годовая доза на все тело по сравнению с 1975 г. возрастет с 0,04 до 7 мРад, т.е. увеличится почти в 200 раз (рис. 6) и, по подсчетам С.П. Ярмоненко, будет сказываться 11000 лет, затронув 300 поколений людей .
На рис. 8 показана динамика накопления 14 С в волосах и крови людей от испытания ядерного оружия в атмосфере.
Рис. 8. Концентрация углерода-14 в тропосфере, в волосах и крови людей
в Скандинавии (по Р. Грейбу, 1994)
Опасные последствия такой динамики связаны с тем, что радиоуглерод, участвуя в обменных процессах наряду с атомами стабильного углерода, проникает во все органы и ткани организма, включаясь непосредственно в молекулы органических соединений .
Повреждающее действие 14 С, вошедшего в состав молекул белков и особенно ДНК и РНК живого организма, определяется, во-первых, радиационным воздействием β-частиц и ядер отдачи азота, возникающих в результате распада 14 С по схеме 14 С→ 14 N; во-вторых, изменением химического состава молекулы за счет превращения атома 14 С в атом 14 N(β) (трансмутационный эффект в генетических структурах наследственного аппарата). Это приводит, в дополнение к эффектам от действия ионизирующего излучения, к локальным изменениям в хромосомах и, как следствие, к возникновению необратимых или трудно репарируемых мутаций разного вида. В связи с этим углерод-14 является генетически значимым фактором радиационной опасности глобального масштаба.
Такие повреждения ДНК приводят зачастую к генным мутациям второго и третьего порядков, которые практически являются необратимыми. Поэтому увеличение содержания изотопа 14 С в биосфере может привести к накоплению вредных мутаций, что чревато серьезной угрозой для человечества . Проблема мониторинга 14 С является одной из основных в районах АЭС и ЯТЦ .
Одним из первых отметил биологическую опасность 14 С академик А.Д.Сахаров (1958), который обратил внимание на непороговые биологические эффекты радиации . Он рассчитал, что при испытании мегатонной бомбы только от 14 С будет 2200 жертв наследственных болезней, а также обратил внимание на возможное увеличение раковых заболеваний и лейкемии. Академик А.Д.Сахаров категорически выступил против испытания ядерного оружия в атмосфере, и его усилиями было изменено решение о взрыве на Новой Земле 108 Мт бомбы (в 1961 г. взрывали только 58 Мт, что составляет около 10% от мощности всех атмосферных ядерных взрывов).
Пик концентрации в атмосфере «бомбового» 14 С пришелся на 1965 г. (рис. 6), когда его значения превысили в 1,7 раза концентрацию атмосферного радиоуглерода до начала испытаний. Одной из главных причин запрета испытаний ядерного оружия в атмосфере был прогнозируемый рост смертности людей в связи с увеличением концентрации радиоуглерода в атмосфере и его поступление в организм человека по биологическим цепочкам. Допускаемые ныне ПГП 14 С в НРБ-99 (20-тикратное превышение содержания радиоуглерода в пище по сравнению с его естественным уровнем концентрации в биосфере) существенно выше тех, которые принимались во внимание политиками при принятии решения о запрете ядерных испытаний и которые реально привели в свое время к повышению смертности, например в Дании (рис. 9), и других во многом благополучных странах .
Рис. 9. Динамика естественной смертности населения Дании в возрасте 67 лет . Линии 1,2,3 – мужчин; линии 4,5,6 – женщины;1 и 4 – смертность;
2 и 5 – вероятный ход кривых смертности после 2002 года; 3 и 6 – основной тренд исторической динамики смертности
Таким образом, очевидна необходимость ужесточения НРБ-99 в части радикального снижения допустимого уровня поступления радиоуглерода с пищей.
7. Тритий
Радиоактивный сверхтяжелый радионуклид водорода тритий 3 H (период полураспада T 1/2 =12,35 года) подобно радиоуглероду постоянно образуется в атмосфере в результате взаимодействия космического излучения с ядрами атомов азота, кислорода и аргона (например, по реакции 14 7 N+ 1 0 n→ 12 6 C+ 3 1 H),а также при расщеплении ядер различных элементов космическими лучами большой энергии. При β-распаде превращается в гелий-3.
Тритий 3 Н, получающийся в атмосфере в результате ядерных реакций космических нейтронов с ядрами азота и кислорода, в основном превращается в тритиевую воду, которая с осадками выпадает на землю и участвует в нормальном круговороте воды . В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжелую воду Т 2 О. Содержание трития в континентальных водах колеблется в пределах 200-900 Бк/м 3 . Воды океана содержат около 100 Бк/ м 3 . Глобальная годовая наработка природного трития составляет ~1·10 18 Бк. В 1 литре воды в среднем содержится 3,2ּ10 -10 г трития, в 1 л воздуха - 1,6 10-14 г (при абсолютной влажности 10 мг/л). Образуется тритий в верхних слоях атмосферы с участием космического излучения со скоростью 1200 атомов в сек в расчете на 1 м2 земной поверхности. Таким образом, в течение тысячелетий содержание трития в природе было почти постоянным – непрерывное его образование в атмосфере компенсировалось естественным распадом.
Однако с 1954 г. (начало испытаний термоядерных бомб) положение резко изменилось и в дождевой воде содержание трития увеличилось в тысячи раз. Взрыв водородной бомбы мощностью 1 Мт приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. Общая мощность воздушных взрывов составила за 1945-1962 гг. 406 Мт, а наземных –104 Мт. При этом общее количество трития, поступившее в биосферу в результате испытаний, составило сотни килограммов! После прекращения наземных испытаний уровень трития пошел на убыль. В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.
Искусственно тритий привносится во внешнюю среду двумя путями:
Во время атомных и термоядерных взрывов, которые приводят к увеличению концентрации 3 H в дождевой воде в 10-100 раз;
При производстве ядерной энергии на двух этапах топливного цикла (работе реакторов и переработке ОЯТ).
Природный тритий образуется, например, при бомбардировке азота нейтронами космических лучей: 14 7 N+ 1 0 n = 3 1 T+3 4 2 He. Техногенный тритий возникает в ядерных реакторах за счет взаимодействия ядер лития с нейтронами: 6 3 Li+ 1 0 n = 3 1 T+ 4 2 He. Молекула трития двухатомна. В обычных условиях Т 2 – газ, t пл = –252,52°С, t кип = –248,12°С.
Наработка трития в ядерных реакторах зависит от типа ядерной установки и колеблется в пределах 2-10 Ки/год на 1 МВт тепловой мощности. Среднегодовое глобальное поступление трития за счет ядерного топливного цикла составляет ~10 16 Бк, то есть небольшую долю от естественного природного образования .
Запасы природного трития ничтожны. Глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Подсчет показал также, что во всех водоемах Земли трития содержится всего лишь 100 кг. Поэтому весь тритий, используемый для различных целей, получают искусственно, путем облучения лития нейтронами. В результате стало возможным получить значительные количества чистого трития и изучить его свойства, а также свойство его соединений. Так, сверхтяжелая вода Т 2 О имеет плотность 1,21459 г/см 3 .
Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Например, сульфид цинка, содержащий небольшое количество соединений трития (примерно 0,03 мг на 1 г светосостава), непрерывно излучает зеленый свет. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития .
Тритий используется также в светоисточниках: для промышленных знаков «выход», для маркеров безопасности, люминесцентных дорожных знаков, знаков и маркеров для авиационной промышленности и т.п. Для изготовления светоисточников ежегодно используется около 10 15 Бк трития.
Тритий является одним из основных компонентов взрывчатого вещества термоядерных (водородных) бомб, а также весьма перспективен для проведения управляемой термоядерной реакции по схеме D + T > 4 Не + n .
Большое поступление трития в геосферу связано с испытаниями водородных бомб и составило к концу испытаний (1962 г.) 2,6·10 20 Бк, что значительно превосходило природное накопление трития.
Образуемый ядерными реакторами 3 H может находиться в форме H 3 HO, Д 3 НО, Н 3 Н, 3 Н 2 , тритидов металлов и органических производных. Вследствие утечек и недостатков в технологии обращения с РАО (в которой 3 Н практически не улавливается) выброс трития в ОПС осуществляется с газообразными и жидкими отходами.
При переработке облученного топлива 3 H высвобождается из отработавших тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Гипотетический завод мощностью 1500 т/год может сбросить в атмосферу около 30 кБк/год трития .
На других этапах производства ядерной энергии к источникам 3 Н в биосфере следует отнести хранилища РАО. Хранение и захоронение низко - и среднеактивных РАО в поверхностных слоях грунта приводит к выделению на поверхность диффундирующих 3 2 Н и Н 3 НО, а также к образованию и выделению тритированного метана СН 3 3 Н и других органических соединений, к появлению Н 3 НО в грунтовых водах.
Общий запас трития в биосфере оценивается в 1,3·10 18 Бк. Вода составляет значительную компоненту живого организма, постоянно обмениваясь с водой ОПС. Она будет всегда содержать следы тритиевой воды, непрерывно облучая все ткани организма мягким (0,01795 МэВ) β-излучением трития. Средняя концентрация трития в живых тканях равна 0,4 Бк/кг [НКДАР, 1982].
Наличие поверхностных водоемов-хранилищ ЖРО приводит к проникновению РВ в грунтовые подземные воды. Минуя очистные барьеры, образовавшийся на АЭС тритий (или радиоактивный водород) поступает в ОПС с жидкими сбросами в виде тритиевой воды и газообразными выбросами. Например, в США река Саванна заражена тритием в основном из-за деятельности, связанной с производством ядерного оружия в промышленном ядерном комплексе Саванна-Ривер-Сайт (Savannah River Site).
Загрязнение тритием грунтовых вод имеет место практически при нормальной эксплуатации большинства российских АЭС. Наличие трития вокруг АЭС скоро станет главной головной болью. Промышленные выбросы и случайные утечки могут стать более широкой проблемой для коммерческих АЭС, чем было принято считать раньше. Тритий легко связывается протоплазмой живых клеток и тысячекратно накапливается в пищевых цепочках .
По заключению специалистов, тритий следует рассматривать как ведущий радионуклид по вкладу в эффективные дозы облучения населения за период деятельности ПО «Маяк». Потенциальная опасность облучения населения за счет трития будет возрастать при продолжающихся работах на предприятиях ЯТЦ и вводе в эксплуатацию новых реакторов АЭС, особенно на быстрых нейтронах. Если в настоящее время эффективная эквивалентная доза, обусловленная тритием, не превышает в среднем на одного человека 0,05% от естественного фона, то с увеличением числа работающих реакторов во всех странах она может через 60-70 лет достигнуть 1%. Это без учета потенциальной возможности возникновения радиационных аварий .
В организм человека 3 Н поступает в виде газа и тритиевой воды 1 Н 3 НО через легкие, кожу и желудочно-кишечный тракт (12%). Газообразный Т 2 в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода Т 2 О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации. В среднем организм человека содержит 5·10 -12 г трития, что дает вклад 0,13 мбэр в общую дозу годового облучения (это в сотни раз меньше облучения от других источников радиации). У людей, носящих часы, в которых стрелки и цифры покрыты тритиевым люминофором, содержание трития в теле в 5 раз выше среднего. Установлено, что поступивший в организм человека 3 Н существует в виде двух отдельных соединений: свободной тритиевой воды 1 Н 3 НО и органически связанного 3 Н (ОСТ). Для критической группы населения допустимая концентрация трития в воде – 7,7·10 3 Бк/л воды. Он относится к средней группе радиотоксичности.
Тритий – чистый β-излучатель со средней энергией излучения 0,018 МэВ, что на два порядка меньше энергии β-излучения радиоуглерода. С этим связана особенность повреждений тканей, производимых тритием . Радиоактивный распад трития приводит к нарушению молекулярных структур и межмолекулярных связей под действием β-излучения, а также в результате превращения трития в изотоп гелия. Обладая наименьшей энергией β-частиц, тритий создает значительную плотность ионизации ткани (число пар ионов, образуемых заряженной частицей на единице ее пути). Кроме того, пробег β-частиц трития значительно меньше геометрических размеров клеток, поэтому поражение тритием локализуется возле самого изотопа, и общее поражение зависит от геометрии его распределения в тканях организма и микрогеометрии распределения в клетке (Мушкачева и др., 1994). Атомы трития замещают в молекулах ткани атомы водорода.
Эффективный период полувыведения трития из организма Т эф = 12 суток. ОСТ представляет более серьезные факторы риска, чем тритиевая вода при одинаковом количестве поглощения трития. Половина тритиевой воды выходит из организма каждые 10 дней, при этом удаление половины ОСТ из организма занимает от 21 до 76 дней. Для некоторых молекул с очень медленной скоростью перехода это время может увеличиться до 280-550 дней.
Более длительное время удержания ОСТ в организме вызывает особое беспокойство, если тритий проникает в такие ткани, как нейроны (основные клетки нервной системы) или ооциты (незрелые яйцеклетки). Учитывая, что формирование яичников у женщин происходит раз в жизни, воздействия радиации на репродуктивную систему внутриутробного плода женского пола, а также возможное воздействие на детей, матери которых были облучены внутриутробно, могут быть значительными.
Особым примером явного влияния ОСТ является тритиевый тимидин. Эксперименты показывают, что тритиевый тимидин (органическое соединение, которое может быть инкорпорировано в соств ДНК) на определенных стадиях эмбрионального развития у мышей наносит вреда более чем в 1000 раз по сравнению с тритиевой водой при одинаковых концентрациях. Такая огромная разница не может быть примером для всех форм ОСТ, поскольку тимидин – это предшественник ДНК. Однако этот случай демонстрирует крайнюю необходимость в изучении особых химических форм трития, в особенности, органически связанных .
Вред, нанесенный плоду органически связанным тритием, более чем в четыре раза превышает вред, нанесенный взрослому человеку тритиевой водой, и почти в десять раз превышает цифры действующих моделей.
Помимо вопросов, связанных с моделями для оценки раковых рисков, оценки факторов риска от трития, которые ориетированы лишь на раковые заболевания, преуменьшают его реальные воздействия. К повышенным рискам у беременных и эмбриона (плода) относятся ранние выкидыши, пороки развития и генетические нарушения. Риски также могут передаваться через много поколений, учитывая, что яичники у женщины формируются еще в утробе.
Необходимо провести еще много дополнительных исследований тритиевых воздействий на здоровье. Необходимо изучать эффекты внутриутробного облучения тритием в комбинации с токсинами, например, химикатами, нарушающими эндокринную систему, - аналогично тому, как изучаются потенциальные неврологические эффекты.
Биологическое воздействие трития усиливается тем, что при его распаде образуется инертный гелий 3 2 Не, поэтому водородные связи в этом месте будут рваться, а это должно сказываться как на нарушении процесса синтеза органических структур при жизни индивида, так и оказывать воздействие на отдаленную наследственность.
Из вышесказанного следует необходимость контроля за содержанием трития в ОПС и продуктах питания, прежде всего, вблизи производств ядерно-топливного цикла (ЯТЦ).
Природный калий состоит в основном из двух стабильных изотопов: 39 K (93.26 %) и 41 K (6.73 %), однако калий содержит также небольшое количество радиоактивного изотопа 40 K (0.01 %). Изотоп калий-40 является бета-активным и имеет период полураспада 1.251·10 9 лет.
Несмотря на невысокое содержание изотопа 40 K в природном калии и довольно большой период его полураспада, радиоактивность калия можно легко обнаружить даже с помощью простых приборов. В грамме природного калия каждую секунду происходит 32 распада ядер калия-40. Это соответствует радиоактивности 32 беккереля, или 865 пикокюри.
Считается, что радиоактивный распад 40 K является одним из основных источников геотермальной энергии, которая выделяется в недрах Земли (мощность оценивается в 44 ТВт). В минералах, содержащих калий, постепенно накапливается изотоп 40 Ar, который является продуктом распада 40 K. Измеряя соотношение между изотопами 40 K и 40 Ar можно измерять возраст горных пород. На этом принципе основан калий-аргоновый метод определения возраста, который является одним из основных методов ядерной геохронологии.
С другой стороны, калий является одним из важнейших биогенных элементов, которые необходимы для всего живого. Разумеется, вместе со стабильными изотопами калия в живые организмы попадает и радиоактивный 40 K. Например, за счет калия-40 в организме человека весом 70 кг ежесекундно происходит около 4000 радиоактивных распадов.
Значительную часть радиоактивных изотопов человек получает с пищей (в среднем около 40 миллибэр в год или более 10 % суммарной годовой дозы). Практически все продукты содержат небольшое количество радиоактивных изотопов, но природный уровень радиоактивности некоторых продуктов заметно выше среднего. Среди таких продуктов можно назвать картофель, бобы, орехи и семечки подсолнечника. Сравнительно высокий уровень наблюдается в бразильском орехе (за счет повышенного содержания радиоактивных изотопов 40 K, 226 Ra, 228 Ra), радиоактивность которого может достигать 12000 пикокюри на килограмм и выше (450 Бк/кг и выше).
К числу продуктов с повышенной естественной радиоактивностью принадлежат также и бананы. Средний банан содержит 3520 пикокюри на килограмм веса, или примерно 520 пикокюри в 150-граммовом банане. Эквивалентная доза в 365 бананах (один в день в течение года) составляет 3.6 миллибэра или 36 микрозивертов. Основная причина радиоактивности бананов - природный изотоп калий-40.
Радиоактивность бананов неоднократно вызывала ложные срабатывания детекторов радиации, используемых для предотвращения незаконного ввоза радиоактивных материалов в США.
В ядерной энергетике даже используется термин "банановый эквивалент". Банановый эквивалент соответствует количеству радиоактивных изотопов, которые попадают в организм при съедании одного банана.
Утечки радиации на ядерных электростанциях зачастую измеряются в очень малых единицах, например, пикокюри (одна триллионная часть кюри). Сравнение этих доз с естественной радиоактивностью одного банана позволяет интуитивно оценить степень риска утечек.
Например, после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд, Комиссией по ядерной энергетике США был обнаружен радиоактивный йод в молоке местных коров в количестве 20 пикокюри на литр. Эта радиоактивность значительно меньше, чем в обычном банане. Стакан такого молока содержал всего 1/75 бананового эквивалента.
Следует, однако, учитывать, что подобное сравнение очень условно, поскольку излучение различных радиоактивных изотопов с точки зрения биологического действия отнюдь не эквивалентно. Кроме того, есть основания считать, что съеденный банан не повышает уровня радиации в организме, поскольку избыточный калий, полученный из банана, приводит к выводу из организма в процессе метаболизма эквивалентного количества изотопа 40 K.
Cначала - две цитаты: из раздела «Пишут, что...» и из статьи А. М. Чекмарева «Радиоактивность вокруг нас» (обе - из «Химии и жизни», 2008, № 10). Цитата первая: «Практически все клетки человеческого тела ежегодно испытывают хотя бы одно событие радиационного поражения, многие - несколько раз». И вторая: «Большинство людей получает от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год за счет земной радиации... В среднем от земных источников естественной радиации мы получаем примерно 350 микрозивертов в год (то есть индивидуальные дозы у большинства из нас ближе к 0,3 миллизиверта)... Если говорить о том, какой именно элемент вносит наибольший вклад в наше внутреннее облучение, то это газ радон и продукты его распада. Его доля - около 75% годовой индивидуальной дозы облучения человека от земных источников и около половины дозы от всех источников радиации». (Кстати, более подробно об облучении от вездесущего радона можно прочитать в статье «Еще раз о радиоактивности в нашем доме», опубликованной в № 4, 1990.)
Прежде всего - несколько слов о единице облучения в статье Чекмарева. Она названа в честь шведского физика Рольфа Максимилиана Зиверта (1896–1966). Это - единица эквивалентной дозы излучения в СИ, принятая на XVI Генеральной конференции по мерам и весам в 1979 году (с 1975 по 1979 год она назвалась «грэй»). Зиверт (Зв) равен дозе любого вида ионизирующего излучения, производящего такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 Гр, а эта единица (как единица поглощенной дозы) названа в честь английского физика Луиса Гарольда Грэя (1905–1965). Один грэй - поглощенная доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Значит, для среднего человека массой 70 кг 1 Зв соответствует общей поглощенной энергии 70 Дж. Для теплотехники это небольшая величина, ее достаточно для нагрева стакана воды менее чем на 0,1 градуса. Для человека же такая доза, особенно если она однократная, означает исключительно сильное поражение. Поэтому на практике применяют дольные единицы: 1 мЗв и 1 мкЗв.
Мало кто знает, что, если человека поместить в свинцовую камеру с толстыми стенками и никакой радон в его легкие попадать не будет, он все равно будет облучаться. Источник этого облучения - радионуклиды в его собственном теле, которые попали к нему при рождении и продолжают пополняться всю его жизнь. Избавиться от них невозможно принципиально, как, например, невозможно избавить человека от кальция или фосфора в его организме. Таких радионуклидов, вносящих основной вклад во внутреннее облучение, всего два. Это калий-40 и углерод-14 (так называемый радиоуглерод).
Начнем с калия. Это один из наиболее распространенных элементов в земной коре: его в ней 2,1%. Калий представлен в природе тремя изотопами:
В среднем относительная атомная масса калия с учетом распространенности его изотопов равна 39,0983. Один из этих изотопов, 40 K, радиоактивен, хотя его активность и невелика, поскольку очень велик период полураспада (t 1/2 = 1,28·10 9 лет). Исходя из приведенных данных, можно рассчитать, какую радиацию мы получаем за счет распада калия в собственном теле. В человеке массой 70 кг содержится примерно 0,2% калия, или 140 г (кстати, это больше, чем натрия, которого в человеке около 100 г). Следовательно, средний человек всегда носит в своем теле 0,0164 г радиоактивного калия-40, или 2,47·10 20 атомов.
Скорость радиоактивного распада - уравнение первого порядка, то есть она пропорциональна числу имеющихся атомов (N): dN/dt = –kN; знак минус показывает, что число атомов уменьшается со временем. (В радиохимии константу k обычно называют постоянной распада и обозначают греческой буквой λ.) Константа k связана с периодом полураспада простым соотношением: k = ln2/t 1/2 = 0,693/1,28·10 9 = 5,41·10 –10 год –1 . То есть в теле человека распадается 5,41·10 –10 × 2,47·10 20 = 1,34·10 11 атомов за год - больше ста миллиардов, или 4250 атомов каждую секунду!
Какая же энергия выделяется при этом? Нуклид 40 K распадается по двум путям: на 11% он претерпевает электронный захват (его еще называют K-захватом, по номеру оболочки, с которой происходит захват электрона): 40 K + е → 40 Ar. Именно в результате такого распада 40 K в земной коре и образовалась основная часть атмосферного аргона. Этот процесс является также основой так называемого калий-аргонового метода в геохронологии. Остальные 89% 40 K (1,2·10 11 атомов в год) распадаются с испусканием бета-излучения: 40 K → 40 Ca + е. Энергия этих β-частиц равна 1,314 МэВ = 1,314·10 6 эВ. Как известно, 1 эВ соответствует 96 500 Дж/моль, или 96 500/6·10 23 = 1,6·10 –19 Дж в расчете на одну частицу. Следовательно, энергия всех испущенных за год в теле человека β-частиц составит 1,314·10 6 х1,6·10 –19 × 1,2·10 11 = 0,025 Дж или 0,36 мЗв.
Но и это не всё. Помимо калия-40 в нашем теле всегда присутствует радиоактивный углерод-14 с периодом полураспада 5730 лет, избавиться от которого тоже нельзя. Земля, как известно, подвергается непрерывному облучению космическими частицами. Если бы не атмосфера, пропускающая к земной поверхности лишь небольшую часть космического излучения, жизнь на Земле вряд ли была бы возможна. Из разнообразных ядерных реакций, идущих в верхних слоях атмосферы, нас сейчас интересует лишь одна - захват нейтронов атомами азота, при котором из ядра вылетает один протон: 14 N + n → 14 C + р.
Ядро составляет ничтожную часть объема атома, поэтому нейтроны даже при высокой плотности их потока редко попадают в ядро и над 1 см 2 земной поверхности за 1 с образуется в среднем всего 2,4 ядра 14 C. Если учесть площадь поверхности Земли, то получится, что ежегодно в атмосфере образуется примерно 8 кг этого нуклида. Земля существует миллиарды лет, и если бы ядра 14 C были бы стабильными, то их масса на Земле исчислялась бы десятками миллионов тонн. Однако нуклид 14 C радиоактивен и непрерывно распадается. Поэтому всего на Земле имеется около 60 тонн радиоуглерода, из которых ежегодно распадается 8 кг - столько же, сколько его образуется (в этом случае говорят о радиоактивном равновесии). Для Земли 60 тонн - крайне малая величина. Так, в атмосферном углекислом газе количество радиоуглерода в среднем составляет лишь около 1 тонны, или 3·10 –11 % от «обычного» атмосферного углерода (12 C + 13 C); остальной радиоуглерод в основном растворен в воде океанов. Содержание 14 C нарушалось в 50-е - начале 60-х годов XX века в результате испытаний ядерного оружия, и лишь к началу XXI века оно почти вернулось к прежнему уровню.
Большинству из вновь образовавшихся атомов 14 C предстоит долгая жизнь - на многие тысячи лет. После образования они почти мгновенно окисляются в воздухе до 14 CO, а затем в течение нескольких недель - до 14 CO 2 , молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом. Углекислый газ атмосферы - основной источник углерода, который в огромных количествах усваивается растениями в процессах фотосинтеза. Так радиоуглерод попадает в биосферу. Растениями питаются животные, поэтому вся живая органическая материя содержит радиоуглерод, хотя и в ничтожных количествах (1,18·10 –14 % относительно углерода-12). Причем большое время его жизни и здесь способствует его равномерному распределению. Очень важно, что в результате обменных процессов, протекающих в живой природе, содержание 14 C в растениях и животных в течение их жизни остается постоянным (хотя в разных растениях - разным, см. «Химию и жизнь», 2005, № 4). Но как только обмен с окружающей средой прекращается, содержание радиоуглерода начинает очень медленно снижаться - вдвое каждые 5730 лет.
Радиоуглерод входит также в состав неорганических соединений, которые растворены в воде морей и океанов, в подземных водах и находятся в обменном равновесии с углекислым газом атмосферы. В основном это растворимые гидрокарбонаты, которыми так богаты минеральные воды. Но как только обмен прекращается (например, углерод вошел в состав минерала), происходит то же, что и в живой природе после гибели организма - содержание 14 C в обычном углероде со временем начинает убывать. Подробное рассмотрение закономерностей образования и распада радиоуглерода позволило американскому физикохимику Уилларду Фрэнку Либби (1908–1980) совершить в конце 40-х годов выдающееся открытие и через несколько лет получить Нобелевскую премию по химии «за разработку метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».
Вернемся теперь к «среднему» человеку и посчитаем скорость распада радиоуглерода в его теле. Известно, что в 1 г природного «живого» углерода происходит 15,3 распада 14 C в минуту. Такая малая активность (намного меньше фона) сильно затрудняла измерения с помощью счетчиков, поэтому сейчас для точного определения содержания радиоуглерода используются масс-спектрометрические методы. В человеке массой 70 кг содержится около 14 кг углерода. Следовательно, в минуту в нем будет распадаться 15,3·10 3 × 70 = 1,07·10 6 атомов, а в год - 5,63·10 11 атомов 14 C, величина того же порядка, что и для атомов 40 K (конечно, это случайное совпадение). Однако энергия при этом выделяется не такая большая. Углерод-14, как и калий-40, претерпевает β-распад, но со значительно меньшей энергией - всего 0,156 МэВ = 0,156·10 6 эВ. Значит, суммарная энергия всех β-частиц равна 0,156·10 6 × 1,6·10 –19 × 5,63·10 11 = 0,014 Дж, или 0,2 мЗв. Общая же доза от «внутреннего» облучения составит 0,36 + 0,2 = 0,56 мЗв, то есть столько же, сколько от внешних источников! Следует, однако, отметить, что мягкое излучение радиоуглерода задерживается в тканях полностью, тогда как более энергичные частицы, испускаемые атомами 40 K, могут частично вылетать из тела.
Как видим, общее число частиц высокой энергии, испускаемых в теле человека нуклидами 40 K и 14 C в течение года, приближается к триллиону (10 12). Клеток в организме порядка ста триллионов. Однако следует учесть, что мы рассчитали только «внутренние» частицы, тогда как человек подвергается также и внешнему облучению. Еще важнее то, что одна частица высокой энергии может вызвать целый каскад превращений и поразить не одну клетку. Поэтому приведенная в начале статьи цитата выглядит вполне правдоподобной, хотя и парадоксальной для небиолога.
В заключение - несколько забавных расчетов. Зная, сколько атомов 40 K распадается в человеке за год по механизму 40 K + е → 40 Аr (примерно 1,5·10 10), легко подсчитать, что в теле человека в течение 50 лет образуется около 3·10 -8 мл аргона, а у всех людей на Земле - менее 200 мл - не хватит, чтобы надуть один воздушный шарик...
Современное значение относительной атомной массы калия - 39,0983. Какое значение получил бы воображаемый инопланетный химик, если бы он провел измерения этой величины в момент образования нашей планеты, 4,5 млрд лет назад? Отношение числа атомов 40 K к современному рассчитывается по простой формуле: N 0 /N = exp(–kt) = exp(5,41·10 –10 × 4,5·10 9) = 11,4. Теперь рассмотрим образец земной коры, содержащей 100 атомов калия. Из них сейчас на долю 39 K приходится (в среднем, конечно) 93,2581 атомов, на долю 40 K - 0,0117 атомов и на долю 41 K - 6,7302 атомов. В момент образования Земли число атомов 39 K и 41 K было таким же, а число атомов 40 K было в 11,4 раза больше, 0,1334; то есть к настоящему времени распалось 91,2% первоначального количества атомов калия-40! Итак, 4,5 млрд лет назад наш воображаемый образец содержал 100,1217 атомов. Их суммарная масса составляла 93,2581 × 38,9637 + 0,1334 × 39,9640 + 6,7302 × 40,9618 = 3914,6929 г, а относительная атомная масса элемента калия была 3914,6929/100,1217 = 39,0993. Изменение в третьем знаке после запятой инопланетный химик смог бы установить.
В заключение попробуем оценить, насколько нагрелась бы земная кора только за счет радиоактивного распада 40 K, если бы в ней распалось всего 5% от имеющегося сейчас количества 40 K - без учета тепловых потерь в окружающее пространство. Такое количество распадется за 95 миллионов лет. Будем считать, что калий распространен равномерно, а теплоемкость земных пород примем равной 1 Дж/(г·К). Сейчас в 1 кг породы содержится примерно 21 г калия, из которых на долю 40 K приходится 21 × 0,000117 = 0,0025 г. При распаде в этой породе 5% 40 K, то есть 0,0025 × 0,05 = 1,25·10 -4 г, или 3,12·10 -6 моль, выделится 1,314·10 6 (эВ) × 96,5 (кДж/(моль·эВ)) × З,12·10 –6 (моль) ≈ 400 кДж. В отсутствие тепловых потерь это привело бы к нагреву земной коры на 400 К! Таким образом, распад калия-40 вносит заметный вклад в тепловой баланс Земли и, вероятно, других планет. Действительно, по разным оценкам, распад калия-40 дает от 10 до 15% суммарной скорости генерации энергии в земной коре.
О повышенном уровне калия в организме говорят тогда, когда количество калия в крови превышает значение 5 ммоль на литр. Такое состояние называют гиперкалиемией. Избыток калия очень опасен для организма человека, поскольку приводит к нарушениям работы сердца, почек, расстройствам нервной системы. Поэтому при обнаружении гиперкалиемии необходимо срочно принять меры по выведению калия из организма. Что конкретно нужно предпринять? Давайте разбираться вместе.
Прежде всего, давайте определимся с признаками. Основными симптомами избытка калия в организме являются:
- Нарушение сердечного ритма.
- Слабость, потеря сил, снижение работоспособности.
- Раздражительность, нервозность, перепады настроения.
- Снижение чувствительности, например, онемение рук или ног.
- Учащенное мочеиспускание.
Как выявить гиперкалиемию? Незначительное повышение калия в организме протекает практически бессимптомно и вряд ли заставит вас обратиться к врачу. Но при прохождении очередного медосмотра и сдачи анализа крови данную проблему можно обнаружить случайно. Также данная проблема выявляется и при выполнении электрокардиограммы (ЭКГ): на ЭКГ появляются высокие Т-волны, увеличиваются интервалы ORS и P-R, видна желудочковая тахикардия. Высокий уровень калия в организме несет серьезную угрозу работе сердца. Зачастую именно в связи с нарушением работы сердца пациенты обращаются к врачу, после чего начинается поиск причины имеющихся проблем. ЭКГ помогает заподозрить гиперкалиемию, однако окончательный диагноз можно поставить только по результатам анализа крови.
Почему возникает избыток калия? Самые распространенные причины – заболевания почек, надпочечников, в результате чего нарушается вывод калия, прием некоторых лекарственных препаратов, неправильное питание, серьезные травмы или ожоги.
После выявления гиперкалиемии, сдачи анализа крови и окончательного подтверждения диагноза необходимо вывести лишний калий из организма. Все действия необходимо проводить исключительно под контролем врача. Самый простой и действенный способ – это выведение калия через мочу: пациенту назначаются диуретики (мочегонные препараты). Хотя, как правило, одними мочегонными дело не ограничивается, а если почки не способны выполнять возложенные на них функции в полном объеме, то от приема мочегонных вообще придется отказаться.
Если причиной повышения уровня калия стал прием определенного лекарства, то необходимо уменьшить его дозировку, заменить препарат или полностью от него отказаться. Необходимо отменить прием витаминных комплексов, содержащих калий, заменить их более простыми витаминными препаратами.
Следует ограничить или даже исключить из рациона питания продукты, содержащие большое количество калия. К таким продуктам относятся бобовые (фасоль, соя, горох), картофель, морковь, арбуз, дыня, банан, сухофрукты (особенно курага), мед, миндаль, кедровые орешки, отруби, ржаной хлеб, пшенная каша, яблочный уксус. Следует свести к минимуму употребление молока, говядины и рыбы. Пейте побольше воды. Правильное питание позволит вывести калий из организма естественным путем, что ускорит лечение, уменьшит продолжительность использования для лечения капельниц и инъекций.
Медикаментозное лечение гиперкалиемии при незначительном повышении уровня калия и здоровых почках начинается с диуретиков, которые назначаются как в виде таблеток, так и внутривенно. Также назначается катионообменная смола, которая имеет свойство поглощать калий и выводить его через кишечник вместе с калом. Такая смола назначается перорально, она не всасывается организмом. Обычно также назначается внутривенное введение кальция в дозировке 500-3000 мг, при необходимости дополнительно выполняются инъекции инсулина.
В тяжелых случаях, а также при почечной недостаточности, для выведения избытка калия из организма применяется гемодиализ. Это процедура очищения крови от продуктов жизнедеятельности и токсических веществ. По сути, это крайняя мера, когда почки не способны выполнять свои функции.
После прохождения курса лечения гиперкалиемии не стоит расслабляться, необходимо постоянно следить за уровнем калия в крови, чтобы он соответствовал норме. Для этого необходимо регулярно делать анализ крови, а также выполнять ЭКГ, чтобы мониторить работу сердца. Как показывает практика, повторное увеличение уровня калия в организме, даже незначительное, серьезно сказывается на работе сердца, поэтому необходимо тщательно контролировать малейшие изменения показателей крови – это нередко помогает сохранить жизнь пациенту.
Калий-аргонное датирование
Отношение концентрации 40 K к концентрации его продукта распада 40 Ar используется для определения абсолютного возраста объектов методом так называемого калий-аргонного датирования. Суть этого метода состоит в следующем:
[ 40 A r ] [ 40 A r ] + [ 40 C a ] = λ e λ e + λ b . {\displaystyle {\frac {\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} }{\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} +\mathrm {\left[{}^{40}Ca\right]} }}={\frac {\lambda _{e}}{\lambda _{e}+\lambda _{b}}}.}- Если [ 40 K] 0 - изначальное количество атомов калия-40, а t - искомый возраст образца, то современное количество атомов 40 K в измеряемом образце определяется формулой:
- Суммарное количество атомов 40 Ar и 40 Ca, образовавшихся за время t , равно:
- Из соотношения же между постоянными распада следует, что:
- Сравнивая два последних уравнения, получаем связь между количеством атомов 40 Ar и 40 K в исследуемом образце:
- Решая получившееся уравнение относительно искомого времени t , получаем формулу для определения возраста образца:
