Радиоактивность

     . 

    Период  полураспада, среднее время жизни  τ и константа распада λ  связаны следующими соотношениями, полученными из закона радиоактивного распада: 

     . 

    Поскольку ln2 = 0,693… , период полураспада примерно на 30 % короче, чем среднее время  жизни. 

    Иногда  период полураспада называют также  полупериодом распада. 

    На  практике период полураспада определяют, измеряя активность исследуемого препарата  через определенные промежутки времени. Учитывая, что активность препарата  пропорциональна количеству атомов распадающегося вещества, и воспользовавшись законом радиоактивного распада, можно  вычислить период полураспада данного вещества.

3. РАДИОНУКЛИДЫ.

    Радионуклиды - радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером а для изомерных атомов - и с определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Атомы являются сложными системами, состоящими из частиц - волн трех категорий: протонов и нейтронов в ядре атома и электронов окружающих ядро и образующих электронную оболочку. На ядро приходится почти вся масса атома. Общее число протонов и нейтронов (нуклонов) составляет массу нуклида. Некоторые могут находиться в различных ядерно-энергетических состояниях. Одно из этих состояний представляют изотопы - нуклиды с одинаковым числом протонов, другое - изобары - атомы с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым массовым числом.

    Радионуклиды  широко применяются в народном хозяйстве, технике, науке и медицине. С их помощью изучают физиологические  и биохимические процессы в норме  и при патологии, а так же закономерности миграции и обмена химических элементов  в окружающей среде, организме животных и человека. Получены данные о закономерностях  рассеяния искусственных и естественных радионуклидов в общепланетарном масштабе и поведении их в отдельных экологических системах, о процессах круговорота веществ и энергии, взаимодействия природных сфер (атмосфер гидросферы, суши) между собой.

    В медицинской практике радионуклиды применяют для лечения и диагностики различных заболеваний, а так же для радиационной стерилизации медицинских изделий, материалов, медикаментов. В клинике используют радиодиагностические и радиотерапевтические препараты (открытые радиофармацевтические препараты) и закрытые радиоизотопные источники излучения.

    Знакомство  практического врача с радионуклидными особенностями их биологического действия необходимо в связи с реальной возможностью радиоактивного загрязнения местности в результате аварий на ядерных производствах, как это имело место на Чернобыльской АЭС, когда огромные контингенты населения подверглись воздействию самых разнообразных радионуклидов.

    Радиоактивные изотопы – это радионуклиды определенных элементов. Поэтому их обозначают символами соответствующих химических элементов вверху слева ставят массовое число, например, химические символы радиоактивных изотопов магния (Mg) имеющего Р. с массовыми числами 20, 21, 22, 23, 27, 28, - 20Mg, 21Mg, 22Mg, 23Mg, 27Mg, 28Mg. Все Р. делятся на естественные, или природные, и искусственные, получаемые при ядерных реакциях. Число естественных радионуклидов сравнительно невелико (100); искусственные Р. получены у всех без исключения элементов периодической системы, число их приближается к 1500, что не является пределом.

    Практически устойчивыми считают все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, начиная от водорода (Н), значащегося  под № 1, и кончая висмутом (Bi), значащимся под № 83, за исключением технеция (Тс) - № 43 и прометия (Рм) - № 61. Все элементы, следующие за висмутом, радиоактивны.

    Среди практически устойчивых элементов  есть ряд элементов, природные атомы  которых в той или иной степени  радиоактивны, - это калий (К), рубидий (Rb), индий (In), лантан (La), самарий (Sm), лютеций (Lu) и рений (Re).

    Естественные  Р. связаны друг с другом генетическим родством и образуют так называемые ряды, или семейства. В каждом семействе  процесс распада, начавшись с  ядра-прародителя и пройдя через  целую серию промежуточных дочерних ядер, также нестойких, заканчивается  на устойчивом нерадиоактивном ядре - потомке. Ядра-прародители: атом урана (U) с массой 238, возглавляющий радиоактивное  семейство урана; атом тория (Th) с массой 232, атом урана с массой 235, называвшийся ранее актиноураном. Конечные ядра, являющиеся продуктами многоступенчатых превращений в этих семействах, - ядра изотопов свинца (Pb) с массой 206, 208, 207.

    Известно  несколько видов радиоактивных  превращений. a-Распад - самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (a-частиц, т. е. двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро 42Не. В результате заряд исходного ядра уменьшается на 2, а общее число нуклидов, или массовое число, - на 4 единицы (например, 22688Ra ® 22288Ra + 4Не).

    b-Распад - самопроизвольное превращение  ядер, при котором заряд исходного  ядра изменяется на единицу,  а массовое число остается  тем же. b-Распад представляет  собой взаимопревращение входящих  в состав ядра протонов и  нейтронов, сопровождающееся испусканием  или поглощением электронов (е-) или позитронов (е+), а также нейтрино (n) и антинейтрино (n) Существует три вида b-распада: 1) электронный; 2) позитронный; 3) электронный захват. При b-распаде происходят взаимные превращения протонов и нейтронов до достижения наиболее выгодного соотношения протонов и нейтронов, обеспечивающего устойчивое содержание ядра.

    Естественные  радионуклиды, содержащиеся в горных породах, водоемах и почвах, вместе с космическим излучением являются источниками внешнего радиационного фона. 40К и радионуклиды урана и тория, которые находятся в организме в равновесных концентрациях в результате поступления с пищей, питьевой водой и атмосферным воздухом, являются источниками внутреннего облучения. За счет естественных радионуклидов, содержащихся в строительных материалах, выбросах электростанций в результате сжигания ископаемого топлива, светосоставах некоторых приборов и часов, формируется техногенный радиационный фон.

    Искусственные радионуклиды получают на ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц. Уже синтезированы заурановые элементы (№ 93-103). Элементом № 103 (лоуренсием) заканчивается серия элементов под названием «актиниды». Искусственным путем были получены курчатовий - 260104Ku, нильсборий - 261(260) Ns. Последний по химическим свойствам является аналогом тантала (Та).

    Радионуклиды  различаются физическим периодом полураспада, (Т1/2ф - время, в течение которого число ядер данного радионуклида в результате самопроизвольных ядерных превращений уменьшается в 2 раза), видом распада, энергией частиц, удельной активностью и удельной массой. Активность нуклида в радиоактивном источнике в системных единицах измеряется к беккерелях (Бк); внесистемной единицей является кюри (ku): 1 ku = 3,7 1010Бк.

    Каждый  Р. определяет особенности макро- и микрогеометрии передачи энергии излучения в клетках и тканях, а также реакцию организма на лучевое воздействие. Радионуклиды поступают в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт, кожу, царапины, раны, ожоговую поверхность. Наиболее реальными источниками поступления радионуклидов являются воздух, зараженный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания и вода. Величина коэффициента резорбции (всасывания) радионуклида из места его поступления, а также дальнейшее поведение в организме определяются химическими свойствами элементов (растворимостью, способностью к гидролизу), физико-химическим состоянием, сродством элементов и их соединений тканям и физиологическими факторами.

    По  характеру распределения в организме радионуклиды условно делят на 4 группы: 1) сравнительно равномерно распределяющиеся (134Cs, 137Cs, 24Na, 106Ru, 210Ро, 95Nb, 14С, 32S); 2) остеотропные (89Sr, 90Sr, 140Ва, 226Ra, 224Ra, 40Са, 90Y, 91Y); 3) накапливающиеся преимущественно в органах ретикулоэндотелиальной системы и скелете (144Се, 147Pm, 241Am, 238Pu, 239Pu, 227As, 140La); 4) избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях (радиоактивные изотопы йода - в щитовидной железе, 59Fe - в эритроцитах, 65Zn - в поджелудочной железе, 99Мо - в радужной оболочке глаза). Наибольшее количество радионуклидов выделяется через желудочно-кишечный тракт, особенно плохо из него всасывающиеся трансурановые элементы, лантаноиды. Растворимые соединения, а также радионуклиды с равномерным типом распределения (тритий, цезий) выделяются через почки. Основное количество газообразных веществ выводится через кожу и легкие. Наибольшее количество радионуклидов выделяется в первые дни после поступления. Длительно задерживаются радионуклиды с большой атомной массой, находящиеся в организме и коллоидном состоянии (210Po, 226Ra, 238U) и редкоземельные элементы радионуклидов, образующие коллоидные комплексы с белками, поступают в печень и выводятся с желчью. Скорость обмена радионуклидов в тканях характеризуется биологическим периодом полувыведения - временем, в течение которого выводится половина поступившего в организм радиоактивного вещества (Т1/2б). Фактическая убыль радионуклидов из организма измеряется эффективным периодом полувыведения (Т1/2эф) - временем освобождения организма от половины депонированного вещества путем биологического выведения и физического распада. Это сложный процесс, т.к. в отдельных органах радионуклиды имеют свой Т1/2б, который может существенно отличаться от такового во всем теле. Например, 131I в щитовидной железе и во всем теле имеет Т1/2б = 138 сут., в почках - 7 сут., в костях - 14 сут. Кроме того, в одном и том же органе Р. может иметь несколько Т1/2б. В табл. приведены величины физического, биологического и эффективного Т1/2б некоторых Р. для человека.

    Воздействие радионуклидов в количествах (дозах), превышающих предельно допустимые величины, ведет к развитию лучевой болезни с преимущественным поражением органов депонирования или всего организма (при поражении равно мерно распределяющимися радионуклидами, например, 3Н или 137Cs). В зависимости от количества, пути и длительности поступления радионуклидов возможно развитие острых, подострых и хронических радиационных эффектов, а также отдаленных последствий. 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

     Разнообразные изотопы химических элементов находят  широкое применение в научных  исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной  биологии и медицине, в исследованиях  окружающей среды и других областях. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как  правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые  граммами и даже миллиграммами в  год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность  в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой  воды D2O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой  воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием  станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза . В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.

     В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных  индикаторов (меток) при изучении самых  различных процессов, происходящих в природе.

     В сельском хозяйстве изотопы («меченые»  атомы) применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости  удобрений и для определения  эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и др. веществ.

     Изотопные технологии находят широкое применение в медицине. Так в США, согласно статистическим данным, проводится более 36 тыс. медицинских процедур в день и около 100 млн. лабораторных тестов с использованием изотопов. Наиболее распространены процедуры, связанные  с компьютерной томографией. Изотоп углерода C13, обогащенный до 99% (природное содержание около 1%), активно используется в так называемом «диагностическом контроле дыхания». Суть теста очень проста. Обогащенный изотоп вводится в пищу пациента и после участия в процессе обмена веществ в различных органах тела выделяется в виде выдыхаемого пациентом углекислого газа СО2, который собирается и анализируется с помощью спектрометра. Различие в скоростях процессов, связанных с выделением различных количеств углекислого газа, помеченных изотопом С13, позволяют судить о состоянии различных органов пациента. В США число пациентов, которые будут проходить этот тест, оценивается в 5 млн. человек в год. Сейчас для производства высоко обогащенного изотопа С13 в промышленных масштабах используются лазерные методы разделения.