Общие сведения о радиоактивном распаде и ионизирующем излучении

Современная физика открыла широкие возможности применения атомной энергии в медицине. Для врачей стало доступным использование радиоактивных изотопов различных химических элементов, которые уже сейчас значительно расширили научные исследования, диагностические возможности и лечебное применение ионизирующих излучений.

В настоящее время даже трудно себе представить, как широко в будущем будет использовано ионизирующее излучение в медицинской практике. Поэтому вполне понятен интерес к биологическому действию различных видов ионизирующего излучения.

Успехи физики и открытия в других областях науки, ознаменовавшие конец XIX века, помогли раскрыть «тайны» благотворного влияния вод многих источников- в них были обнаружены радиоактивные изотопы. Как показали дальнейшие исследования, основными изотопами, содержащимися в радиоактивных водах, являются радон и продукты его радиоактивного распада.

Приводим наиболее общие закономерности радиоактивного распада в радоновых водах и сопровождающего его ионизирующего излучения, считая, что это будет полезно широкому кругу читателей, интересующихся вопросом лечебного использования этих вод.

В 1896 г. Becquere обнаружил, что уран испускает лучи, действующие на фотографическую пластинку и способные ионизировать воздух. Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимые лучи Pierre и Marie Curie назвали радиоактивностью. Они же в 1898 г. открыли радиоактивность радия и полония, a Schmidt - радиоактивность тория.

Началась широкая полоса новых открытий. Rutherford (1902) установил, что радиоактивный распад связан с тремя видами излучения, которые он назвал первыми буквами греческого алфавита (а-, (в- и у-лучами)). Эти излучения различны по своей физической природе и обладают разной проникающей и ионизирующей способностью.

Испытания в магнитном поле показали, что а-частицы имеют положительный заряд, в-частицы - отрицательный заряд, а у-частицы заряда не имеют. Биологическое действие а-, в- и у-излучений на организм и его физиологические системы различно.

Радиоактивные и нерадиоактивные изотопы - разновидности атомов химического элемента, отличающиеся друг от друга своей массой. Химические свойства изотопов одного и того же элемента почти идентичны, однако их физические и, в частности, радиоактивные свойства различны. Некоторые изотопы обнаружены в природных условиях- значительно больше их получено лабораторным путем.

Физик Д.Д. Иваненко предложил теорию строения ядра, согласно которой ядро состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы почти равны по своей массе, однако протоны заряжены положительно, а нейтроны заряда не несут.

Дальнейшие исследования показали, что у одного и того же химического элемента есть атомы, которые в ядре при одинаковом числе протонов и электронов содержат различное количество нейтронов. Такие атомы имеют одинаковые химические свойства, но отличаются физическими свойствами. Это и есть изотопы химических элементов.



Так, например, у водорода имеется два устойчивых нерадиоактивных изотопа - легкий водород и тяжелый водород - дейтерий. У легкого водорода ядро состоит только из одного протона, у тяжелого - из одного протона и одного нейтрона.

По своим физическим свойствам изотопы химических элементов могут быть радиоактивными и устойчивыми нерадиоактивными.

Радиоактивные изотопы характеризуются неустойчивостью их атомных ядер, причем переход в более устойчивое состояние сопровождается ионизирующим излучением.

В природе известны три материнских радиоактивных изотопа - уран, торий и актино-уран. Каждый из этих изотопов в процессе радиоактивного распада превращается в другие химические вещества, причем конечным устойчивым продуктом их распада является один из изотопов нерадиоактивного свинца.



Во всех трех семействах одним из продуктов радиоактивного распада является радиоактивный газ, который называют эманацией. В ряду урана - радия эманацией будет радон, тория - эманация тория (торон), актино-урана - актинон. При дальнейшем распаде эманация вновь превращается в металлы.

Проследим, как происходит радиоактивный распад изотопов ряда урана - радия, имеющих наиболее важное значение в медицинской практике.

Уран (U238) - радиоактивный химический элемент, массовое число которого равно 238, широко распространен в земной коре. Уран - серебристый металл, обладает высокой химической активностью. По физическим свойствам является альфа-активным элементом с периодом полураспада 4,5-10-9 лет. Уран являeтcя родоначальником радиоактивного семейства радия.

Радий (Ra226) открыт в 1898 г. М. Кюри-Склодовской и П. Кюри как продукт распада урана. Радий - щелочноземельный металл, массовое число которого равно 226, а период полураспада равен 1620 годам. Радиоактивный распад радия сопровождается а- и у-излучением. В медицинской практике, в том числе и для получения радона, обычно применяют хлористые, бромистые соли радия, которые хорошо растворяются в воде.

Радий, так же как и уран, широко распространен в природе - в горных породах, природных водах, а также в организмах растений, животных и человека. Предельно допустимая концентрация радия в бытовых питьевых водах не должна превышать 5-10-11 кюри/л. Радий в процессе распада превращается в радон (Rn222) (эманация радия).

Радон (Rn222) - газ, радиоактивный химический элемент- он открыт в 1900 г. физиками Э. Резерфордом и Е. Дорном и почти одновременно Дебверном. Массовое число радона равно 222, а заряд его ядра 86. Радон-222 - инертный газ, который также подвергается дальнейшим превращениям, сопровождающимся излучением.

Радон образуется непосредственно из радия. Он широко распространен в природе - в воздухе, минеральных и пресных водах и почве. В процессе распада радон испускает а-частицы, превращается в короткоживущий изотоп - радий А, давая начало группе так называемых дочерних продуктов радона, которые в больших или меньших количествах почти всегда имеются там, где находится радон. Приводим краткую характеристику радиоактивных изотопов, находящихся в радоновых водах (табл. 2).


Процесс радиоактивного распада и образования новых химических веществ подчиняется определенному закону. В то же время период радиоактивного распада для каждого изотопа - величина постоянная.

Время, необходимое для распада половины атомов радиоактивного изотопа, является величиной постоянной и называется периодом полураспада. Для каждого изотопа это время различно, оно изменяется от миллиардов лет (например, у U238) до долей секунд (радий С1). Для радона (Rn222) период полураспада равен 3,825 дня.

Радий А, радий В, радий С и радий С1 называют дочерними короткоживущими продуктами распада радона. В итоге все они превращаются в более устойчивый радий D (Ra D210), период полураспада которого 23,3 года.

Дочерние продукты радона, являясь металлами, оседают на любую поверхность, с которой они соприкасаются. При этом образуется активный налет, в котором происходит дальнейший радиоактивный распад.

Е.А. Смирнов-Каменский, С.М. Петелин