Свойства изотопов ряда радия

Видео: СТАЛКЕР ЧИСТОЕ НЕБО 7. Радиоактивные элементы

Радий и продукты его распада

Радий и продукты его распада — члены радиоактивного семейства урана-238.

Радий (86Ra226) — металл, по химическим свойствам аналог бария.

Характеристики радия и основных продуктов его распада даны в таблице.

Для получения радона используют хорошо растворимые соли радия в смеси с барием, не содержащие следов ионов SO4.

Раствор соли радия на дистиллированной воде, содержащей НС1, выделяет 100 % радона.

На выделение из раствора соли радия известное влияние оказывает адсорбция радия стеклом, которая заметна при рН 6,5—4,5 и становится ничтожно малой при рН 2,3.

Сульфаты, карбонаты, хроматы, фториды, оксалаты и фосфаты радия труднорастворимы. Все соли радия под действием собственного излучения постепенно разлагаются, при этом они окрашиваются в желтый, коричневый и оранжевый цвета.

Радон (86Ra222) — инертный газ, высший гомолог ксенона, обладает нулевой валентностью и соединений, обусловленных ионной или атомной связью, не дает. Радиологические характеристики радона приведены в таблице.

Радон образуется при распаде радия. 1 Ки (37 • 103 МБк) радона при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. занимает объем 0,65 мм3 и имеет массу 6,46 • 10-6 г. Такое количество радона образуется в состоянии радиоактивного равновесия из 1 г радия. Радон тяжелее воздуха в 7,6 раза. При температуре от -62 до -65 °С радон переходит в жидкое состояние, при температуре от -110 до -113 °С — в твердое. Жидкий радон сначала бесцветен, от продуктов распада он мутнеет. Жидкий радон вызывает зеленую флюоресценцию на стекле, твердый — светится ярким сине-стальным цветом. Часть энергии распада радона выделяется в виде тепла (1 Ки радона образует 29,8 кал/ч).


В замкнутом объеме между жидкой и газообразной средами, например между водой и воздухом, радон распределяется по закону Генри:
или
где Qb и Qж — количество радона в воздухе и жидкости соответственно при установившемся равновесии- Vb и Wж — объемы воздуха и жидкости- а — коэффициент распределения радона в данной жидкости по сравнению с воздухом (ав =1).

Коэффициент растворимости (а) радона в воде зависит от ее температуры.


Например, если объем воды и воздуха в сосуде равны, то при температуре 20 °С 1/4 радона будет находиться в воде, а 3/4 — в воздухе, причем с повышением температуры воды величина а уменьшается. При механическом перемешивании воды и воздуха в замкнутом 5,5 л объеме (5 л воды и 0,5 л воздуха), при помощи насоса «Малютка» с производительностью 2—3 л/мин равновесие практически достигается за 5—10 мин- при статическом режиме смешения для этого требуется 100 ч, при конвекционном — 64 ч. За одни сутки при статическом режиме в воде растворяется 0,676 от максимально растворяющегося количества радона, при конвекционном — 820.

Коэффициент растворимости радона

Имея малый коэффициент растворимости в воде и способность к диффузии, радон легко переходит из воды в воздух при их смешивании в открытом сосуде, выделяясь из воды в воздух тем быстрее, чем больше площадь их соприкосновения, чем меньше толщина слоя воды, чем выше ее температура и чем интенсивнее происходит перемешивание воды. Добавление в воду солей снижает растворимость радона, с увеличением концентрации соли влияние температуры на растворимость радона снижается и при высоких концентрациях солей становится незначительным.

В безводных растворителях радон растворяется значительно лучше, чем в воде.


Растворимость радона в смеси с другими жидкими растворителями (например, со спиртом) не больше, а меньше теоретически вычисленной по правилу смешения. В смесях неводных растворителей радон, напротив, растворяется лучше, чем в каждом отдельном компоненте смеси. В биологических средах радон растворяется также лучше, чем в воде.


Радон адсорбируется на поверхности многих твердых тел. Особенно хорошо он поглощается резиной, целлулоидом, воском, смолой, силикагелем, глиной, морской пеной и многими другими органическими коллоидными и полимерными веществами. Кровь растворяет радон в два раза лучше воды. Наилучшим адсорбентом радона является активированный уголь, поглощающий заметное количество радона даже при обычной температуре.

При понижении температуры угля от —80 до —90 °С адсорбция радона на нем заметно усиливается, при температуре жидкого воздуха радон адсорбируется на угле практически полностью и моментально. При температуре —140,7 °С (температура жидкого воздуха) радон полностью конденсируется в змеевике, через который пропускается струя сухой воздушно-радоновой смеси. При температуре 300— 400 С адсорбированный на угле радон практически полностью десорбируется.

Радон диффундирует в воздухе, жидкости и некоторых твердых телах. Коэффициент диффузии (D) радона в воздухе при нормальной температуре и давлении равен 0,1 см2/с.

Параметры сорбции радона

В таблице приведены параметры сорбции радона из воды некоторыми материалами, которые используются в технологическом оборудовании для работы с радоном. Из этой таблицы следует, что стекло и металлы наиболее пригодны для длительного хранения радоносодержащих сред. Жесткие органические полимерные материалы ограниченно пригодны для кратковременного хранения растворов радона, хотя могут применяться для изготовления трубопроводов и устройств, в которых радоновые среды движутся с достаточно большой скоростью или непрерывно обмениваются.

Из таблицы также следует, что особо осторожно следует использовать мягкие полимеры и резину для изоляции радоновых сред, поскольку эти материалы ведут себя по отношению к радону как органические растворители, их использование должно сопровождаться резким ограничением площади их контакта с радоновой средой, например только при изоляции мест сочленения стеклянных или металлических трубок. При определенных обстоятельствах резина или капрон могут быть использованы в качестве поглотителей радона из воды и воздуха для получения в нормальных условиях твердых концентратов радона.




При хранении радия в замкнутом сосуде накопление радона определяется уравнением:
где QRn — количество накопившегося в сосуде радона- QRa — количество в сосуде радия в граммах или кюри- е — основание натурального логарифма- &lambda-Rn — константа распада радона- t — время накопления.

Расчет величины QRn в зависимости от t обычно ведется с использованием таблиц экспоненциальных функций.

Практически радон приходит в состояние радиоактивного равновесия с радием через четыре недели после герметизации сосуда с радием. После отделения радона от радия распад радона определяется по формуле:
где N0 — исходное количество атомов- Nt — число атомов по прошествии времени t.

При распаде радона из него последовательно образуются RaA, RaB, RaC, RaC, которые носят название короткоживущих дочерних продуктов радона. Количество образующихся при распаде изотопов At218, Rn218 и RaC (Т1210) ничтожно и практического значения не имеет. Известны формулы, описывающие накопление и распад радиоактивного ряда изотопов (RaA, RaB, RaC).

Радиологические характеристики изотопов

RaA (изотоп полония) в присутствии радона за 20— 30 мин приходит с ним практически в состояние радиоактивного равновесия. Изолированный от радона, RaA за то же время почти полностью распадается и переходит в RaB.

RaB (изотоп свинца) — наиболее долго живущий из цепочки короткоживущих дочерних продуктов радона, поэтому он определяет время, за которое она приходит в равновесие с радоном (примерно 3 ч). За этот же срок при отделении от радона вся цепочка короткоживущих дочерних продуктов радона практически полностью распадается.

При распаде RaB образуется RaC (изотоп висмута). При распаде RaC происходит разветвление ряда, причем почти все его атомы (99,96 %) превращаются в RaC, испуская бета-частицы, и только 0,04 % переходит в RaC, испуская альфа-частицы.

Короткоживущие дочерние продукты имеют ряд общих свойств. Это атомы электрически заряженных тяжелых металлов. В воздухе они находятся в виде свободных атомов или в соединении с субмикроскопическими частицами (менее 0,035 мк) — ядрами конденсации. В виде свободных атомов в воздухе присутствуют главным образом атомы RaA (90 %) и RaB (10 %), которые очень подвижны (коэффициент диффузии 1—1,3 см/с). Атомы, связанные с ядрами конденсации, менее подвижны — коэффициент диффузии 0,045—0,015 см/с. Свободные атомы в большей степени, чем связанные, оседают на различных поверхностях, образуя активный налет дочерних продуктов радона. Время их жизни до оседания на поверхности и неактивных аэрозольных частицах не превышает 10—60 с.

В воздушно-радоновой ванне (ВРВ) практически 90 % дочерних продуктов радона за время процедуры (15— 20 мин) оседают из воздуха на внутренние стенки бокса, 5 % остается в воздухе, а остальные оседают на коже больного, находящегося в ванне.

Погруженные в радоновую воду поверхности легко покрываются осаждающимися на них дочерними продуктами радона, особенно при движении погруженного в воду тела- дочерние продукты в воде диффундируют.

Соотношение активности радона и его дочерних продуктов в воде и воздухе может колебаться в очень широких пределах — от радиоактивного равновесия всей цепочки до практически полного отсутствия дочерних продуктов в воде и воздухе.

Распад короткоживущих продуктов приводит к образованию первого долгоживущего продукта распада радона — RaD.
RaD (изотоп свинца) обладает значительно большим в сравнении с RaC периодом полураспада (22 года) и поэтому не может прийти с ним в радиоактивное равновесие, если они изолированы от Ra226.

Активность RaD при полном распаде атомов радона будет составлять только 0,005 от первоначальной активности радона. Тем не менее в старых радиевых препаратах RaD может накапливаться в заметных количествах: например, 1 г радия за 22 года дает 500 мКи RaD.

RaD переходит в RaE (изотоп висмута). Из него образуется RaF (изотоп полония), из которого в свою очередь образуется стабильный изотоп свинца Рb206.

Полоний, как и RaD, накапливается в старых радиевых препаратах. В равновесии с 1 г радия накапливается 2,24 • 10-4 г полония. Являясь сильным коллоидообразователем, полоний очень легко сорбируется пылью, фильтрами, поверхностью посуды и т.д. в умеренно кислой среде, обладает способностью образовывать большое число комплексных соединений и легко возгоняется при температуре 450 °С.

Излучение радона и его дочерних продуктов оказывает значительное действие на окружающие их вещества. Стекло (в том числе и кварцевое) под действием радиоактивных излучений постепенно становится хрупким и меняет свою окраску. Радиевые растворы своим излучением разлагают воду с образованием Н2, О2, О3 и Н2О2, т.е. с образованием гремучего газа. Радий в растворе (1 г) выделяет от 0,5 до 1 см3 газа в час.

В практике имели место случаи, когда водный раствор, содержащий 0,5—0,6 г радиевой соли, налитый до 3/4 объема в запаянный сосуд, самопроизвольно взрывался от длительного (в течение месяца) хранения при комнатной температуре. Главной причиной взрыва была недостаточная величина пространства газа над жидкостью. Возможны взрывы запаянных ампул с радиевой солью в момент их вскрытия за счет накопления в них гремучего газа.

Изотопы ряда радия в природе распространены повсюду на земной поверхности. В связи с этим радий, радон и его дочерние продукты содержатся в почве, воде и атмосферном воздухе. Содержание радона над сушей составляет в среднем 1 • 10-13 Ки/л. В почве содержание радона, как правило, в 100 раз больше. В воде рек, озер и океанов радон практически отсутствует в связи с благоприятными условиями для перехода его в атмосферу. В водах осадочных пород радон содержится в концентрациях от 1,5 до 6 • 10-11 Ки/л, радий — 2—3 • 10-12 г/л.

В водах кислых магматических пород содержание радона в среднем составляет 1 • 10-9 Ки/л, радия — 2—4 • 10-12 г/л. В водах урановых месторождений содержание радона составляет в среднем 0,5—1 • 10-8 Ки/л, радия — 6—8 • 10-11 г/л. В больших концентрациях радон содержится в водах ряда радиоактивных целебных источников, минеральные воды которых содержат не менее 5 нКи/л—10 нКи/л радона.

Уран, радий, торий

Помимо радона, в воде некоторых целебных источников могут выявляться в повышенных концентрациях уран, радий, торий.

Содержание радия или урана в минеральной воде допустимо в двенадцатикратном превышении по отношению к допустимому этих изотопов в воде источников питьевого водоснабжения. Это основано на том, что применение воды для питья на курорте не превышает 1 мес в году (питьевая же вода принимается ежедневно на протяжении всей жизни).
Отсюда следует, что в соответствии с НРБ-99 содержание радия в минеральной питьевой воде не должно превышать 0,2 • 10-9 Ки/л (7,2 Бк/л), а урана — 37,2 Бк/л.

Так или иначе поступление этих изотопов в организм с минеральной водой не должно превышать величин предельного годового поступления, приведенных в НРБ-99 (8,4 • 103 Бк/год и 6,7 • 102 Бк/год соответственно). В связи с этим прием ванн с содержанием радия выше 0,2 • 109 Ки/л нецелесообразен.

В РФ только воды Ухты не разрешены к использованию в практике курортного лечения (запрещены в 30-е годы нашего столетия).

И.И.Гусаров