Природный стронций состоит из четырех стабильных изотопов 88 Sr (82,56%), 86 Sr (9,86%), 87 Sr (7,02%) и 84 Sr (0,56%). Распространенность изотопов стронция варьируетcя в связи с образованием 87 Sr за счет распада природного 87 Rb. По этой причине точный изотопный состав стронция в породе или минерале, которые содержат рубидий, зависит от возраста и отношения Rb/Sr в данной породе или минерале.
Искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами от 80 до 97, в том числе 90 Sr (Т 1/2 = 29,12 года), образующийся при делении урана. Степень окисления +2, очень редко +1.
История открытия элемента.
Свое название стронций получил от минерала стронцианита, найденного в 1787 в свинцовом руднике около Стронциана (Шотландия). В 1790 английским химиком Адером Кроуфордом (Crawford Ader) (1748–1795) было показано, что стронцианит содержит новую, еще неизвестную «землю». Эту особенность стронцианита установил также и немецкий химик Мартин Генрих Клапрот (Klaproth Martin Heinrich) (1743–1817). Английский химик Т.Хоп (Hope T.) в 1791 доказал, что в стронцианите содержится новый элемент. Он четко разграничил соединения бария, стронция и кальция, используя, помимо других методов, характерную окраску пламени: желто-зеленую для бария, ярко-красную для стронция и оранжево-красную для кальция.
Независимо от западных ученых, петербургский академик Тобиаш (Товий Егорович) Ловиц (1757–1804) в 1792, исследуя минерал барит, пришел к заключению, что в нем, помимо оксида бария, в качестве примеси находится и «стронцианова земля». Он сумел извлечь из тяжелого шпата более 100 г новой «земли» и исследовал ее свойства. Результаты этой работы были опубликованы в 1795. Ловиц писал тогда: «Я был приятно поражен, когда прочел... прекрасную статью г-на профессора Клапрота о стронциановой земле, о которой до этого имелось очень неясное представление... Все указанные им свойства солекислых и селитрокислых средних солей во всех пунктах совершеннейшим образом совпадают со свойствами моих таких же солей... Мне оставалось только проверить... замечательное свойство стронциановой земли – окрашивать спиртовое пламя в карминово-красный цвет, и, действительно, моя соль... обладала в полной мере этим свойством».
В свободном виде стронций первым выделил английский химик и физик Гемфри Дэви в 1808. Металлический стронций был получен при электролизе его увлажненного гидроксида. Выделявшийся на катоде стронций соединялся с ртутью, образуя амальгаму. Разложив амальгаму нагреванием, Дэви выделил чистый металл.
Распространенность стронция в природе и его промышленное получение. Содержание стронция в земной коре составляет 0,0384%. Он является пятнадцатым по распространенности и следует сразу за барием, немного уступая фтору. В свободном виде стронций не встречается. Он образует около 40 минералов. Наиболее важный из них – целестин SrSO 4 . Добывают также стронцианит SrCO 3 . Стронций присутствует в качестве изоморфной примеси в различных магниевых, кальциевых и бариевых минералах.
Стронций содержится и в природных водах. В морской воде его концентрация составляет 0,1 мг/л. Это означает, что в водах Мирового океана содержатся миллиарды тонн стронция. Минеральные воды, содержащие стронций, считают перспективным сырьем для выделения этого элемента. В океане часть стронция концентрируется в железомарганцевых конкрециях (4900 т в год). Стронций накапливается также простейшими морскими организмами – радиоляриями, скелет которых построен из SrSO 4 .
Доскональная оценка мировых промышленных ресурсов стронция не проводилась, но полагают, что они превышают 1 млрд. т.
Наиболее крупные залежи целестина – в Мексике, Испании и Турции. В России подобные месторождения есть в Хакассии, Пермской и Тульской области. Однако потребности в стронции в нашей стране удовлетворяются, в основном, за счет импорта, а также переработки апатитового концентрата, где карбонат стронция составляет 2,4%. Специалисты считают, что добыча стронция в недавно открытом Кишертском месторождении (Пермская область) может повлиять на ситуацию на мировом рынке этого продукта. Цена на пермский стронций может оказаться примерно в 1,5 раза ниже, чем на американский, стоимость которого сейчас составляет около 1200 долл. за тонну.
Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического стронция.
Металлический стронций имеет серебристо-белую окраску. В неочищенном состоянии он окрашен в бледно-желтый цвет. Это сравнительно мягкий металл, легко режется ножом. При комнатной температуре стронций имеет кубическую гранецентрированную решетку (a -Sr); при температуре выше 231° С превращается в гексагональную модификацию (b -Sr); при 623° С переходит в кубическую объёмноцентрированную модификацию (g -Sr). Стронций относится к легким металлам, плотность его a -формы 2,63г/см3 (20° С). Температура плавления стронция равна 768° С, температура кипения составляет 1390° С.
Являясь щелочноземельным металлом, стронций активно реагирует с неметаллами. При комнатной температуре металлический стронций покрывается пленкой из оксида и пероксида. При нагревании на воздухе воспламеняется. Стронций легко образует нитрид, гидрид и карбид. При повышенных температурах стронций реагирует с диоксидом углерода:
5Sr + 2CO 2 = SrC 2 + 4SrO
Металлический стронций взаимодействует с водой и кислотами, выделяя из них водород:
Sr + 2H 3 O + = Sr 2+ + H 2 + 2H 2 O
Реакция не идет в тех случаях, когда образуются малорастворимые соли.
Стронций растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синих растворов, из которых при выпаривании можно получить блестящий аммиакат медного цвета Sr(NH 3) 6 , постепенно разлагающийся до амида Sr(NH 2) 2 .
Для получения металлического стронция из природного сырья целестиновый концентрат сначала восстанавливают при нагревании углем до сульфида стронция. Затем сульфид стронция обрабатывают соляной кислотой, а полученный хлорид стронция обезвоживают. Стронцианитовый концентрат разлагают обжигом при 1200° С, а затем растворяют образовавшийся оксид стронция в воде или кислотах. Нередко стронцианит сразу растворяют в азотной или соляной кислоте.
Металлический стронций получают электролизом смеси расплавленных хлорида стронция (85%) и хлорида калия или аммония (15%) на никелевом или железном катоде при 800° С. Полученный этим методом стронций обычно содержит 0,3–0,4% калия.
Используют также высокотемпературное восстановление оксида стронция алюминием:
4SrO + 2Al = 3Sr + SrO·Al 2 O 3
Для металлотермического восстановления оксида стронция применяют также кремний или ферросилиций. Процесс ведут при 1000° С в вакууме в стальной трубке. Хлорид стронция восстанавливают металлическим магнием в атмосфере водорода.
Крупнейшими производителями стронция являются Мексика, Испания, Турция и Великобритания.
Несмотря на довольно большое содержание в земной коре, широкого применения металлический стронций еще не нашел. Как и другие щелочноземельные металлы, он способен очищать черный металл от вредных газов и примесей. Это свойство дает стронцию перспективу применения в металлургии. Кроме того, стронций является легирующей добавкой к сплавам магния, алюминия, свинца, никеля и меди.
Металлический стронций поглощает многие газы и поэтому используется в качестве геттера в электровакуумной технике.
Соединения стронция.
Преобладающая степень окисления (+2) для стронция обусловлена, в первую очередь, его электронной конфигурацией. Он образует многочисленные бинарные соединения и соли. В воде хорошо растворимы хлорид, бромид, иодид, ацетат и некоторые другие соли стронция. Большинство солей стронция мало растворимы; среди них сульфат, фторид, карбонат, оксалат. Малорастворимые соли стронция легко получаются обменными реакциями в водном растворе.
Многие соединения стронция имеют необычное строение. Например, изолированные молекулы галогенидов стронция заметно изогнуты. Валентный угол составляет ~120° для SrF 2 и ~115° – для SrCl 2 . Это явление можно объяснить с помощью sd- (а не sp-) гибридизации.
Оксид стронция SrO получают прокаливанием карбоната или дегидратацией гидроксида при температуре красного каления. Энергия решетки и температура плавления этого соединения (2665° С) очень высоки.
При прокаливании оксида стронция в кислородной среде при высоком давлении образуется пероксид SrO 2 . Получен также желтый надпероксид Sr(O 2) 2 . При взаимодействии с водой оксид стронция образует гидроксид Sr(OH) 2 .
Оксид стронция – компонент оксидных катодов (эмиттеров электронов в электровакуумных приборах). Он входит в состав стекла кинескопов цветных телевизоров (поглощает рентгеновское излучение), высокотемпературных сверхпроводников, пиротехнических смесей. Его применяют как исходное вещество для получения металлического стронция.
В 1920 американец Хилл впервые применил матовую глазурь, в состав которой входили оксиды стронция, кальция и цинка, однако этот факт остался незамеченным, и новая глазурь не стала конкурентом традиционных свинцовых глазурей. Лишь в годы Второй мировой войны, когда свинец стал особо дефицитным, вспомнили об открытии Хилла. Это вызвало лавину исследований: в разных странах появились десятки рецептур стронциевых глазурей. Стронциевые глазури не только менее вредны по сравнению со свинцовыми, но и более доступны (карбонат стронция в 3,5 раза дешевле свинцового сурика). При этом им свойственны все положительные качества свинцовых глазурей. Более того, изделия, покрытые такими глазурями, приобретают дополнительную твердость, термостойкость, химическую стойкость.
На основе оксидов кремния и стронция готовят также эмали – непрозрачные глазури. Непрозрачными их делают добавки окислов титана и цинка. Изделия из фарфора, особенно вазы, часто украшают глазурью «кракле». Такая ваза словно покрыта сеткой окрашенных трещин. Основа технологии «кракле» – разные коэффициенты термического расширения глазури и фарфора. Фарфор, покрытый глазурью, обжигают при температуре 1280–1300° C, затем температуру снижают до 150–220° C и еще не до конца остывшее изделие опускают в раствор красящих солей (например, солей кобальта, если нужно получить черную сетку). Эти соли заполняют возникающие трещины. После этого изделие сушат и вновь нагревают до 800–850° C – соли плавятся в трещинах и герметизируют их.
Гидроксид стронция Sr(OH)2 считают умеренно сильным основанием. Он не очень хорошо растворим в воде, поэтому его можно осадить при действии концентрированного раствора щелочи:
SrCl 2 + 2KOH(конц) = Sr(OH) 2 Ї + 2KCl
При обработке кристаллического гидроксида стронция пероксидом водорода образуется SrO 2 ·8H 2 O.
Гидроксид стронция может применяться для выделения сахара из патоки, однако обычно используют более дешевый гидроксид кальция.
Карбонат стронция SrCO 3 мало растворим в воде (2·10 –3 г в 100 г при 25° С). В присутствии избытка диоксида углерода в растворе он превращается в гидрокарбонат Sr(HCO 3) 2 .
При нагревании карбонат стронция разлагается на оксид стронция и диоксид углерода. Он взаимодействует с кислотами с выделением диоксида углерода и образованием соответствующих солей:
SrCO 2 + 3HNO 3 = Sr(NO 3) 2 + CO 2 + H 2 O
Основные сферы карбоната стронция в современном мире – производство кинескопов для цветных телевизоров и компьютеров, керамических ферритовых магнитов, керамических глазурей, зубной пасты, антикоррозионных и фосфоресцирующих красок, высокотехнологичной керамики, в пиротехнике. Наиболее емкими направлениями потребления являются первые два. При этом спрос на карбонат стронция в производстве телевизионного стекла повышается с ростом популярности телеэкранов более крупных размеров. Возможно, развитие технологии производства плоских телеэкранов снизит спрос на карбонат стронция для телевизионных дисплеев, однако эксперты в промышленности считают, что в ближайшие 10 лет плоские телеэкраны не станут значительными конкурентами традиционных.
Европа потребляет львиную долю карбоната стронция для производства ферритовых стронциевых магнитов, которые используются в автомобильной промышленности, где они применяются для магнитных задвижек в дверцах автомобилей и тормозных системах. В США и Японии карбонат стронция используют преимущественно в производстве телевизионного стекла.
В течение многих лет крупнейшими в мире производителями карбоната стронция являлись Мексика и Германия, производственные мощности по выпуску этого товара в которых сейчас составляют соответственно 103 тыс. и 95 тыс. т в год. В Германии используют в качестве сырья импортный целестин, а мексиканские заводы работают на местном сырье. В последнее время годовые мощности по производству карбоната стронция расширились в Китае (примерно до 140 тыс. т). Китайский карбонат стронция активно продается в Азии и Европе.
Нитрат стронция Sr(NO 3) 2 хорошо растворим в воде (70,5 г в 100 г при 20° С). Его получают взаимодействием металлического стронция, оксида, гидроксида или карбоната стронция с азотной кислотой.
Нитрат стронция – компонент пиротехнических составов для сигнальных, осветительных и зажигательных ракет. Он окрашивает пламя в карминово-красный цвет. Хотя другие соединения стронция придают пламени такую же окраску, в пиротехнике предпочитают использовать именно нитрат: он не только окрашивает пламя, но одновременно служит окислителем. Разлагаясь в пламени, он выделяет свободный кислород. При этом сначала образуется нитрит стронция, который затем превращается в оксиды стронция и азота.
В России соединения стронция широко использовались в пиротехнических составах. Во времена Петра Первого (1672–1725) их применяли для получения «потешных огней», устраивавшихся при проведении различных торжеств и празднеств. Академик А.Е.Ферсман назвал стронций «металлом красных огней».
Сульфат стронция SrSO 4 мало растворим в воде (0,0113 г в 100 г при 0° С). При нагревании выше 1580° С он разлагается. Его получат осаждением из растворов солей стронция сульфатом натрия.
Сульфат стронция используется как наполнитель при изготовлении красок и резины и утяжелитель в буровых растворах.
Хромат стронция SrCrO 4 осаждается в виде желтых кристаллов при смешивании растворов хромовой кислоты и гидроксида бария.
Дихромат стронция, образующийся при действии кислот на хромат, хорошо растворим в воде. Для перевода хромата стронция в дихромат достаточно такой слабой кислоты, как уксусная:
2SrCrO 4 + 2CH 3 COOH = 2Sr 2+ + Cr 2 O 7 2– + 2CH 3 COO – + H 2 O
Так его можно отделить от менее растворимого хромата бария, который удается превратить в дихромат только действием сильных кислот.
Хромат стронция обладает высокой светостойкостью, он очень устойчив к воздействию высоких температур (до 1000° С), обладает хорошими пассивирующими свойствами по отношению к стали, магнию и алюминию. Хромат стронция применяется как желтый пигмент в производстве лаков и художественных красок. Его называют «стронциановый желтый». Он входит в состав грунтовок на основе водорастворимых смол и особенно грунтовок на основе синтетических смол для легких металлов и сплавов (авиагрунтовок).
Титанат стронция SrTiO 3 не растворяется в воде, однако переходит в раствор под действием горячей концентрированной серной кислоты. Его получают спеканием оксидов стронция и титана при 1200–1300° С или соосажденных труднорастворимых соединений стронция и титана выше 1000° С. Титанат стронция применяют как сегнетоэлектрик, он входит в состав пьезокерамики. В технике сверхвысоких частот он служит в качестве материала для диэлектрических антенн, фазовращателей и других устройств. Пленки из титаната стронция используют при изготовлении нелинейных конденсаторов и датчиков инфракрасного излучения. С их помощью создают слоистые структуры диэлектрик – полупроводник – диэлектрик – металл, которые применяются в фотоприемниках, запоминающих устройствах и других приборах.
Гексаферрит стронция SrO·6Fe 2 O 3 получают спеканием смеси оксида железа (III) и оксида стронция. Это соединение используют в качестве магнитного материала.
Фторид стронция SrF 2 мало растворим в воде (чуть более 0,1 г в 1 л раствора при комнатной температуре). Он не взаимодействует с разбавленными кислотами, но переходит в раствор под действием горячей соляной кислоты. В криолитовых копях Гренландии найден минерал, содержащий фторид стронция – ярлит NaF·3SrF 2 ·3AlF 3 .
Фторид стронция используется в качестве оптического и ядерного материла, компонента специальных стекол и люминофоров.
Хлорид стронция SrCl 2 хорошо растворим в воде (34,6% по массе при 20° С). Из водных растворов ниже 60,34° С кристаллизуется гексагидрат SrCl 2 ·6H 2 O, расплывающийся на воздухе. При более высоких температурах он теряет сначала 4 молекулы воды, затем еще одну, а при 250° С полностью обезвоживается. В отличие от гексагидрата хлорида кальция гексагидрат хлорида стронция мало растворим в этаноле (3,64% по массе при 6° С), что используется для их разделения.
Хлорид стронция используется в пиротехнических составах. Его применяют также в холодильной технике, медицине, косметике.
Бромид стронция SrBr 2 гигроскопичен. В насыщенном водном растворе его массовая доля составляет 50,6% при 20° С. Ниже 88,62° С из водных растворов кристаллизуется гексагидрат SrBr 2 ·6H 2 O, выше этой температуры – моногидрат SrBr 3 ·H 2 O. Гидраты полностью обезвоживаются при 345° С.
Бромид стронция получают реакцией стронция с бромом или оксида (либо карбоната) стронция с бромоводородной кислотой. Он используется в качестве оптического материала.
Иодид стронция SrI 2 хорошо растворим в воде (64,0% по массе при 20° С), хуже – в этаноле (4,3% по массе при 39° С). Ниже 83,9° С из водных растворов кристаллизуется гексагидрат SrI 2 ·6H 2 O, выше этой температуры – дигидрат SrI 2 ·2H 2 O.
Иодид стронция служит в качестве люминесцентного материала в сцинтилляционных счетчиках.
Сульфид стронция SrS получают при нагревании стронция с серой или восстановлением сульфата стронция углем, водородом и другими восстановителями. Его бесцветные кристаллы разлагаются водой. Сульфид стронция применяется как компонент люминофоров, фосфоресцирующих составов, средств для удаления волос в кожевенной промышленности.
Карбоксилаты стронция можно получить при взаимодействии гидроксида стронция с соответствующими карбоновыми кислотами. Стронциевые соли жирных кислот («стронциевые мыла») используют для изготовления специальных консистентных смазок.
Стронциеорганические соединения . Чрезвычайно активные соединения состава SrR 2 (R = Me, Et, Ph, PhCH 2 и т.д.) могут быть получены при использовании HgR 2 (часто лишь при низкой температуре).
Бис(циклопентадиенил)стронций является продуктом прямой реакции металла с или с самим циклопентадиеном
Биологическая роль стронция.
Стронций – составная часть микроорганизмов, растений и животных. У морских радиолярий скелет состоит из сульфата стронция – целестина. Морские водоросли содержат 26–140 мг стронция на 100 г сухого вещества, наземные растения – около 2,6, морские животные – 2–50, наземные животные – около 1,4, бактерии – 0,27–30. Накопление стронция различными организмами зависит не только от их вида, особенностей, но и от соотношения содержания стронция и других элементов, главным образом кальция и фосфора, в окружающей среде.
Животные получают стронций с водой и пищей. Некоторые вещества, например полисахариды водорослей, препятствует усвоению стронция. Стронций накапливается в костной ткани, в золе которой содержится около 0,02% стронция (в других тканях – около 0,0005%).
Соли и соединения стронция относятся к малотоксичным веществам, однако при избытке стронция поражаются костная ткань, печень и мозг. Будучи близок к кальцию по химическим свойствам, стронций резко отличается от него по своему биологическому действию. Избыточное содержание этого элемента в почвах, водах и продуктах питания вызывает «уровскую болезнь» у человека и животных (по названию реки Уров в Восточном Забайкалье) – поражение и деформацию суставов, задержку роста и другие нарушения.
Особенно опасны радиоактивные изотопы стронция.
В результате ядерных испытаний и аварий на АЭС в окружающую среду поступило большое количество радиоактивного стронция-90, период полураспада которого составляет 29,12 года. До тех пор, пока не были запрещены испытания атомного и водородного оружия в трех средах, число пострадавших от радиоактивного стронция росло из года в год.
В течение года после завершения атмосферных ядерных взрывов в результате самоочищения атмосферы большая часть радиоактивных продуктов, в том числе стронция-90, выпала из атмосферы на поверхность земли. Загрязнение природной среды за счет выведения из стратосферы радиоактивных продуктов ядерных взрывов, проводившихся на полигонах планеты в 1954–1980, сейчас играет второстепенную роль, вклад этого процесса в загрязнение атмосферного воздуха 90 Sr на два порядка меньше, чем от ветрового подъема пыли с почвы, загрязненной при ядерных испытаниях и в результате радиационных аварий.
Стронций-90, наряду с цезием-137, являются основными загрязняющими радионуклидами на территории России. На радиационную обстановку существенно влияет наличие загрязненных зон, появившихся вследствие аварий на Чернобыльской АЭС в 1986 и на ПО «Маяк» в Челябинской области в 1957 («Кыштымская авария»), а также в окрестностях некоторых предприятий ядерно-топливного цикла.
Сейчас время средние концентрации 90 Sr в воздухе за пределами территорий, загрязненных в результате Чернобыльской и Кыштымской аварий, вышли на уровни, наблюдавшиеся до аварии на Чернобыльской АЭС. В гидрологических системах, связанных с зонами, загрязненными при этих авариях, существенно сказывается смыв стронция-90 с поверхности почвы.
Попадая в почву, стронций вместе с растворимыми соединениями кальция поступает в растения. Больше других накапливают 90 Sr бобовые растения, корне- и клубнеплоды, меньше – злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах и плодах накапливается значительно меньше 90 Sr, чем в других органах (например, в листьях и стеблях пшеницы 90 Sr в 10 раз больше, чем в зерне).
Из растений стронций-90 может непосредственно или через животных перейти в организм человека. У мужчин стронций-90 накапливается в большей степени, чем у женщин. В первые месяцы жизни ребенка отложение стронция-90 на порядок выше, чем у взрослого человека, он поступает в организм с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.
Радиоактивный стронций сосредотачивается в скелете и, таким образом, подвергает организм длительному радиоактивному воздействию. Биологическое действие 90 Sr связано с характером его распределения в организме и зависит от дозы b -облучения, создаваемого им и его дочерним радиоизотопом 90 Y. При длительном поступлении 90 Sr в организм даже в относительно небольших количествах, в результате непрерывного облучения костной ткани, могут развиваться лейкемия и рак костей. Полный распад стронция-90, попавшего в окружающую среду, произойдет лишь через несколько сотен лет.
Применение стронция-90.
Радиоизотоп стронция применяется в производстве атомных электрических батарей. Принцип действия таких батарей основан на способности стронция-90 излучать электроны, обладающие большой энергией, преобразуемой затем в электрическую. Элементы из радиоактивного стронция, соединенные в миниатюрную батарейку (размером со спичечную коробку), способны безотказно служить без перезарядки 15–25 лет, такие батареи незаменимы для космических ракет и искусственных спутников Земли. А швейцарские часовщики с успехом используют крохотные стронциевые батарейки для питания электрочасов.
Отечественными учеными создан изотопный генератор электрической энергии для питания автоматических метеостанций на основе стронция-90. Гарантийный срок службы такого генератора – 10 лет, в течение которых он способен снабжать электрическим током нуждающиеся в нем приборы. Все обслуживание его заключается лишь в профилактических осмотрах – раз в два года. Первые образцы генератора установлены в Забайкалье и в верховьях таежной речки Кручины.
В Таллинне работает атомный маяк. Главная его особенность – радиоизотопные термоэлектрические генераторы, в которых в результате распада стронция-90 возникает тепловая энергия, преобразуемая затем в световую.
Устройства, в которых используется радиоактивный стронций, применяются для измерения толщины. Это необходимо для контроля и управления процессом производства бумаги, тканей, тонких металлических лент, пластмассовых пленок, лакокрасочных покрытий. Изотоп стронция используется в приборах для измерения плотности, вязкости и других характеристик вещества, в дефектоскопах, дозиметрах, сигнализаторах. На машиностроительных предприятиях часто можно встретить так называемые b -реле, они контролируют подачу заготовок на обработку, проверяют исправности инструмента, правильность положения детали.
При производстве материалов, являющихся изоляторами (бумага, ткани, искусственное волокно, пластмассы и т. д.), вследствие трения возникает статическое электричество. Чтобы избежать этого, пользуются ионизирующими стронциевыми источниками.
Елена Савинкина
Миф 02. Самый опасный радионуклид - стронций
Есть такой миф, будто самый опасный радионуклид - это стронций-90. Откуда взялась эта мрачная популярность? Ведь в работающем ядерном реакторе образуется 374 искусственных радионуклида, из них одного стронция - 10 разных изотопов. Нет, подавай нам стронций не абы какой, а именно стронций-90.
Возможно, в головах читателей мелькает смутная мысль о таинственном периоде полураспада, о долгоживущих и короткоживущих радионуклидах? Что же, попробуем разобраться. Кстати, не пугайтесь слова радионуклид. Сегодня этим термином принято называть радиоактивные изотопы. Именно так - радионуклид, а не исковерканный «радионуклеид» или даже «радионуклеотид». Со взрыва первой атомной бомбы прошло 70 лет, и многие термины обновились. Сегодня вместо «атомный котёл» мы говорим: «ядерный реактор», вместо «радиоактивные лучи» - «ионизирующие излучения», ну, а вместо «радиоактивный изотоп» - «радионуклид».
Но вернемся к стронцию. И в самом деле, всенародная любовь к стронцию-90 связана с его периодом полураспада. А кстати, что это такое: период полураспада? Дело в том, что радионуклиды тем и отличаются от стабильных изотопов, что их ядра неустойчивы, нестабильны. Рано или поздно они распадаются - это и называется радиоактивным распадом. При этом радионуклиды, превращаясь в другие изотопы, испускают эти самые ионизирующие излучения. Так вот, различные радионуклиды нестабильны в разной степени. Одни распадаются очень медленно, в течение сотен, тысяч, миллионов и даже миллиардов лет. Их называют долгоживущими радионуклидами. Например, все природные изотопы урана - долгоживущие. А есть короткоживущие радионуклиды, они распадаются быстро: в течение секунд, часов, суток, месяцев. Но радиоактивный распад всегда происходит по одному и тому же закону (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Закон радиоактивного распада
Сколько бы мы ни взяли радионуклида (тонну или миллиграмм), половина этого количества всегда распадается за одинаковый (для данного радионуклида) промежуток времени. Его-то и называют «периодом полураспада» и обозначают: Т
Повторим: этот временной промежуток уникален и неизменен для каждого радионуклида. Можно делать что угодно с тем же стронцием-90: нагревать, охлаждать, сжимать под давлением, облучать лазером, - всё равно половина любой порции стронция распадётся за 29,1 лет, половина оставшегося количества - ещё в течение 29,1 лет и так далее. Считается, что через 20 периодов полураспада радионуклид исчезает полностью.
Чем быстрее распадается радионуклид, тем он более радиоактивен, ведь каждый распад сопровождается выбросом одной порции ионизирующего излучения в виде альфа- или бета-частицы, иногда «в сопровождении» гамма-излучения («чистого» гамма-распада в природе не существует). Но что значит «большая» или «маленькая» радиоактивность, в чём её измерить?
Для этой цели используют понятие активность. Активность позволяет оценить интенсивность радиоактивного распада в цифрах. Если в секунду происходит один распад, говорят: «Активность радионуклида равна одному беккерелю (1 Бк)». А раньше использовали намного более крупную единицу - кюри: 1 Ки = 37 миллиардов Бк. Конечно, сравнивать следует одинаковые количества разных радионуклидов, например 1 кг или 1 мг. Активность единицы массы радионуклида называют удельной активностью. Вот она-то, эта самая удельная активность, обратно пропорциональна периоду полураспада данного радионуклида (так, надо передохнуть). Давайте сравним эти характеристики для самых известных радионуклидов (таблица).
Так почему же всё-таки стронций-90? Вроде бы ничем особенным не выделяется - так, серединка на половинку. И как раз в этом всё дело! Сначала попробуем ответить на один (сразу предупреждаю) провокационный вопрос. Какие радионуклиды опаснее: короткоживущие или долгоживущие? Так, мнения разделились.
Таблица 2.1. Радиационные характеристики некоторых радионуклидов
С одной стороны, опаснее короткоживущие: они более активны. А с другой стороны, после быстрого распада «коротышей» проблема радиации исчезает. Кто постарше, помнит: сразу после чернобыльской аварии больше всего шума было вокруг радиоактивного йода. Короткоживущий йод-131 подорвал здоровье многих чернобыльцев. Зато сегодня с этим радионуклидом проблем нет. Уже через полгода после аварии выброшенный из реактора йод-131 распался, даже следа не осталось.
Теперь о долгоживущих изотопах. Их период полураспада может составлять миллионы и миллиарды лет. Такие нуклиды малоактивны. Поэтому в Чернобыле не было, нет и не будет проблем с радиоактивным загрязнением территорий ураном. Хотя по массе выброшенных из реактора химических элементов лидировал именно уран, причём с большим отрывом. Но кто же измеряет радиацию в тоннах? По активности, по беккерелям уран не представляет серьёзной опасности: слишком долгоживущий.
И вот теперь мы подошли к ответу на вопрос о стронции-90. У этого изотопа период полураспада равен 29 лет. Очень «противный» срок, ибо соизмерим с продолжительностью жизни человека. Стронций-90 достаточно долгоживущий, чтобы загрязнить территорию на десятки и сотни лет. Но не настолько долгоживущий, чтобы иметь низкую удельную активность. По значению периода полураспада к стронцию очень близок цезий-137 (30 лет). Вот почему при радиационных авариях именно эта «сладкая парочка» создаёт большую часть «долгоиграющих» проблем. Кстати, в негативных последствиях чернобыльской аварии гамма-активный (потерпите три странички) цезий виновен сильнее «чистого» бета-излучателя стронция.
А пройдет лет шестьсот, и в зоне чернобыльской аварии не останется ни цезия, ни стронция. И тогда на первое место выйдет… Вы уже догадались, верно? Плутоний! Но мы ещё далеки от понимания главной проблемы - опасности разных радионуклидов для здоровья. Ведь период полураспада, как и удельная активность, напрямую с такой опасностью не связан. Эти свойства характеризуют лишь сам радионуклид.
Возьмём, к примеру, одинаковые количества урана-238 и стронция-90: одинаковые по активности, а конкретно - по миллиарду беккерелей каждого. Для урана-238 - это около 80 кг, а для стронция-90 - всего 0,2 мг. Будет ли отличаться их опасность для здоровья? Как небо от земли! Рядом со слитком урана массой 80 кг можно спокойно стоять, можно посидеть на нём безо всякого вреда для здоровья, ведь почти все альфа-частицы, образующиеся в процессе распада урана, останутся внутри слитка. А вот такое же по активности и при этом ничтожно малое по массе количество стронция-90 чрезвычайно опасно. Если человек находится рядом без средств защиты, то за короткое время он получит как минимум радиационные ожоги глаз и кожи.
Знаете, на что похожа удельная активность? Тут напрашивается аналогия - скорострельность оружия. Помните, что вопрос об опасности долго- и короткоживущих радионуклидов - провокационный? Так оно и есть! Всё равно, что спросить: «Какое оружие опасней: которое делает сто выстрелов в минуту или один выстрел в час?». Здесь важнее другое: калибр оружия, чем оно стреляет и, самое главное, долетит ли пуля до цели, поразит ли её, и какие при этом будут повреждения?
Начнём с простого - с «калибра». Вы наверняка и раньше слышали об альфа-, бета- и гамма-излучениях. Именно эти виды излучений образуются при радиоактивных распадах (вернёмся к таблице 1). У таких излучений имеются как общие свойства, так и различия.
Общие свойства: все три вида излучений относят к ионизирующим. Что это значит? Энергия излучений чрезвычайно высока. Настолько, что при попадании в другой атом они выбивают с его орбиты электрон. Атом-мишень при этом превращается в положительно заряженный ион (вот почему излучения - ионизирующие). Именно высокая энергия отличает ионизирующие излучения от всех прочих излучений, например, от микроволнового или ультрафиолетового.
Чтобы стало совсем понятно, представим атом. При огромном увеличении он выглядит как маковое зерно (ядро атома), окружённое тончайшей сферической плёнкой типа мыльного пузыря диаметром несколько метров (электронная оболочка). И вот из нашего зёрнышка-ядра вылетает совсем крошечная пылинка, альфа- или бета-частица. Так выглядит радиоактивный распад. При испускании заряженной частицы заряд ядра изменяется, а значит, образуется новый химический элемент.
А наша пылинка мчится с огромной скоростью и врезается в электронную оболочку другого атома, выбивая из неё электрон. Атом-мишень, потеряв электрон, превращается в положительно заряженный ион. Но химический элемент остаётся прежним: ведь число протонов в ядре не изменилось. Такая ионизация - процесс химический: то же самое происходит с металлами при растворении в кислотах.
Вот по такой способности ионизировать атомы разные виды излучений и относят к радиоактивным. Ионизирующие излучения могут возникать не только в результате радиоактивного распада. Их источником может служить: реакция деления (атомный взрыв или ядерный реактор), реакция синтеза лёгких ядер (Солнце и другие звёзды, водородная бомба), ускорители заряженных частиц и рентгеновская трубка (сами по себе эти устройства не радиоактивны). Главное отличие радиации - высочайшая энергия ионизирующих излучений.
Различия же альфа-, бета- и гамма-излучений определяются их природой. В конце 19-го века, когда была открыта радиация, никто не знал, что это за «зверь». И вновь открываемые «радиоактивные лучи» просто обозначали первыми буквами греческого алфавита.
Сперва открыли альфа-лучи, испускаемые при распаде тяжёлых радионуклидов - урана, радия, тория, радона. Природу же альфа-частиц выяснили уже после их открытия. Оказалось, что это летящие с огромной скоростью ядра атомов гелия. То есть тяжёлые положительно заряженные «пакеты» из двух протонов и двух нейтронов. Эти «крупнокалиберные» частицы далеко пролететь не могут. Даже в воздухе они проходят не более нескольких сантиметров, а лист бумаги или, скажем, внешний омертвевший слой кожи (эпидермис) задерживает их полностью.
Бета-частицы при ближайшем рассмотрении оказались обычными электронами, но опять же летящими с огромной скоростью. Они значительно легче альфа-частиц, и электрический заряд у них поменьше. Такие «мелкокалиберные» частицы глубже проникают в разные материалы. В воздухе бета-частицы пролетают несколько метров, их способны задержать: тонкий лист металла, оконное стекло и обычная одежда. Внешнее облучение обычно приводит к ожогу хрусталика глаза или кожи, подобно солнечному ультрафиолету.
И, наконец, гамма-излучение. Оно имеет ту же природу, что и видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи или радиоволны. То есть гамма-лучи - это электромагнитное (фотонное) излучение, но с чрезвычайно высокой энергией фотонов. Или, другими словами, с очень короткой длиной волны (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Шкала электромагнитных излучений
Гамма-излучение имеет очень высокую проникающую способность. Она зависит от плотности облучаемого материала и оценивается толщиной слоя половинного ослабления. Чем плотнее материал, тем лучше он задерживает гамма-лучи. Именно поэтому для защиты от гамма-излучения чаще используют бетон или свинец. В воздухе гамма-лучи могут пройти десятки, сотни и даже тысячи метров. Для других материалов толщина слоя половинного ослабления показана на рис. 2.3.
Рис. 2.3 - Значение слоёв половинного ослабления гамма-излучения
При воздействии гамма-излучения на человека могут быть повреждены и кожа, и внутренние органы. Если бета-излучение мы сравнили со стрельбой мелкокалиберными пулями, то гамма-излучение - это стрельба иголками. По природе и свойствам на гамма-излучение очень похоже излучение рентгеновское. Отличается происхождением: его получают искусственно в рентгеновской трубке.
Существуют и другие виды ионизирующих излучений. Например, при ядерной вспышке или работе ядерного реактора, кроме гамма-излучений, образуются потоки нейтронов. Космические лучи помимо этих же излучений несут протоны и много чего ещё.
Литература
1. Нормы радиационной безопасности НРБ–99/2009: санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. – 100 с.
Please enable JavaScript to view the90 Sr-β-излучатель с периодом полураспада 28,6 лет. В результате распада 90 Sr образуется 90 Y, тоже β-излучатель с периодом полураспада 64,2 ч.
Выпадающие на поверхность Земли изотопы стронция мигрируют по биологическим цепочкам и, в конце концов, могут поступить в организм человека.
Степень и скорость всасывания стронция из желудочно-кишечного тракта зависит от того, в состав какого химического соединения он входит, от возраста человека и функционального состояния организма, от состава пищевого рациона. Так, у лиц молодого возраста стронций всасывается быстрее и полнее. Увеличение содержания в диете солей кальция снижает всасываемость соединений стронция. При потреблении молока всасываемость стронция повышается. В разных условиях всасываемость стронция из ЖКТ колеблется от 11 до 99%.
Всосавшийся стронций активно включается в минеральный обмен. Являясь аналогом кальция, радиоактивный стронций депонируется преимущественно в костях и в костном мозге (критические органы).
Выводится стронций с калом и мочой. Эффективный период полувыведения составляет 17,5 лет.
В ранние сроки после поступления 90 Sr в большом количестве наблюдаются изменения в органах, через которые он поступает или выводится: слизистые оболочки рта, верхних дыхательных путей, кишечник. Позднее нарушаются функции печени. При ингаляционном поступлении малорастворимых соединений стронция изотоп может достаточно прочно фиксироваться в легких, которые в этих случаях вместе с дыхательными путями являются критическими органами. Однако в отдаленные сроки и после ингаляционного поступления критическими органами становятся кости и костный мозг, в которых депонируются до 90% всей активности.
В процессе реакции кроветворной ткани на стронций в течение длительного времени морфологический состав крови меняется мало. Лишь при поступлении больших количеств развивается и прогрессирует цитопения. Тяжелых случаев поражения с острым или подострым течением у человека не наблюдали.
При длительном поступлении стронция и подостром течении лучевой болезни постепенно развивается анемия, наблюдаются угнетение спермато- и овогенеза, нарушения иммунитета, функции печени и почек, нейроэндокринной системы, сокращается продолжительность жизни.
В отдаленные сроки развиваются гипер- или гипопластические процессы в костном мозге, лейкозы, саркомы кости. Реже наблюдаются новообразования в гипофизе и других эндокринных органах, в яичниках, молочной железе.
Большой период полураспада 90 Sr определяет длительное сохранение высоких уровней заражения территорий и объектов среды после загрязнения этим радионуклидом.
Среди продуктов ядерного деления присутствует и 89 Sr, который также является β-излучателем. Однако период полураспада 89 Sr короче - 53 сут, поэтому степень радиоактивного загрязнения объектов в этом случае снижается гораздо быстрее.
Источники герметизируются с помощью клея. Состоят из подложки с нанесенным на нее препаратом с радионуклидами стронций-90+иттрий-90, помещенной между корпусом и крышкой источника.
Область применения:
Радиоизотопные приборы
Примечание:
Источники по классам прочности соответствуют С 34444 по ГОСТ 25926 (ISO 2919). Назначенный срок службы - 3,5 года с даты выпуска. Контроль герметичности производится в соответствии с ГОСТ Р 51919-2002 (ИСО 9978:1992(Е)) иммерсионным методом, предел прохождения - 200 Бк (~5 нКи). Источники поставляются комплектами, состоящими из одного источника БИС-Р и одного источника БИС-К или девяти источников БИС-6А и одного источника БИС-Ф. По заказу допускается поставка отдельных источников, входящих в комплект.
Основные технические характеристики:
Представляют собой подложку толщиной 1,1 max мм, на рабочую поверхность которой (углубление) нанесен слой радиоактивного препарата, защищенный пленкой окиси металла. Назначенный срок службы - 10 лет с даты выпуска.
Область применения:
Для поверки и градуировки радиометрической аппаратуры в качестве мер активности радионуклидов.
Примечание:
Источники по классам прочности соответствуют С 24324 по ГОСТ 25926 (ISO 2919). Контроль герметичности производится в соответствии с ГОСТ Р 51919-2002 (ИСО 9978:1992(Е)) методом сухого мазка с нерабочей поверхности, предел прохождения - 2 Бк (~0,05 нКи). Источники поставляются поштучно, наборами и комплектами.
* Измеренные значения активности радионуклидов не отличаются от номинальных более чем на 30%.
Стронций -90 - чистый бета-излучатель с периодом полураспада 29.12 лет. 90Sr - чистый бета-излучатель с максимальной энергией 0,54 эВ. При распаде он образует дочерний радионуклид 90Y с периодом полураспада 64 ч. Как и 137Сs, 90Sr может находиться в растворимой и нерастворимой в воде формах. Особенности поведения этого радионуклида в организме человека. Практически весь попавший в организм стронция-9О центрируется в костной ткани. Объясняется это тем, что стронций - химический аналог кальция, а соединения кальция - основной минеральный компонент кости. У детей минеральный обмен в костных тканях интенсивней, чем у взрослых, поэтому в их скелете стронций-90 накапливается в большем количестве, но и выводится быстрее .
Для человека период его полувыведения стронция-90 - 90-154 суток . От депонированного в костной ткани стронция-90 страдает, в первую очередь, красный костный мозг - основная кроветворная ткань, которая к тому же очень радиочувствительная. От стронция-90 накопленного в тазовых костях, облучаются генеративные ткани. Поэтому для этого радионуклида установлены низкие ПДК - примерно в 100 раз ниже, чем для цезия-1З7.
В организм стронций-90 поступает только с пищей, причем в кишечнике всасывается до 20% от его поступления. Наибольшее содержание этого радионуклида в костной ткани жителей северного полушария было фиксировано в 1963-1965 гг. Тогда этот скачок был вызван глобальными выпадениями радиоактивных осадков от интенсивных испытаний ядерного оружия в атмосфере в 1961-1962 гг.
После аварии на чернобыльской АЭС вся территория со значительным загрязнением стронцием-90 оказалась в пределах 30- километровой зоны. Большое количество стронция-90 попало в водоемы, но в речной воде его концентрация нигде не превышала предельно допустимой для питьевой воды (кроме реки Припять в начале мая 1986 г. в ее нижнем течении).
Биологический период полувыведения для стронция-90 из мягких тканей – 5-8 суток, для костей – до 150 суток (16% выводится с Тэфф равным 3360 суток).
Отдал. Последствия - признаки извращения и замедленной перестройки кости, а также резкое сокращение ее кровеносной сети.
55.Цезий-137 период полурасспада,поступление в организм.
Цезий-137 - бета-излучатель с периодом полураспада 30.174 года. 137Сs открыт в 1860 г. немецкими учеными Кирхгофом и Бунзеном. Название получил от латинского слова caesius - голубой, по характерной яркой линии в синей области спектра. В настоящее время известно несколько изотопов цезия. Наибольшее практическое значение имеет 137Сs, один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана.
Ядерная энергетика является источником поступления 137Сs в окружающую среду. Согласно опубликованным данным в 2000 году реакторами АЭС всех стран мира в атмосферу было выброшено около 22,2 х 1019 Бк 137Сs. Выброс 137Сs осуществляется не только в атмосферу, но и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками. По своим химическим свойствам цезий близок к рубидию и калию - элементам 1 группы. Изотопы цезия при любом пути поступления в организм хорошо всасываются .
После аварии на ЧАЭС во внешнюю среду поступило 1.0 МКи цезия-137. В настоящее время это основной дозообразующий радионуклид на территориях, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС. От его содержания и поведения во внешней среде зависит пригодность загрязненных территорий для полноценной жизни.
Почвы Украинско-Белорусского Полесья имеют специфическую особенность - цезий-137 плохо фиксируется ими и, как следствие, он легко поступает в растения через корневую систему.
Изотопы цезия, являясь продуктами деления урана, включаются в биологический круговорот и свободно мигрируют по различным биологическим цепочкам. В настоящее время 137Сs обнаруживается в организме различных животных и человека. Следует отметить, что стабильный цезий входит в состав организма человека и животных в количествах от 0,002 до 0,6 мкг на 1 г мягкой ткани.
Всасывание 137Сs в ЖКТ животных и человека составляет 100% . В отдельных участках ЖКТ всасывание 137Сs происходит с различной скоростью. Через дыхательные пути в организм человека поступление 137Сs составляет 0,25% величины, поступающей с пищевым рационом. После перорального поступления цезия значительные количества всосавшегося радионуклида секретируются в кишечник, затем реабсорбируются в нисходящих отделах кишечника. Степень реабсорбции цезия может существенно различаться у разных видов животных. Поступив в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по органам и тканям. Путь поступления и вид животного не влияют на характер распределения изотопа.
Определение 137Сs в организме человека проводят по измерению гамма-излучения от тела и бета-, гамма-излучению от выделений (моча, кал). Для этой цели используют бета-гамма-радиометры и счетчик излучений человека (СИЧ). По отдельным пикам спектра, соответствующим различным гамма-излучателям, можно определить их активность в организме. С целью профилактики радиационных поражений 137Сs все работы с жидкими и твердыми соединениями рекомендуется проводить в герметичных боксах. Для предупреждения попадания цезия и его соединений внутрь организма необходимо использовать средства индивидуальной защиты и соблюдать правила личной гигиены.
Эффективный период полувыведения долгоживущих изотопов определяется в основном биологическим периодом полувыведения, короткоживущих – периодом полураспада. Биологический период полувыведения разнообразен – от нескольких часов (криптон, ксенон, радон) до нескольких лет (скандий, иттрий, цирконий, актиний). Эффективный период полувыведения колеблется от нескольких часов (натрий-24,медь-64), суток (йод-131, фосфор-23, сера-35), до десятков лет (радий-226, стронций-90).
Биологический период полувыведения для цезия-137 из организма равен 70 суткам, из мышц, легких и скелета – 140 суток.
