Продукты распада урана. Поражающее действие продуктов деления урана

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 14.12.2024

Вильгельм Клапрот (1789) → Анри Беккерель (1896) → Пьер и Мария Кюри (1898) →
Эрнест Резерфорд (1911) → Ганс Бете (1932) → Джеймс Чедвик (1932) →
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (1934) → Энрико Ферми (1935) →
Лизе Мейтнер, Фриц Штрассман, Отто Ган (1938)

Девяносто второй элемент периодической таблицы Менделеева уран был открыт Вильгельмом Клапротом в 1789 году. Через сто с лишним лет, в 1896 году, Анри Беккерель обнаружил, что уран радиоактивен, а еще через два года супруги Пьер и Мария Кюри выделили из урановой руды два новых химических элемента - полоний и радий. Как оказалось, радиоактивность радия в миллион раз превышала радиоактивность естественного урана. Свойство радиоактивности заключается в том, что радиоактивные элементы излучают либо α-, либо β-частицы и превращаются в другие элементы. Как показал Резерфорд, α-частицы представляют собой двукратно положительно заряженные ядра гелия, а β-частицы - это отрицательно заряженные электроны.

Окончательно постулат о неделимости и неизменности химических элементов завершил свое существование при появлении гипотезы Резерфорда и Содди о распаде атомов. Уже на заре изучения радиоактивности были установлены три цепочки радиоактивного распада. Две из них начинались от урана, а одна — от девяностого элемента тория. Периоды полураспада не управлялись никакими физическими и химическими воздействиями, а конечным продуктом всех этих цепочек был свинец. (Факт существования двух различных цепочек распада урана был понят лишь в результате многолетней интенсивной работы ученых разных стран.)

Вначале Резерфорду в 1911 году с помощью бомбардировки ядер α-частицами удалось преобразовать один элемент в другой, как это видно, например, из реакции

\(~^_7N + \ ^4_2He \to \ ^_8O + \ ^1_1He\) .

Впоследствии было открыто много таких реакций, однако не с тяжелыми элементами — они эффективно отталкивали α-частицы. Затем в 1932 году были открыты позитрон, тяжелый водород и, наконец, нейтрон. Облучая бериллий α-частицами, Бете и Беккер в Германии обнаружили сильно проникающее излучение, которое они приняли за γ-лучи. Жолио-Кюри показал, однако, что эти лучи выбивают протоны из водородосодержащих соединений, что невозможно для γ-излучения. То, что сильно проникающим излучением являются нейтроны, показал Чедвик, изучая реакцию

\(~^9_4Be + \ ^4_2He \to \ ^_6C + \ ^1_0n + \ \gamma\) .

С открытием нейтронов прояснился, наконец, долго мучивший химиков вопрос дробных масс элементов, т.е. существования изотопов. Оказалось, что уран имеет два основных изотопа\[~^_U\] и \(~^_U\) — они и являются родоначальниками двух радиоактивных цепочек.

Открытие Чедвика позволило использовать при бомбардировке атомных ядер не только α-частицы, но и нейтроны. Между двумя этими процессами вскоре обнаружилось существенное различие. Бомбардировка α-частицами почти всегда приводила к образованию стабильных атомов, если при этом происходило также излучение протона. Если же при бомбардировке атомов а α-частицами происходило излучение нейтрона, то наряду с ним также излучался позитрон. Излучение позитрона иногда происходило уже после того, как облучение α-частицами прекращалось. Наблюдение таких реакций Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в 1934 году предопределило открытие искусственной радиоактивности. Первыми такими реакциями стали:

\(~^_5B + \ ^4_2He \to \ ^_7N + \ ^1_0n, \ ^_7N \to \ ^_6C + \ ^0_1e\) ,

Исключительно важное значение нейтронов для проведения ядерных реакций осознал Ферми. Его команда облучила нейтронами почти все элементы периодической системы и открыла множество искусственных радиоактивных элементов. Например:

На этом пути Ферми добрался до урана и, облучая его нейтронами, обнаружил множество трансмутантов. Некоторые из вновь полученных продуктов облучения обладали очень малыми периодами полураспада. Поскольку многие из этих продуктов излучали электроны, Ферми предположил, что он получил 93-й и 94-й трансурановые элементы. Предположение Ферми, однако, было принято научной общественностью с осторожностью, причем многие полагали, что наиболее надежно установленный так называемый 13-минутный элемент был на самом деле протактинием - элементом с номером 91.

Лизе Мейтнер и Отто Ган решили перепроверить эксперимент Ферми с тем чтобы определить, является ли 13-минутный элемент протактинием. Поскольку вновь обнаруженный продукт реакции не оказался ни протактинием, ни ураном, ни актинием, ни торием, они заключили, что вновь обнаруженный элемент является трансурановым 93-м элементом. Никакие другие возможности ими тогда не рассматривались. С открытием нейтрона и использованием искусственных источников радиации действительно наблюдалось огромное количество необычных реакций, однако продуктами этих реакций всегда являлись либо изотопы облучаемых веществ, либо элементы, отстоящие на одну или, в крайнем случае, на две позиции от облучаемых элементов. Возможность развала тяжелого ядра на легкие тогда просто не существовала.

Независимо от этих опытов, Кюри и Савич описали в 1937-38 годах так называемый 3,5-часовой изотоп, который возникал при облучении урана нейтронами. Его свойства напоминали пятьдесят седьмой элемент лантан. В то же время в экспериментах Гана и Штрассмана по облучению урана нейтронами был получен еще более странный результат: наряду с предполагаемыми трансурановыми элементами возникали, путем последовательного излучения α-частиц, три искусственно β-активных изотопа радия с различными временами жизни, которые, в свою очередь, превращались в β-активные изотопы актиния. Вывод о том, что в эксперименте наблюдались именно изотопы радия, основывался на том, что, согласно законам химии, это могли быть только барий или радий, однако появление пятьдесят шестого элемента бария по существовавшим тогда представлениям считалось невозможным. Странным в этих опытах было то, что α-распад не сопровождался появлением медленных нейтронов, однако сразу же появлялось много различных изотопов. Чтобы получить максимально обогащенный искусственным радием образец, экспериментаторы попытались выделить его, используя в качестве носителя хлорид бария, но все попытки завершились неудачей. В то же время контрольные опыты с действительно изотопами радия всегда оказывались успешными - первый осадок всегда был богаче радиоактивным элементом.

В этой драматической ситуации Ган и Штрассман предприняли контрольный «показательный» опыт. Они смешали чистый натуральный радий с искусственным радием и провели разделение изотопов. Оказалось, что естественный радий, как всегда, выделяется хорошо, а искусственный отделить от бария невозможно. Далее, при β-распаде радия образуется актиний, а при β-распаде бария — лантан. Смесь естественного и искусственного радия давала и тот, и другой элемент.

Итак, что же происходит в уране? Уран в основном состоит из двух изотопов \(~^_U\) и \(~^_U\), причем их количества в природном уране находятся в соотношении 1 : 140. За счет медленных нейтронов идет цепная реакция деления лишь U-235, а с U-238 происходит следующее. При захвате им нейтрона образуется короткоживущий изотоп U-239, самопроизвольно излучающий электрон. В результате образуется элемент с номером 93, т.е. нептуний. Изотоп нептуния \(~^_Np\) — тоже радиоактивен, его период полураспада составляет 2,3 дня. Нептуний также излучает электрон, в результате чего образуется элемент с номером 94, т.е. плутоний. Период полураспада \(~^_Pu\) около 24000 лет. (Имена этим элементам американский физик Гленн Сиборг дал по названиям планет: Уран — Нептун — Плутон.) Кроме указанных ядерных реакций, при облучении урана-238 нейтронами рождается еще один изотоп, когда нейтрон не захватывается, а, наоборот, сам выбивает еще один нейтрон из ядра. В результате β-излучающий изотоп урана с массой 237 превращается в \(~^_Np\) с периодом полураспада в миллионы лет. В дополнение ко всему, в уране-238 также происходят естественные реакции деления, образующие около 200 изотопов с номерами от 30 до 64. Таким образом, наличие \(~^_U\) природной смеси урана выводит нейтроны из цепной реакции с \(~^_U\), однако в этих же процессах идет накопление плутония, а с \(~^_Pu\) также возможна цепная реакция.

В заключение — несколько строк о человеке, которому принадлежит честь открытия расщепления тяжелых ядер. Отто Ган родился почти через сто лет после открытия Клапротом урана — 8 марта 1879 года во Франкфурте-на-Майне. Химическое образование он получил в Мюнхене и Марбурге, а первые шаги в науке делал под руководством Уильяма Рамзая в Лондоне и Эрнеста Резерфорда в Монреале. По возвращении в Германию Ган продолжил свои исследования радиоактивных элементов в Химическом институте Берлинского университета. Здесь же он встретился с Лизе Мейтнер, которая прибыла в Берлин из Вены на учебу к Максу Планку. Сотрудничество Отто Гана и Лизе Мейтнер продолжалось более 30 лет. В 1912 году Ган стал директором радиохимической группы вновь созданного Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма. В годы первой мировой войны Ган принимал участие в боевых действиях на Западном фронте. После окончания войны Ган продолжил исследования радиоактивности и в 1928 году стал директором Института физической химии и электрохимии. В 1934 году его ближайшая сотрудница Лизе Мейтнер была вынуждена покинуть Германию, и их работа продолжалась лишь по переписке. В годы второй мировой войны Ган занимался фундаментальными исследованиями продуктов ядерного распада, хотя и был подключен к некоторым проектам ядерных исследований вермахта. В конце войны Ган и его коллеги были арестованы союзными войсками и переправлены в Англию. Здесь же Отто Ган узнал о ядерных бомбардировках японских городов Хиросима и Нагасаки и пережил по этому поводу сильнейшее потрясение. В 1946 году Ган вернулся в Германию и стал президентом Общества кайзера Вильгельма, переименованного в Общество Макса Планка. В этом же году ему была вручена Нобелевская премия по химии за 1944 год. Выступая с публичными лекциями об опасности распространения ядерного оружия, Отто Ган объединил многих ученых в борьбе за мирное развитие человечества.

Продукты распада урана. Поражающее действие продуктов деления урана

В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 238 U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате β - -распада изотопа 239 U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93. Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий (Z = 56) - химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.
Л. Мейтнер и О. Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части

Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов (x > 1), способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную возможность возникновения цепной реакции деления - один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236 U, образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом 235 U, разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа 236 U, образующегося при захвате теплового нейтрона 235 U. Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235 U. Для наиболее распространенного изотопа 238 U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239 U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238 U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия ≈ 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в одном акте реакции выделяется энергия ≈ 10 эВ). Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электро­станция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.
В 1940 г. Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана. О сложности проведения эксперимента свидетельствуют следующие цифры. Парциальный период полураспада по отношению спонтанному делению изотопа 238 U составляет 10 16 -10 17 лет, в то время как период распада изотопа 238 U составляет 4.5∙10 9 лет. Основным каналом распада изотопа 238 U является α-распад. Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа 238 U, нужно было регистрировать один акт деления на фоне 10 7 -10 8 актов α-распада.
Вероятность спонтанного деления в основном определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр деления Z 2 /A. В изотопах Z < 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С увеличением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с α-распадом увеличивается.

Деление ядер. История

1934 г. − Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить не удалось.
Л. Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции.

1939 г. − О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий.
Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана на два сравнимых по массе осколка.
Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления.
Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
Л. Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления.

1940 г. − Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U.

1942 г. − Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе.

1945 г. − Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы.

1946 г. − Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор.

1954 г. − Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР).

Деление ядер. С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами.
Атомы, возникающие во всех этих ядерных реак­циях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы − урана − происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада. Возникаю­щие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше; у некоторых время полурас­пада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоя­щие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 · 10 15 лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.
Расщепление урана посредством нейтронов дает те­перь возможность того использования атомной энер­гии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна».

М. Лауэ, «История физики»

1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z = 56)

Деление ядер - расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы - нейтроны, электроны, α-частицы. В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов.
Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так, в случае наиболее вероятного деления изотопа урана 236 U, отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое число 139 (ксенон), а легкий - 95 (стронций). С учётом испускания двух мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид

Нобелевская премия по химии
1944 г. - О. Ган.
За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.


Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося ядра.

Открытие деления ядер. 1939 г.

Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы; ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.
Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.
Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген - Стокгольм.

О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697.

Спонтанное деление ядер

В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер. Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что α частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой; импульсы же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от α-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле.
Была специально сконструирована ионизационная камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в 1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты слоем окиси урана 10-20 мг/см 2 .
В первых же опытах с настроенным для счета осколков усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов) импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1 час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблю­даться с камерами обычного типа…
Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана…

Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов:

U 238 - 10 16 ~ 10 17 лет,
U 235 - 10 14 ~ 10 15 лет,
U 234 - 10 12 ~ 10 13 лет.

К.А. Петржак, Г.Н. Флеров.

Распад изотопа 238 U


Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z = 92 - 100

Первая экспериментальная система с уран-графитовой решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана, заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён RaBe источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был ≈ 0.7. Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления, было необходимо использовать большое количество графита и урана - порядка нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1.0006. Вначале реактор работал на уровне мощности 0.5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до 200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность его была повышена до нескольких кВт. При этом реактор потреблял 0.002 г урана-235 в день.

Первый ядерный реактор в СССР

Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф-1 было готово к июню 1946 г.
После того как были проведены все необходимые эксперименты, раз­работана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора, проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность нейтронов на нескольких моделях, получены графитовые блоки (так называемой ядерной чистоты) и (после нейтронно-физической проверки) урановые блочки, в ноябре 1946 г. приступили к сооружению реактора Ф-1.
Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него потребовалось 400 т графита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25 декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР реактор. Это была волнующая победа ученых — создателей ядерного реактора и всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось промышленное производство нового вида ядерного горючего − плутония.

Радиоактивный уран

Уран представляет собой радиоактивный металл. В природе уран состоит из трех изотопов: уран-238, уран-235 и уран-234. Наивысший уровень стабильности фиксируется у урана-238.

Радиоактивный распад урана

Радиоакти́вным распа́дом называют процесс внезапного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер, которые отличаются нестабильностью. При этом испускаются элементарные частицы, гамма-кванты и/или ядерные фрагменты. Радиоактивные вещества содержат радиоактивное ядро. Получившееся вследствие радиоактивного распада дочернее ядро может тоже стать радиоактивным и спустя определенное время подвергается распаду. Этот процесс происходит до того момента, пока не образуется стабильное ядро, лишенное радиоактивности. Э. Резерфорд методом эксперимента в 1899 доказал, что урановые соли испускают три вида лучей:

Радиоактивность урана

Естественная радиоактивность - вот что отличает радиоактивный уран от прочих элементов. Атомы урана не зависимо ни от каких факторов и условий постепенно изменяются. При этом испускаются невидимые лучи. После трансформаций, которые происходят с атомами урана, получается иной радиоактивный элемент и процесс повторяется. Он будет повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы получился не радиоактивный элемент. К примеру, некоторые цепочки превращений насчитывают до 14 стадий. При этом промежуточным элементом является радий, а последняя стадия - образование свинца. Этот металл не является радиоактивным элементом, поэтому ряд превращений прерывается. Однако для полного превращения урана в свинец необходимо несколько миллиардов лет.
Радиоактивная руда урана часто становится причиной отравлений на предприятиях, занимающихся добычей и переработкой уранового сырья. В человеческом организме уран - общеклеточный яд. Он поражает главным образом почки, но встречаются и поражения печени и желудочно-кишечного тракта.
Уран не имеет полностью стабильных изотопов. Наибольший период жизни отмечается у урана-238. Полу распад урана-238 происходит на протяжении 4,4 млрд лет. Чуть меньше одного миллиарда лет идет полу распад урана-235 — 0,7 млрд лет. Уран-238 занимает свыше 99% всего объема природного урана. Вследствие его колоссального периода полураспада радиоактивность этого металла не высокая, к примеру, альфа-частицы не могут проникнуть через ороговевший слой кожи человека. После ряда проведенных исследований ученые выяснили, что главным источником радиации является не сам уран, а образуемый им газ радон, а также продукты его распада, попадающие в человеческий организм во время дыхания.

Токсикология радиоактивных веществ - Радиобиологическая характеристика продуктов деления урана

При расщеплении урана в реакторе или при взрыве атомной бомбы образуется большое число радиоактивных изотопов. Все продукты деления принято разделять па коротко- и долгоживущие, в зависимости от их периода полураспада. В неразделенной смеси продуктов деления могут быть как короткоживущие, так и долгоживущие радионуклиды. Относительная активность продуктов деления может меняться в зависимости от возраста (момент образования) [12, 62]. Наиболее важное токсикологическое значение имеют изотопы Sr, I, Cs, Ru, Y, Te, Zr, Nb, Ce, Pm.
Продукты деления урана представляют токсикологическую опасность как отходы атомной промышленности и как продукты взрыва атомного оружия.
Биологическое действие смеси продуктов деления урана зависит от их возраста и изотопного состава. Всасывание неразделенной смеси продуктов деления урана из ЖКТ составляет не более 2%.
Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов от Zn до Gd. Среди них содержатся равномерно распределяющиеся радионуклиды, остеотропные, накапливающиеся в ретикулоэндотелиальных тканях, клетках крови, щитовидной железе [16].

Радионуклиды, входящие в составы продуктов деления: I, Sr, Cs, Са, Te — обладают высокой всасываемостью. Такие нуклиды, как Ce, Pm, Y, Zr, Nb, Np и Pu — плохо всасываются в организме.
По данным И. Я. Василенко и других [16] наибольшую опасность для организма представляют радионуклиды с высокой степенью резорбции и избирательным накоплением в жизненно важных органах с большим эффективным периодом полувыведения. Наибольшее количество продуктов деления урана откладывается в печени и скелете. Путь введения смеси продуктов деления урана не сказывается на их распределении в организме. При ингаляционном поступлении характер распределения такой же, как и при введении через ЖКТ. Лишь в первые дни содержание их в легких несколько больше, чем в других органах. Экспериментальные исследования показали, что характер распределения смеси продуктов деления такой же, как и отдельных радионуклидов.
После поступления продуктов ядерного деления содержание активности их в организме быстро снижается в результате распада короткоживущих радионуклидов и выведения из организма. У собак после введения продуктов ядерного деления в возрасте 6—8 ч радиоактивность их снизилась до единиц процента через несколько суток, а через I мес в организме остался 1% введенного количества. Содержание радиоактивных продуктов у жителей Маршалловых островов к 82 сут. снизилось в 57 раз [16].
Выведение продуктов деления из организма происходит с калом и мочой. С калом выделяется до 39%, с мочой до 7,5% введенного количества.
При попадании внутрь организма значительных количеств продуктов деления урана развивается лучевая болезнь. В острой стадии поражения критическим органом для продуктов деления при энтеральном поступлении является ЖКТ. В этих условиях органы пищеварения подвергаются наибольшему облучению. Тканевые дозы облучения определяются физико-химическими свойствами радионуклидов и скоростью их прохождения по кишечнику [16].
В отличие от поражения отдельными радионуклидами лучевая болезнь от введения смеси продуктов деления урана характеризуется выраженными кишечными симптомами. При попадании в организм молодых продуктов деления урана по 55,5· 10 4 Бк/сут развивается острый гастроэнтероколит. Поражение органов пищеварения (потеря аппетита, рвота, понос, боль в животе) является ведущим в клинической картине лучевого воздействия продуктов деления.

Помимо изменений в щитовидной железе и ЖКТ продукты ядерного деления вызывают поражение миелоидной и лимфоидной систем кроветворения. В миелоидной системе наблюдаются гораздо более глубокие изменения, чем в лимфоидной. Ежесуточное введение крысам продуктов ядерного деления по 55,5·10 4 Бк/сут в течение 30 сут. вызывало в ранние сроки повышение содержания ретикулоцитов, тромбоцитов и лейкоцитов. Затем наступало достоверное снижение числа ретикулоцитов, тромбоцитов и лейкоцитов. В поздние сроки (390—510-е сут) у животных периодически снижалось содержание эритроцитов и гемоглобина. Первоначальный лейкоцитоз чаще всего бывает связан с β-ожогом слизистых оболочек дыхательных путей и органов пищеварения, а также с раздражением рефлексогенных зон. Гематологические изменения не всегда могут быть диагностическими и прогностическими показателями тяжести болезни. В случае поступления в организм продуктов ядерного деления с низкой всасываемостью даже при тяжелых поражениях лейкопении может не быть, а напротив, чаще развивается лейкоцитоз.
При поражении продуктами ядерного деления наблюдаются изменения в сердечно-сосудистой системе. У животных учащается пульс, отмечаются слабое его наполнение, глухость тонов, снижение артериального давления. На ЭКГ — укорочение сердечного цикла за счет диастолы, изменение комплекса QRS, переход зубца Т в отрицательное положение. Эти изменения связаны с поражением миокарда и проводящей системы. В патогенезе поражений продуктами ядерного деления важное значение имеет патология сосудов. Контактное облучение эндотелиальных клеток циркулирующими в крови радионуклидами имеет ведущее значение в развитии патологии в сердце и других органах.
Органом выведения растворимых продуктов ядерного деления являются почки. При высокой степени резорбции через почки выводится значительное количество радионуклидов. Почки избирательно экскретируют изотопы I, Mo, Nb. В процессе их выведения нефроны подвергаются контактному β-облучению [16].
При воздействии продуктов ядерного деления наблюдаются изменения в углеводном, белковом и липидном обмене.
По данным Мацуда и Хаяси при взрыве атомных бомб на Маршалловых островах у всех пострадавших рыбаков обнаружено нарушение обмена веществ. Авторы считают, что это связано с радиационным повреждением печени.

Печень является одним из основных органов депонирования продуктов ядерного деления. В ней накапливается до 15% всосавшихся радионуклидов. Дистрофические и некробиотические повреждения печени носят очаговый характер. В продуктах ядерного деления содержится до 20% изотопов В щитовидной железе концентрируется до 30% радионуклидов. Поглощенные дозы в щитовидной железе на 2—3 порядка превышают дозы облучения других органов [16]. Продукты ядерного деления вызывают изменение иммунологической реактивности организма.
По данным Η. Н. Клемпарской нарушение иммунологической реактивности ведет к формированию осложнений, от этого зависит исход болезни и формирование отдаленной патологии. В ранние сроки у животных развиваются повышенная проницаемость тканевых барьеров, количественные и качественные изменения микрофлоры, снижение бактерицидных свойств кожи и фагоцитарной активности лейкоцитов. При тяжелых поражениях одной из причин гибели животных были инфекционные осложнения.
Важное значение в патогенезе поражений продуктами ядерного деления имеет нарушение гормонального баланса, в основе которого лежит радиационное повреждение щитовидной железы. Это приводит к дисгормональным нарушениям в системе гипофиз — щитовидная железа с последующим вовлечением других эндокринных органов. Острое поражение продуктами ядерного деления может закончиться клиническим выздоровлением, переходом болезни в хроническую стадию поражения или смертью. Наиболее часто причиной смерти являются повреждения ЖКТ и органов дыхания.
У выживших животных восстановительные процессы протекают в условиях продолжающегося облучения организма инкорпорированными радионуклидами. Интенсивность восстановления находится в прямой зависимости от поглощенной дозы и физиологического состояния организма. Отдаленная патология биологического действия продуктов ядерного деления характеризуется опухолевыми и неопухолевыми формами.
В отдаленные сроки после поражения продуктами деления у животных развиваются различной локализации новообразования. В опытах Л. Н. Лаврентьева на крысах с введением продуктов ядерного деления в дозе 55,5·101 Бк у 3% животных развились лейкозы, у 6% — лимфоретикулярные саркомы, у 2% — остеосаркомы. Опухолевые формы представляют наибольшую опасность. Они характеризуются образованием доброкачественных и злокачественных новообразований эндокринных органов. В их генезе основное значение имеет радиационное повреждение щитовидной железы. При чрезвычайных ситуациях и в аварийных случаях продукты ядерного деления могут поступать в организм людей в комбинации с внешним облучением, радиоактивным загрязнением кожи и ожогами.

В этих случаях тяжесть лучевого поражения будет определяться дозой внешних γ-, β-облучений (А. К. Гуськова, И. Я. Василенко). Важное значение будет иметь ингаляционное воздействие парогазовой фазы радиоактивных аэрозолей [16, 71].

Токсикология продуктов деления урана

При расщеплении урана в реакторе или при взрыве атом­ной бомбы образуется большое число радиоактивных изотопов, которые принято разделять на коротко- и долгоживущие, в зависимости от их периода полураспада. Наиболее важное ток­сикологическое значение имеют изотопы Sr, I, Cs, Ru, Y, Те, Zr, Nb, Ce, Pm. Продукты деления урана представляют токсикологическую опасность как отходы атомной промышленности и как продук­ты взрыва атомного оружия. Биологическое действие смеси продуктов деления урана зависит от их возраста и изотопного состава.

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов от Zn до Gd. Среди них содержатся равномерно распределяющие­ся радионуклиды, остеотропные, накапливающиеся в ретикуло-эндотелиальных тканях, клетках крови, щитовидной железе. РадионуклидыI,Sr, Cs, Са, Те обладают высокой всасываемостью. Такие нуклиды, как Се, Pm, Y,Zr, Nb, Np и Pu - плохо всасываются в организме.

Наибольшую опасность для организма представляют радионуклиды с высо­кой степенью резорбции и избирательным накоплением в жиз­ненно важных органах с большим эффективным периодом по­лувыведения. Наибольшее количество продуктов деления ура­на откладывается в печени и скелете. Путь поступления смеси продуктов деления урана не сказывается на их распределении в организме.

Стронций. В настоящее время известны изотопы от 8l Srдо 97 Sr. Наиболь­ший интерес в токсикологии представляют 89 Sr и 90 Sr, образующиеся при облучении урана в ядерных реакторах, а также при взрывах атомных бомб как продукты ядерного де­ления.

90 Sr - чистый β-излучатель с энергией β-частиц 0,54 МэВ и периодом полураспада 28,6 года. Дочерним продуктом распада 90 Sr является 90 Y, который находится вместе с ним в равновес­ном состоянии. Период полураспада 90 Y составляет 64,2 ч, мак­симальная энергия β-частиц 2,18 МэВ. 89 Sr также β-излуча­тель. Период полураспада его 53 сут, энергия β-частиц - 1,5 МэВ.

Стронций как стабильный микроэлемент постоянно присутст­вует в тканях и органах человека и животных. Стронций является химическим аналогом кальция.

При выпадениях на поверхность земли 90 Sr мигрирует по биологическим цепочкам и с продуктами растительного и жи­вотного происхождения может попадать в организм человека. Так же как и Са, 90 Sr хо­рошо всасывается в желудочно-кишечном тракте. Уровни всасывания стронция в ЖКТ колеблются в очень широких пределах и зависят от многих факторов, наибольшее значение из которых имеют: диета, фи­зико-химические свойства соединения, возраст животных и человека, функциональное состояние организма. Значительно большее всасывание строн­ция из кишечника молодых животных связано с более высокой потребностью организма в щелочноземельных элементах, необходимых для построения скелета.

Изотопы Sr имеют скелетный тип распределения. При лю­бом пути поступления в организм они избирательно отклады­ваются в костях. Депонирование Sr в мягких тканях составля­ет не более 1%. Распределение изотопов Sr в различных частях одной и той же кости и разных костях скелета неравномерное. Стронций откладывается в участках костей, обладаю­щих наибольшей зоной роста.

Микрораспределение Sr в костях сравнительно равномерное в минеральной части кости. Стронций кон­центрируется под эпифизарным хрящом, под эндостом в метафизарной области и под периостом в середине стволовой части кости, т.е. в тех участках, где происходит активное образование кости.

Выделение стронция из организма происходит с калом и мочой. При пероральном поступлении большая часть радио­нуклидов выделяется с калом, при ингаляционном - с мочой. Установлено несколько периодов полувыведе­ния стронция из организма. Короткие периоды полувыведе­ния характеризуют выведение стронция из мяг­ких тканей, длинные периоды - преимущест­венно выведение из костей.

Благодаря специфике отложения 90 Sr создаются такие усло­вия, когда облучается не весь организм, а преимущественно скелет и костный мозг. Патоморфологическая картина поражения 90 Sr характери­зуется уменьшением лимфоидных элементов в селезенке и лим­фатических узлах, наличием очагов некрозов в печени. В голов­ном мозге - отек, единичные кровоизлияния в коре. В почках - нерезко выраженные явления нефроза. В отдаленные сроки после поражения, как при однократном, так и длительном поступлении изотопа, у животных развива­ются лейкозы и опухоли костей. Наряду с остеосаркомами в отдаленные сроки при воздей­ствии 90 Sr развиваются новообразования желез внутренней секреции, опухоли гипофиза, молочных желез, яичников и дру­гих тканей.

ЦЕЗИЙ.В настоящее время известно несколько изотопов цезия, от 125 Cs до 145 Cs. Наибольшее практическое значение имеет 137 Cs - один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана. В продуктах деления урана содержится до 6% изотопов цезия.

137 Cs - смешанный β-, γ-излучатель, Еβ=0,51 МэВ (92%) и 1,17 МэВ (8%) с периодом полураспада 30 лет. Продукт распада 137 Cs - возбужденный 137 Ва с периодом полураспада 2,57 мин испускает γ-кванты, Еγ= 0,662 МэВ.

Испытания ядерного оружия послужили источником загряз­нения биосферы радиоактивными веществами. Содержание 137 Cs в смеси продуктов ядерного взрыва на дальнем следе через 7 суток после взрыва составляет в среднем 0,4%. 137 Cs со­держится в облученном ядерном горючем. Ядерная энергетика является источником выброса целого ряда радионуклидов, в том числе и 137 Cs. Выброс 137 Cs может происходить не только в атмосферу, но также и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками.

Изотопы цезия включаются в биологический круговорот и сво­бодно мигрируют по различным биологическим цепочкам. В настоящее время 137 Cs обнаруживается в организме различ­ных животных и человека. Стабильный цезий входит в состав организма человека и животных в ко­личествах от 0,002 до 0,6 мкг на 1 г мягкой ткани.

По своим химическим свойствам цезий близок к рубидию и калию. Радиоизотопы цезия применя­ются в химических исследованиях, в гамма-дефектоскопии, в радиационной технологии, в радиобиологических экспериментах. 137 Cs используется как источник γ-излучения для кон­тактной и дистанционной лучевой терапии, а также для радиа­ционной стерилизации.

Изотопы цезия при любом пути поступ­ления в организм хорошо всасываются. Всасывание 137 Cs в ЖКТ животных и человека составляет 100%. В отдельных участках ЖКТ всасывание 137 Cs происходит с различной скоростью: через час после вве­дения всасывается по отношению к введенной дозе: в желуд­ке -7%, в двенадцатиперстной кишке - 77%, в тощей - 76%, в подвздошной - 78%, в слепой - 13%, в поперечно-ободочной кишке - 39%.

Поступление 137 Cs через дыхательные пути в организм человека 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. Попав в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по орга­нам и тканям. Путь поступления и вид животного не влияют на характер распределения изотопа.

Выделение 137 Cs из организма происходит в основном через почки, причем в течение первого месяца опыта с мочой выде­ляется в 6-9 раз больше, чем с калом. За месяц выделяется до 80% 137 Cs по отношению к введенному количеству. При хроническом поступлении изотопа в организм после достижения равновесного состояния выделение 137 Cs с мочой и калом остается постоянным. Эффективный период полувыведения 137 Cs из организма мышей составляет 3, крыс - 18, морских свинок - 19 - 25, кроликов - 19 суток. По данным МКРЗ био­логический период полувыведения 137 Cs из организма человека составляет 70 суток.

Изотопы цезия обладают выраженным биологическим дей­ствием на организм животных. При подкожном введении 137 Cs крысам при кумуляции дозы 60 Зв у животных отмечалось: одышка, слабость, потеря аппетита, кровавый понос, кровянис­тые выделения из носа, снижение массы тела на 12 -19%.В крови у крыс наблюдалась лей­копения. Снижалось количество лимфоцитов и нейтрофилов, наблюда­лись резкие нарушения условно рефлекторной деятельности, изме­нение возбудительных и тормозных процессов, снижение ус­ловных рефлексов. Развитие защитного торможения переходи­ло в сон. Гистологические изменения в органах носили поли­морфный характер: наблюдались очаги некроза в печени, кровоизлияния в органы, отек мозга, нефроз почек. У собак в острой стадии поражения цезием развиваются некротические ангины, кровоизлияния в подкожную клетчатку, легкие, ЖКТ, изменения в кроветворных органах. У крыс при воздействии хронически эффективных доз наблюдаются воспа­лительные процессы в легких, ЖКТ, среднем ухе, атрофия се­менников.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС из реактора было выброшено 10% 134 Cs и 13% 137 Cs. Общее количество 137 Cs, выброшенного в атмосферу и осевшего на землю, состав­ляет приблизительно 3,7·10 16 Бк. Загрязненные воздушные массы, содержавшие изотопы цезия, распространились на зна­чительные территории Белоруссии, Украины и России. Содержание изотопов цезия в пробах воздуха и грунта составляло от 1 до 20%. Содержа­ние 137 Cs в мясе (говядине) было на уровне 3,7·10 3 Бк/кг— 3,7·10 4 Бк/кг. 137 Cs до настоящего времени остается основным дозообразующим радионуклидом в пострадавших от аварии регионах.

В сентябре 1987г. в г. Гояни (Бразилия) произошел радиа­ционный инцидент, второй по серьезности после аварии в Чер­нобыле. Два молодых мусорщика продали сборщику утиля цилиндр из нержавеющей стали, который они изъяли из тера­певтической облучательской установки в заброшенной клини­ке. На свалке цилиндр разобрали. Внутри его находилась пла­тиновая капсула, которая была вскрыта. Она содержала яркий голубой порошок, который несколько человек взяли домой, привлеченные его красотой. Некоторые дети натирали им тело. Порошок оказался 137 Cs с общей активностью 51,8·10 12 Бк.Загрязнению подверглось 244 человека. Из них 54 - госпита­лизировано для дальнейшего контроля загрязнения или лече­ния; 34 человека вскоре были выписаны.

В 1962-79 гг. в Северной Аляске были измерены уровни концентрации 137 Cs в глобальных радиоактивных осадках в пищевой цепи лишайник-олень карибу-эскимос. Особен­но значительные радиоактивные осадки отмечались после крупных испытаний ядерного оружия в атмосфере, и из-за особенностей окружающей среды 137 Cs переходил по пищевой цепи в организм эскимосов с задержкой приблизительно в 2 года. Концентрация 137 Cs в пробах мяса карибу, взятых во время весеннего урожая, была в 4 раза выше, чем в лишай­нике из зимних пастбищ. Расчетное потребление эскимосами мяса зимой колебалось в пределах приблизительно от 1 кг в сут в 1964 г. до 0,16 кг в сут в 1977 г. Ряд факторов окру­жающей среды влиял на сезонность и на количество передвижения 137 Cs по пищевой цепи. Наибольшие концентрации 137 Cs отмечались в организме эскимосов в 1964 г., приблизительно 7,4·10 2 Бк на 1 кг массы тела, которая в настоящее время уменьшилась приблизительно до 1,85·10 1 Бк на 1 кг массы тела.

Читайте также: