Масса — не единственное свойство, по которому можно отличить изотопы одного и того же химического элемента, этих химических «близнецов». Исследования показали, что изотопы всех элементов по своему поведению можно разделить на две группы. Одни ведут себя смирно: какими они появились на свет, такими и остались. Причем появиться они могли и много миллиардов лет назад — когда возникла Вселенная, и совсем недавно. Поведение же других изотопов химических элементов прямо противоположное: они непрерывно «меняют лицо», превращаясь в изотопы других элементов. Такие превращения принято называть радиоактивным распадом. Почему распад — понятно: «смена лица» фактически приводит к уничтожению атомов данного элемента, к их распаду. А радиоактивными эти превращения названы потому, что они сопровождаются испусканием особых лучей. Что же это за лучи?

Конец XIX века был богат на открытия, связанные с обнаружением разного рода «излучений». В 1895 году немецкий физик В. К. Рентген (1845–1923) открыл лучи, названные впоследствии его именем. Они возникали, когда быстро летящие в вакууме отрицательно заряженные частицы — электроны ударялись о препятствие. Мы уже говорили о том, что почти одновременно с открытием рентгеновских лучей появилась соответствующая аппаратура, которая сразу же нашла практическое применение, прежде всего — в медицине. Сейчас рентгеновские лучи широко используются во всем мире. Редко можно найти человека, который бы ни разу в своей жизни не побывал в рентгеновском кабинете — хотя бы для того, чтобы сделать снимок зуба; рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани, но задерживаются костями и другими твердыми предметами (рис. 7.1).

_{Рис. 7.1. Эта фотография руки охотника, пострадавшего от случайного выстрела мелкой дробью, была сделана профессором Майклом И. Пьюпином из Колумбийского университета в Нью-Йорке в феврале 1896 года — вскоре после первого сообщения Рентгена об открытии им новых лучей (28 декабря 1895 года). Но не Пьюпин был первым, кто применил рентгеновские лучи в медицинских целях: еще раньше М. Ястровиц в Берлине обнаружил новым методом осколки в руке стеклодува, Г. Кайзер в Вене — дробь в руке лесника, А. Шустер в Манчестере — иголку в ступне балерины (кстати, после газетных сообщений об этом успехе масса мнительных людей во всем мире начала обращаться к врачам с жалобами на болезненные ощущения в разных частях тела, где у них, по-видимому, застряли иголки…)}

Совершенно другой тип лучей обнаружил в 1896 году французский физик Анри Антуан Беккерель (1852–1908). Эти лучи испускались «сами по себе» некоторыми редкими минералами. Выдающаяся французская исследовательница польского происхождения Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) назвала это явление радиоактивностью. На латыни radius — «палочка, спица в колесе», а также «радиус круга, луч»; radiare — «испускать лучи, сиять»; в английском лексиконе слово radiant («излучающий») появилось еще в XV веке. То есть придуманный Кюри термин должен был означать самопроизвольное («активное») излучение некоторыми веществами. Долгое время не понимали, откуда эти лучи берутся. Потом удалось выяснить, что их испускают неустойчивые разновидности атомов обычных химических элементов. Следует отметить, что в 1903 году одна из первых Нобелевских премий по физике была присуждена А. А. Беккерелю, М. Склодовской-Кюри и ее мужу Пьеру Кюри (1859–1906) за исследование радиоактивных явлений.

Неустойчивые разновидности атомов, испускающие радиоактивные лучи, называются радионуклидами. Иногда их называют также радиоактивными изотопами. При распаде каждого неустойчивого атома из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц, обладающих высокой энергией. Поток этих частиц и называют радиоактивным излучением, или попросту радиацией. В теле человека такие частицы могут вызывать различные повреждения, и если повреждений за короткое время окажется много, организм не сумеет их «залечить» — человек заболеет лучевой болезнью. Наличием радиоактивных превращений объясняется непрерывное облучение, которому подвергаются на Земле и люди, и животные в течение всей их жизни — хотят они этого или нет. Это так называемый радиационный фон, причем заметная его доля приходится на «внутреннее» облучение человека.

Судите сами. Как уже говорилось, в человеке, весящем 70 кг. содержится много различных химических элементов. Больше всего в нем кислорода, углерода, водорода, азота, кальция, фосфора и калия. Все эти элементы мы привыкли считать вполне стабильными и потому безопасными с точки зрения радиации. Однако есть у этих элементов и радиоактивные разновидности — радионуклиды. У одних элементов их больше, у других — меньше.

Из 340 изотопов различных элементов, найденных в природе, 70 — радиоактивны. Большинство содержащихся в организме человека элементов — кислород, водород, азот, кальций, фосфор — природных радионуклидов практически не имеют, или их так мало, что связанное с ними излучение можно вовсе не учитывать. Иначе обстоит дело с углеродом и калием. Природный углерод содержит небольшую примесь (примерно 10^-10%) «радиоуглерода» (о нем еще будет подробный рассказ). В теле взрослого человека в минуту распадается почти 200 тысяч атомов радиоуглерода!

Обычный калий тоже содержит примесь радионуклида (его называют калий-40), в результате чего каждую минуту в теле человека распадается около 300 тысяч атомов калия-40.

Много радионуклидов существует в природе, но еще больше их получено искусственно. Некоторые радионуклиды распадаются очень медленно; это космические долгожители, время распада которых сравнимо со временем существования Вселенной. Например, время жизни радиоактивного калия (⁴⁰К) измеряется миллиардами лет. Когда Вселенная была намного моложе, когда еще не было ни Земли, ни Солнца, радиоактивного ⁴⁰К было довольно много. Сейчас в обычном калии его осталось чуть больше 0,01 %.

Конечно, за время своего существования все живое приспособилось к радиоактивному облучению. Более того, не исключено, что такое облучение и явилось одной из причин мутаций в ходе эволюции живой природы. Если это так, то не будь в природе радиации, не было бы на Земле такого богатейшего разнообразия животной и растительной жизни, не было бы и нас с вами. Так что не следует считать радиацию всегда и безусловно вредной — все хорошо в меру. Возьмем, к примеру, солнечную ультрафиолетовую радиацию: когда ее мало — люди плохо себя чувствуют, у детей развивается рахит; когда ее слишком много-кожа «обгорает» и «слезает», могут даже образоваться волдыри.

И все же — насколько опасны радионуклиды? Стоит ли верить рекламе чудодейственных средств, якобы выводящих радионуклиды из организма?

Прежде всего внесем ясность в некоторые определения. Химические свойства разных изотопов данного элемента почти не отличаются; например, присутствие в составе поваренной соли (хлорида натрия) двух изотопов хлора не приводит ни к каким последствиям. Кстати, природный натрий на 100 % состоит из единственного стабильного нуклида ²³Na. Другое дело, нестабильные, радиоактивные изотопы. Их распад сопровождается испусканием частиц с высокой энергией, которые могут быть опасны для организма. В то же время они широко используются в медицине, промышленности, и без них мы уже обойтись не можем. Искусственно получены очень многие радионуклиды. Важнейшие свойства радионуклидов определяются типом испускаемых частиц, их энергией, а также периодом полураспада т. е. временем, в течение которого распадается половина имеющихся нестабильных атомов.

Если период полураспада некоего вещества равен, например, одной минуте, то через 15–20 минут от него не останется и следа. Другое дело более долгоживущие радионуклиды. Например, для стронция-90 Т_1/2 = 28,7 года, поэтому этот радионуклид сохраняет активность в течение нескольких столетий.

Откуда же берутся радионуклиды? Источников их возникновения — несколько, причем одна часть — это естественные источники, а другая — «дело рук» человека. Начнем с естественных источников, на долю которых приходится 2/3 от всей радиации, получаемой человеком. Некоторые радионуклиды возникли при образовании нашей Вселенной одновременно со стабильными нуклидами, и благодаря большому периоду полураспада они до сих пор полностью не распались. Типичный пример — упомянутый калий-40. Его период полураспада — 1,3 миллиарда лет. Организм животных, а также человека, содержит примерно 0,3 % калия (кстати, это больше, чем натрия). Если человек весит 70 кг, то на долю калия приходится 210 г, из которых 0,021 г — это радионуклид ⁴⁰К. Зная массу и период полураспада, легко рассчитать, что в организме человека каждую секунду распадается примерно 5 тысяч атомов ⁴⁰К, а в сутки — 430 миллионов атомов! Тем не менее эта скорость распада настолько мала, что не представляет опасности для живых организмов. Некоторые ученые даже считают, что снижение облучения любой ценой окажет эффект, прямо противоположный желаемому.

Второй природный источник радионуклидов — космические лучи, под действием которых в верхних слоях атмосферы из одних нуклидов непрерывно образуются другие, в том числе и радиоактивные. Например, из атомов азота образуются углерод-14 (Т_1/2 = 5730 лет) и радиоактивный изотоп водорода — тритий (Т_1/2 = 12,3 года). В результате реакций обмена все живое содержит и эти радионуклиды. Атомов углерода-14 в организме человека в секунду распадается примерно столько же, сколько и атомов калия-40 (трития — намного меньше).

Третий основной источник радионуклидов в природе — медленно распадающиеся в земной коре изотопы урана и тория. Сами эти соединения в чистом виде практически не представляют опасности, однако в результате их распада образуется множество значительно более активных радионуклидов с относительно малым периодом полураспада. Один из них, и самый опасный, — радон (T_1/2 = 3,8 дня). Это инертный газ, поэтому он постепенно, не вступая в химические реакции, просачивается из глубин земного шара к поверхности и попадает в воздух, а оттуда — в наши легкие. В разных географических районах выделение радона может очень сильно отличаться. И хотя в среднем радона в атмосфере очень мало, именно на него приходится более 50 % дозы облучения, которую в среднем получает человек в течение жизни. Происходит это так. Во время выдоха из легких выходит почти весь радон, который мы перед этим вдохнули с воздухом. Однако небольшая часть его успевает все же распасться, образуя нелетучие радионуклиды полония и свинца. Именно они и дают основной вклад во «внутреннее облучение» человека. Эти же радионуклиды могут попасть в легкие и с твердыми частицами пыли, табачного дыма и т. п., на которые они оседают при распаде радона в воздухе. Радон способен накапливаться в плохо проветриваемых помещениях первого этажа и подвалах, если для него есть туда доступ из земли; выделяется он и из некоторых строительных материалов через мельчайшие трещинки. Поэтому доза облучения радоном очень сильно зависит от того, в каком месте и в каком доме живет человек. Когда в Швеции для экономии энергии стали строить дома с улучшенной изоляцией (а большинство шведов живет вовсе не в небоскребах), оказалось, что у жителей этих домов увеличилась доза облучения, полученная от радона.

Теперь об искусственных источниках радиации. Их тоже несколько. Со времен Марии и Пьера Кюри человек научился концентрировать, накапливать в чистом виде природные источники радиации, увеличивая таким способом их радиоактивность (на единицу массы) в миллиарды раз. Вначале к этим источникам относились без должного внимания, поскольку не подозревали об их опасности. Так, когда обнаружили яркое свечение сульфида цинка и других веществ под действием излучения солей радия, эти смеси со времен Первой мировой войны начали использовать для производства светящихся в темноте составов для покрытия стрелок часов и компасов, авиационных приборов и т. п. На предприятиях, производивших радиоактивные светосоставы, работницы не имели никакой специальной защиты. Они наносили радиоактивную краску кисточкой, а чтобы заострить ее кончик, время от времени облизывали его губами! И лишь после того как обнаружилась закономерная связь между частым заболеванием раком губы и опасным производством, выпуск таких изделий был прекращен. Тем не менее еще не так давно во многих странах продавались наручные часы с радиевым светосоставом. Более того, когда-то радионуклиды считались целебными при приеме внутрь! Так, с 1920 по 1930 годы в США продавалось патентованное «безвредное» средство «Радитор», на этикетке которого красовалась такая надпись: «Содержит радий и мезоторий в трижды дистиллированной воде». И только в 1932 году, когда выяснилась смертельная опасность таких «лекарств», они были запрещены.

Второй источник искусственных радионуклидов — работа ядерных реакторов (промышленных и исследовательских), а также термоядерные взрывы. В этом случае происходит не концентрация уже имеющихся на планете источников радиации, а синтез новых радионуклидов, значительная часть которых в природе не обнаружена. Несколько десятилетий назад огромное количество радионуклидов было выброшено в атмосферу во время массовых испытаний ядерного оружия. Так, в 1954 году (начало испытаний термоядерных бомб) содержание трития в дождевой воде увеличилось в тысячи раз. Сейчас основную опасность могут представлять крупномасштабные аварии на атомных электростанциях, небрежное, а порой преступное обращение с радионуклидами. Тем не менее в среднем доза облучения человека от работы таких станций весьма мала, что наглядно представлено в табл. 1. В ней приведены данные для «среднего американца»; в нашей стране соотношение может быть немного другим (особенно это касается искусственных источников).

Итак, мы выяснили, что полностью уберечься от радионуклидов никак нельзя, да и незачем: некоторые из них — составная часть нашего тела. Как, например, вывести из организма радионуклид калий-40? Теоретически это возможно: надо питаться только такой пищей, в которой этот изотоп калия отсутствует: тогда довольно быстро «чистый» калий вымоет из организма весь калий-40. Приготовление такой пищи лишь для одного человека обойдется, вероятно, не меньше, чем запуск экспедиции на Луну. А как вывести из организма, скажем, стронций-90, попавший туда «незапланированно», например, во время аварии? Ведь стронций концентрируется в костях вместе с очень близким к нему по химическим свойствам кальцием. Попытки «вымыть» стронций из костей могут привести к более печальным последствиям, чем лучевая болезнь, которую все же лечат. Наконец, каждый радионуклид обладает своей химической индивидуальностью, поэтому «средство, выводящее из организма все радионуклиды», так же нереально, как и алхимический «эликсир», превращающий стариков в юношей, а медь — в золото.

Мы уже говорили, что многие природные радионуклиды, хотя и живут сравнительно недолго — какие год, какие всего неделю, а некоторые и того меньше, — непрерывно образуются в результате распада других радионуклидов. Так они и превращаются друг в дружку, и такие превращения (их называют радиоактивными рядами) могут следовать друг за другом десятки раз. Цепочка превращений прекращается, когда образуется стабильный, то есть нерадиоактивный изотоп какого-либо элемента.

Радиоактивный распад подчиняется определенным законам, о которых мы немного сейчас и поговорим.