РАДІОНУКЛІДИ

 

Радіоізотопи або радіонукліди являють собою атоми різних елементів періодичної системи, які не здатні залишатися постійно у незмінному стані. З часом вони обов’язково розпадаються або перетворюються на інші елементи. При цьому вивільнюється енергія, яка виділяється у вигляді іонізуючих випромінювань. Нестабільність цих ізотопів обумовлюється структурою їх ядер: співвідношення у ядрі протонів і нейтронів не є оптимальним, сили при тяжіння-відштовхування не компенсуються, і як наслідок, ядро з часом розсипається на уламки.

 Радіоактивність – випромінювання ядрами нестабільних атомів елементарних часток, інших ядер або електромагнітного випромінювання.

Радіоактивний розпад – перетворення радіонукліда на більш стійкий нуклід, що супроводжується вивільненням іонізуючого випромінювання.

 Деякі радіонукліди утворюються природним шляхом – під впливом космічних променів або як продукт розпаду інших радіонуклідів. Інші радіонукліди ніколи в природі не існували, а були створені людиною.

Розділяють такі поняття як природна та штучна радіоактивність.

Природна радіоактивність являє собою спонтанне перетворення одних атомних ядер на інші. Тобто це – внутрішня властивість атомів радіоактивного елементу.

Штучна радіоактивність має місце, коли у стабільному від природи атомі шляхом бомбардування його високоенергетичними частками порушують рівновагу між протонами і нейтронами ядра, через що атом стає радіоактивним.

Цікаво, що природну радіоактивність відкрили Анрі Беккерель та подружжя П’єр і Марія Кюрі, а штучну радіоактивність – донька та зять останніх – Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі. За ці відкриття усі перелічені вчені були відмічені Нобелевською премією.

 

Реакції α- та β-розпаду.

Перетворення ядер радіоактивних ізотопів, що супроводжуються вивільненням α- та β-випромінювання, називаються, відповідно, α-розпадом та β-розпадом. γ-випромінювання супроводжує процеси α- та β-розпаду.

Реакція α-розпаду виглядає так:

 _ZX^A   —α→   _Z-2Y^A-4 + ₂He⁴

 α-частки, що утворюються в ході реакції, складаються з протонів та нейтронів, що входили раніше до складу ядра нукліда.

А ось реакція β-розпаду:

 _ZX^A   —β→   _Z+1Y^A + e^-1

Один з нейтронів ядра атома перетворюється на протон та електрон. Протон залишається у ядрі, через що утворюється елемент з порядковим номером, більшим на 1 за періодичною системою Мендєлєєва, а електрон вивільнюється з ядра у вигляді β-частки.

Закономірності радіоактивного розпаду ізотопів називаються правилами зміщення.

 

Радіонукліди в екології.

Усі радіоізотопи є нестабільними утвореннями і існують лише певний час. Проте цей час існування суттєво відрізняється у різних ізотопів. Найважливішою характеристикою радіонукліду є період напіврозпаду – час, за який розпадається половина атомів у зразку речовини. Період напіврозпаду може становити від мільйонних долей секунди до мільярдів років. Радіоекологія має справу з тими нуклідами, які існують порівняно тривалий період (хоча б добу), за який вони встигають пройти деякий шлях в екосистемі та вплинути на якісь процеси. У таблиці 1 представлені основні радіоізотопи, які виникають у природі, існують певний час та є екологічними факторами, що впливають на ті або інші процеси.

 

Ізотоп	Період напіврозпаду	Ізотоп	Період напіврозпаду
3H	12,26 років	132Te	78,2 годин
7Be	53,29 дні	133I	20,8 годин
14C	5370 років	133Xe	5,25 днів
24Na	15 годин	134Cs	2,065 роки
40K	1,25х109 років	136Cs	13,1 днів
60Сo	5,37 років	137Cs	30,17 років
85Kr	10,72 років	140Ba	12,76 років
87Rb	4,9х1010 років	140La	40,3 годин
89Sr	50,52 днів	141Ce	32,5 дні
90Sr	29 років	144Ce	284,4 дні
91Y	58,8 днів	147Pm	2,62 роки
95Zr	64 дні	210Po	138,4 днів
95Nb	53 дні	210Pb	19,4 років
99Tс	2,13х105 років	222Rn	3,82 дні
103Ru	39,24 днів	231Pa	3,27х104 років
106Ru	372 дні	232Th	1,41х1010 років
110Ag	249,8 днів	235U	7,04х108 років
115Cd	44,6 дні	237Np	2,14х106 років
125Te	58 днів	238U	4,46х109 років
125I	59,9 днів	239Pu	2,41х104 років
127Sb	3,84 дні	240Pu	6537 років
129I	1,6х107 років	241Pu	14,4 років
131I	8,04 днів	241Am	432,2 роки
131Xe	11,92 днів	242Am	141 рік
		244Pu	8,1х107 років

 

Таблиця 1 – Основні радіоізотопи та їх періоди напіврозпаду

 

Радіоактивні ряди та космогенні радіонукліди.

Особливе значення мають ті радіонукліди, період напіврозпаду яких сягає мільярди років. Оскільки вони присутні в земній корі із самого початку існування планети. Таких довго існуючих радіоізотопів усього декілька, і вони називаються первинними радіонуклідами. Інші відомі природні радіонукліди походять від первинних і називаються вторинними радіонуклідами. Точніше, не всі первинні радіонукліди дають початок вторинним. Наприклад, при розпаді ⁴⁰K і ⁸⁷Rb відразу утворюються стабільні ізотопи. А от інші первинні радіонукліди дають ряди розпаду, оскільки стабільні ізотопи утворюються після них через цілий ланцюг реакцій радіоактивного розпаду. І на кожній ланці цього ланцюгу утворюються відповідні радіоізотопи, які мають свій період напіврозпаду і далі перетворюються на наступні дочірні радіонукліди.

Усього виділяють 3 ряди радіоактивного розпаду або родини радіонуклідів (залежно від того, який первинний радіонуклід є початковим):

- урановий ряд: походить від радіоізотопу ²³⁸U;

- торієвий ряд: походить від радіоізотопу ²³²Th;

- актинієвий ряд: походить від радіоізотопу ²³⁵U.

Крім дочірніх ізотопів, що утворюються в ході радіоактивних розпадів у земній корі, у довкілля постійно надходять космогенні радіонукліди, які утворюються через бомбардування атмосферної речовини космічним випромінюванням. Під ударами часток з високою енергією, в першу чергу протонів і нейтронів, ядра атомів O, N та Ar розколюються на уламки, при цьому утворюються інші елементи. Ізотопи, що виникають в ході таких реакцій, можуть бути як стабільними, так і радіоактивними. Найбільше екологічне значення мають такі космогенні радіонукліди як ³H (трітій), ⁷Be, ¹⁴C, ²⁴Na, ³²Р, ³³Р та ³⁵S.