Радиоактивный стронций-90

Источники загрязнения окружающей среды. Наиболее значимый источник загрязнения внешней среды стронцием-90 — испытания ядерного оружия, причем отмечается отчетливо выраженная локальность выпадений (плотность выпадений зависит от физико-географических и климатических особенностей определенных районов). Поступает во внешнюю среду этот радионуклид также с АЭС и заводов по переработке отработанного ядерного топлива (находится в выбросах в легкорастворимой форме). В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радиоактивного стронция незначительны.

Радиоизотопы стронция характеризуются большим выходом в реакциях деления урана и плутония и высокой подвижностью в экологических цепях природной среды. Все это должно быть учтено в конструкции атомных реакторов, при определении продолжительности их эксплуатации и системы обращения с радиоактивными отходами.

Пищевые пути (цепи). Основные пищевые цепи миграции радиоактивного стронция: атмосфера — растения — человек; атмосфера — почва — растения — человек; атмосфера — почва — растения — животные — человек; атмосфера — водоемы — питьевая вода — человек; атмосфера — водоемы — гидробионты — рыба — человек;

сточные воды — почва — растения — человек; сточные воды — почва — растения — животные — человек; сточные воды — гидробионты — рыба — человек.

Стронций накапливается в зеленых растениях, в частности в злаковых (зерно), ис хлебопродуктами поступает в организм человека. Через сено (корм) он попадает в ткани животных (коров). Поэтому молоко — второй после хлеба путь поступления стронция в организм человека. Наконец, радиоактивный стронций, выпавший на поверхность водоемов или смытый туда поверхностными стоками, легко поглощается одноклеточными водорослями (фитопланктон), по пищевой цепи накапливается рачками и другими мелкими животными (зоопланктон), а затем рыбой.

Концентрация стронция по мере продвижения по пищевой цепи возрастает, в теле некоторых рыб она может быть в десятки тысяч раз выше, чем в воде. Таким образом, рыба, в особенности ее скелет,— другой распространенный пищевой канат поступления стронция в организм человека. Наконец, важным источником радиоактивного стронция являются овощи и плоды.

Стронций по своим качествам, как уже говорилось, весьма близок к кальцию и циркулирует в биосфере вместе с ним. Атмосферный воздух является первичным резервуаром, откуда стронций поступает в водоемы и на сушу. Осаждение радионуклидов из воздуха определяется гравитацией, оседанием на инертной пыли, постоянно присутствующей в атмосфере, и удалением атмосферными осадками (дождем, снегом). Время пребывания частиц радиоактивного стронция в атмосфере составляет 30—40 сут, а в стратосфере — несколько лет.

Почва имеет особое значение как депо радиоактивного стронция (почти весь он находится в подвижной форме). Вначале он скапливается на ее поверхности, а затем медленно перераспределяется по ее профилю. Стронций усваивается твердой фазой почвы значительно слабее, чем радиоактивный цезий. На миграцию радиоактивного стронция в почве влияют: климатические условия, рельеф местности, гидрологический режим, характер растительности, агротехнические мероприятия и вид почвы. Почвы по степени возрастания поглотительной способности радиоактивного стронция, в свою очередь, можно расположить в следующий ряд: чернозем — каштановые — дерново-подзолистые.

В растения радиоактивный стронций может поступать вследствие непосредственного загрязнения наземной их части (в момент выпадения радионуклида и вторичного пылеобразования), поглощения из почвы через корневую систему и орошения водами, его содержащими. Степень задерживания радионуклида на растительном покрове обусловлена особенностями растений, размерами радиоактивных частиц и метеорологическими условиями. Осевший на поверхность растений стронций-90 может ею всасываться. Коэффициент задержки радионуклидов глобальных выпадений дикой и сельскохозяйственной растительностью равен примерно 25 % . Время удаления (дождем, ветром и др.) с травянистых растений 50 % задержанных радионуклидов для зон умеренного климата составляет 1—5 нед. Накопление радиоактивного стронция обратно пропорционально количеству обменного кальция в почве, кроме того, оно зависит от вида и сорта растений. Так, больше всего его накапливается в бобовых, при этом в семенах, плодах и клубнях значительно меньше, чем в листьях и стеблях.

Радиоактивный стронций в основном поступает в организм животных с кормами. Переход радионуклида в продукты животного происхождения зависит от его биологической доступности, видовых и возрастных особенностей животных и их физиологического состояния. У телят, ягнят, козлят и поросят всасывание стронция в несколько раз больше, чем у взрослых животных. Основная часть радиоактивного стронция накапливается в костях, преимущественно в эпифазах (суставах). Таким образом, наибольшее накопление стронция возможно в растущем организме, причем этот радионуклид, осевший в костях, крайне трудно удаляется из организма. По степени его накопления в скелете сельскохозяйственных животных их можно расположить в следующий ряд: крупный рогатый скот — козы — овцы — свиньи — куры. Наибольшее накопление радионуклида отмечается в паренхиматозных органах — печени, почках, легких, минимальное — в мышцах, а особенно — в сапе. По степени отложения радиоактивного стронция в мышцах и паренхиматозных органах сельскохозяйственных животных их также можно составить в ряд: крупный рогатый скот — овцы — куры. У взрослых животных стронций в мягких тканях накапливается в большем количестве, чем у молодых, но у молодых животных он выводится значительно быстрее, чем у взрослых. Увеличение в рационе питания животных кальция ускоряет выведение стронция-90. У лактирующих животных радионуклид в значительных количествах выводится с молоком.

До 96 % радиоактивного стронция содержится в скорлупе яиц, 3,5 — в желтке и 0,5 % — в белке.

Водоемы представляют особую опасность, поскольку в них радиоактивный стронций накапливается. Гидробионтами, в частности рыбами, он усваивается по пищевой цепи и непосредственно из воды. При этом содержание стронция-90 в гидробионтах зависит не только от его концентрации в воде, но и от степени ее минерализации: с ее уменьшением накопление радионуклидов в гидробионтах повышается.

В итоге можно сделать вывод о том, что основным источником поступления радиоактивного стронция в организм человека являются продукты растительного и животного происхождения. Растворимые формы стронция хорошо всасываются в желудочно-кишечном тракте. Особую опасность радионуклид представляет для детей, в организм которых он поступает с молоком и накапливается в больших количествах в костях. С возрастом усвояемость радиоактивного стронция снижается. Высокое содержание в рационе питания кальция препятствует всасыванию радиоактивного стронция, который относится к наиболее опасным высокотоксичным радионуклидам. Большие его дозы вызывают у человека острую лучевую болезнь, длительное воздействие небольших доз приводит к развитию хронической ее формы. Для последней характерно поражение в отдаленные сроки кроветворной системы, развитие болезней крови (лейкозы) и костных опухолей.

Радиоактивный цезий-137

Среди техногенных радионуклидов особую опасность представляют радиоактивные изотопы цезия, особенно долгоживущий цезий-137 с периодом полураспада 30±0,2 года. Для этого радионуклида характерна высокая подвижность в экологических цепях природной среды и способность накапливаться в ее отдельных звеньях.

Источники загрязнения окружающей среды. Основным источником образования цезия-137 являются испытания ядерного оружия и предприятия ядерной энергетики. В больших количествах радионуклид накапливается в ядерных реакторах в процессе их эксплуатации. В условиях нормальной эксплуатации АЭС радиоактивные выбросы незначительны и зависят от конструкции ядерного реактора, типа систем очистки от радиоактивных веществ и выбрасываемого из станции воздуха, времени эксплуатации реактора и др. Загрязнителями окружающей среды цезием-137 могут также быть заводы по переработке отработавших твэлов. Потенциальные источники поступления цезия-137 в природную среду — сбросы из АЭС радиоактивных веществ в открытые пресноводные водоемы и хранилища радиоактивных отходов. Дозы облучения населения за счет выбросов предприятий топливно-ядерного цикла в условиях их нормальной эксплуатации незначительны и ниже рекомендованных нормативов.

Большая опасность загрязнения окружающей среды радиоактивным цезием возникает при авариях АЭС, когда значительно увеличиваются его выбросы. Дозы облучения при этом резко возрастают и колеблются в зависимости от масштабов аварии и эффективности мероприятий по ее ликвидации. Поступление цезия-137 в большой степени определяет радиационную опасность на протяжении длительного времени. Уровень загрязнения радиоактивным цезием окружающей среды зависит также от физико-географических и климатических особенностей районов, распределения атмосферных осадков и др. Например, в отдельных районах (украинско-белорусское Полесье, субарктические районы) уровни поступления цезия-137 с продуктами животного и растительного происхождения более высокие, чем в других. На Севере этому способствуют особенности роста лишайников (основной корм оленей), благоприятствующие задержке этого радионуклида и аккумуляции его в течение длительного времени.

Пищевые пути (цепи). Как и радиоактивный стронций, цезий-137 отличает высокая подвижность во внешней среде, особенно в первое время после его выпадения, а также по пищевым цепям, которые аналогичны миграции стронция-90. Еще одна возможная пищевая цепь миграции радионуклидов: источник загрязнения — лекарственные растения — лекарственное растительное сырье — лекарственный препарат — человек. Следует признать, что данная пищевая цепь миграции радионуклидов пока еще изучена недостаточно. В этом отношении представляют интерес данные исследования дикорастущего лекарственного растительного сырья в южных районах Калужской области, подвергнувшихся радиоактивному загрязнению. В результате оказалось, что плоды древесных пород на открытых местах обитания фактически не накапливают цезий-137. Наиболее низкие значения загрязнения почв для заготовки произрастающих на них лекарственных растений с безопасным содержанием цезия-137 выделены для многолетних кустарников и полукустарников, выросших на лугах (тимьян ползучий) и в лесу (брусника обыкновенная, багульник болотный).

Выпавший на поверхность почвы радиоактивный цезий мигрирует в горизонтальном и вертикальном направлениях, при этом важное значение приобретает его растворимость. В почве цезий-137 легко переходит в трудноусвояемую форму, образуя плохорастворимые соли. Поэтому его поступление в растения через корни происходит с трудом. Выпадение кислотных дождей облегчает переход цезия-137 в растворимую форму. На миграцию радионуклида в почве существенное влияние оказывают рельеф местности, гидрологический режим, вид почвы, характер растительности, проводимые агротехнические мероприятия и прочность связи радионуклида с почвой. По степени увеличения поглотительной способности цезия почвы можно расположить в ряд: черноземы — каштановые — дерново-подзолистые.

В растения радиоактивный цезий может поступать в результате непосредственного загрязнения листьев, стеблей, соцветий и плодов, а также усваиваться из почвы через корневую систему. Уровни поверхностного загрязнения растений зависят от их морфологических особенностей, плотности выпадений осадков, физико-химических свойств аэрозолей. По степени концентрирования цезия-137 растения могут быть расположены в следующий ряд: капуста — свекла — картофель — пшеница— естественное разнотравье. Уменьшение загрязненности пастбищной растительности (за счет дождя, ветра, прироста биомассы) происходит за период, равный примерно 14 сут. Более 90 % осевшего радионуклида удаляется в первые 2 мес. Растворимый цезий-137 поглощается корнями растений из почвенного раствора и прочно закрепляется в почве. По степени возрастания перехода цезия-137 в растения можно выстроить следующий ряд почв: дерново-подзолистые — красноземы — лу-гово-карбонатные — черноземы — сероземы. Больший переход радиоактивного цезия наблюдается в регионах с торфянисто-болотными почвами (украинско-белорусское Полесье). По степени накопления этого радионуклида в клубнях и зернах растения можно расположить в ряд: ячмень — просо — пшеница — гречиха — фасоль — овес —-чумиза — картофель — бобы. Величина накопления цезия-137 в растениях зависит от их вида, типа почвы и характера агротехнических мероприятий. При этом концентрация радиоактивного цезия в генеративных и вегетативных органах растений примерно одинакова.

Источниками цезия-137 для человека могут быть растительные (хлеб, овощи, фрукты) и животные (мясо, рыба, молоко и т. п.) продукты. Поскольку этот радионуклид имеет некоторые общие свойства с калием, то ткани растительного и животного происхождения накапливают и калий, и радиоактивный цезий. В организм животных цезий-137 в основном поступает с кормом, а выводится радионуклид преимущественно через почки. Основное количество его накапливается в мышцах (свыше 80 %), на втором месте находится скелет (около 10 %). Содержание радионуклида в 1 кг мышц коров, овец, коз, свиней и кур составляет соответственно 4, 8, 20, 26 и 45 % от суточного поступления. Радиоактивный цезий в значительных количествах выводится с молоком у лактирующих животных. При длительном поступлении радионуклида коровам содержание его в молоке достигает 0,8 — 1,2 % в 1 л от ежесуточного поступления, у коз — 10 — 20 %, у овец — 5 — 15 %. Эти различия связаны с физиологическими особенностями животных, характером корма и условиями их содержания.

Куриные яйца также являются источником поступления цезия-37 в организм человека, причем в белке радиоактивного цезия содержится в 2—3 раза больше, чем в желтке, а в скорлупе — 1—2 % от общего количества радионуклида в яйце.

Радиоактивный цезий в больших количествах накапливается в гидробионтах. Рыба усваивает цезий-137 непосредственно из воды и главным образом с кормом. Степень накопления этого радионуклида обусловлена биологическими и физиологическими особенностями каждого вида рыб. Слабая минерализация воды способствует более высокому накоплению цезия-137. В рыбе пресноводных водоемов радиоактивного цезия содержится в десятки — сотни раз больше, чем в морской. В то же время в промысловой рыбе Атлантического океана — в 10—30 раз ниже, чем в рыбе внутренних морей (например, Каспийского). Водные растения в зависимости от накопления цезия-137 могут быть расположены в следующий ряд: водоросли — растения, погруженные в воду,— прибрежно-водные растения — растения, плавающие на поверхности.

Радиоактивный цезий обладает достаточно высокой радиотоксичностью. В организм человека он может поступать через органы дыхания, кожные покровы, раны и ожоговые поверхности. Однако главный путь — с пищей. Радиоактивный цезий, подобно калию, равномерно распределяется в тканях и органах человека (что приводит к относительно равномерному их облучению), однако большая его часть концентрируется в мышечной ткани (80 % и лишь 10 % в костях). Цезий-137 относительно легко удаляется из организма. Выводится он преимущественно с мочой и частично — с калом. Период полувыведения этого радионуклида из организма — 65—100 сут. Скорость его выведения из организма обусловлена индивидуальными различиями людей в скорости обмена веществ и зависит от возраста, пола, характера питания, а также от многочисленных факторов внешней среды. Следует иметь в виду, что цезий-137 в значительных количествах переходит из организма матери через плаценту в плод (а в период вскармливания — с молоком к новорожденным).

Радионуклиды – это группы атомов, обладающих свойством радиоактивности, с определенным массовым числом, атомным номером и энергетическим статусом ядра.

Радионуклиды нашли широкое применение во всех сферах техники, науки и других отраслях народного хозяйства. В практике медицины радионуклиды стали использоваться для диагностики болезней, стерилизации лекарств, инструментария и других изделий. Разработан ряд прогностических и лечебных радиопрепаратов.

О пользе и применении радионуклидов в медицине подробно рассказывается в данном видео:

Радионуклиды представляют собой радиоактивные изотопы химических элементов с разными массовыми числами. Попробуем коротко и без углубления в научные данные разобраться в вопросе вреда этих веществ для здоровья человека.

О классификациях радионуклидов

Радиоактивные изотопы по свойствам относятся к разным категориям. Затронем только самые важные из них.

Радиоизотопы делятся на:

• природные;
• искусственные, образующиеся в результате проводимых ядерных реакций за счет деятельности человека.

Вторые получают из всех элементов таблицы Менделеева. Общее количество их достигает 2000 и продолжает увеличиваться. Естественных элементов намного меньше, около 100.

По устойчивости ядер радионуклиды классифицируются на:

• короткоживущие – с периодом полураспада менее 10 суток;
• долгоживущие – с большим периодом полураспада.

В последние годы в народном хозяйстве все чаще стали применяться радиоизотопы с периодом полного распада в несколько минут, что делает их практически безвредными.

По радиационной токсичности радионуклиды делятся на 4 категории:

• А – самые высокотоксичные для человека. Это изотопы тяжелых элементов, ядра которых подвержены самопроизвольному распаду. У них относительно большие периоды полураспада. Также эти радиоактивные вещества имеют склонность к накоплению в разных органах тела;
• Б – радионуклиды высокой токсичности;
• В – радиоизотопы средней токсичности;
• Г – радиационные изотопы малой токсичности.

Радиоактивные реакции делятся на альфа-распад – спонтанное изменение структуры ядра с возникновением альфа-частиц и бэтта-распад с испусканием или поглощением электронов, позитронов, нейтрино или антинейтрино.

На более детальных характеристиках видов распада останавливаться не будем. Постараемся больше коснуться свойств радиоэлементов.

Природные радионуклиды находятся в горных породах, почвенных слоях, водных естественных и искусственных резервуарах. Совокупно с космическим излучением они составляют .

Изотопы урана, тория поступают в организм с приемом пищи, воды, вдыхаемым воздухом и служат источниками внутреннего облучения.

О естественном радиационном фоне подробно рассказывается в данном видео-ролике:

Техногенный радиационный фон формируется за счет радионуклидов, содержащихся в стройматериалах, при сжигании топлива и выбросах электростанций.

Ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц дают искусственный радиационный фон.

Обратите внимание: Одним из важных свойств радионуклидов является период полураспада . Процессы, протекающие в радионуклидах, приводят к уменьшению числа ядер в два раза, тем самым уменьшая радиационную активность изотопа.

В ткани и органы радионуклиды поступают через вдыхание воздуха, прием пищи, царапины, раны, ожоги.

Где в организме человека находятся радионуклиды

Радиоактивные изотопы имеют свои «излюбленные» места в теле человека.

Всего по этому свойству выделяются 4 группы:

1. Равномерно распределенные по тканям организма радионуклиды – цезий 134, цезий 137 (радиоцезий), натрий 24 и др.
2. Оседающие в костной ткани – стронций 89, 90, барий 140, радий 226, 224, кальций 40, иттрий.
3. Накапливающиеся в ретикуло-эндотелиальных органах (красном костном мозге, лимфоузлах, печени, селезенке) – церий, прометий, америций, плутоний, лантан.
4. Органотропные – изотопы йода в щитовидной железе, железа в эритроцитах, цинка в поджелудочной железе, молибдена – в радужной оболочке глаза.

Как выделяются радионуклиды

Основная масса радиоактивных изотопов выводится из организма кишечником. Растворимые (цезий и тритий) выходят через мочевыделительную систему. Газообразные элементы удаляются кожей и органами дыхания. Основная часть радионуклидов выводится за несколько суток после поступления. Задерживаются изотопы, имеющие большую атомную массу, радиоактивные коллоиды (полоний, радий, уран). Эти элементы попадают в печень и в желчевыводящие протоки.

Обратите внимание : единицей измерения процесса выведения радионуклидов из организма является период полувыведения , характеризующийся выходом половины поступившего в организм человека радиоактивного вещества.

К примеру: радиоизотоп йода, находящийся в щитовидной железе, имеет период полувыведения 138 суток, а в почках – 7 суток, в костной ткани – 14 суток.

Радиоактивные элементы выводятся медленно из костной ткани. В мягких тканях процесс выхода – значительно быстрее. Речь идет о цезие, молибдене, йоде и др. А вот такие вещества как стронций, цирконий, плутоний и др. выделяются значительно проблематичнее, оседая в костях человека на длительное время.

О вредном воздействии радионуклидов на человека

Радиоактивные изотопы в организме человека оказывают действие, которое приводит к остановке роста и деления клеток, повреждает нормальные биохимические циклы, вызывает нарушение структурных связей ДНК, разрушает генетический код. В итоге клетки подвергаются деструкции.

Свободные радикалы, в больших дозах попадающие в организм, вызывают серьезные тканевые повреждения. В малых дозах они способны нарушить процесс созревания и развития клеток, вызывают злокачественные новообразования. Генетические изменения могут привести к серьезным наследственным болезням, которые проявятся у потомков.

Рассмотрим механизм разрушительного влияния некоторых радионуклидов.

Действие на организм человека стронция-90 и цезия-137

Стронций-90 при попадании накапливается в костной ткани, костном мозге, органах кроветворения. Повреждающее действие вызывает малокровие (анемию). Действие его продолжается десятилетиями, так как период полураспада элемента составляет 29 лет, а полувыведения – 30 лет. При попадании внутрь стронций в течение 15 минут концентрируется в крови, полностью оседая в органах-мишенях через 5 часов. Выведение этого радиоактивного вещества составляет сложную задачу. Пока нет эффективных методов, противостоять его воздействию.

Цезий-137 – второй по распространенности и опасности для человека радионуклид. Он имеет свойство накапливаться в клетках растений и уже в составе пищевых продуктов через желудок и кишечник проникать в организм человека. Период полураспада 30 лет. Излюбленная локализация – мышцы. Выводится очень медленно.

В каких продуктах содержатся радионуклиды

Наибольшее количество радионуклидов находится в хлебобулочных продуктах. После них следуют молоко и молочные изделия, затем овощи, фрукты. Меньше всего радиоизотопов в мясе и рыбе, особенно их мало в морепродуктах. То есть, продукты животного происхождения более чистые в плане радиационной безопасности, чем растительные.

Морская вода содержит меньше радиоактивных элементов по сравнению с пресной. Практически свободны от изотопов артезианские воды. Остальные водоемы могут содержать высокие дозы, в зависимости от своего географического нахождения и других факторов (загрязнение).

Допустимые нормы содержания радионуклидов цезия-137 и стронция-90 приведены в таблице:

О радиозащитных свойствах пищевых и лекарственных веществ

Радиоустойчивость организма человека повышают полисахариды, липополисахариды листьев чая, винограда, медицинский спирт, витамины, минералы, практически все группы ферментов, многие гормоны.

Из лекарственных средств сопротивляемость к действию источников радиации проявляют антибиотики, наркотические вещества, витамины искусственного производства.

Продукты, обладающие свойством выведения радионуклидов

Рассмотрим основные группы пищевых продуктов, которые способны оказывать антирадиационное действие и ускоряют выход изотопов из тканей человека.

К таким продуктам относятся:

• яичная скорлупа – входящий в ее состав кальций выводит радиоактивный стронций. Употребляют ее до 5 г в сутки. Предварительно измельченная до состояния порошка скорлупа добавляется в еду;
• хлебные изделия из ржаной муки. В них находится фитин, связывающий стронций, который попадает в ЖКТ с продуктами;
• цитрусовые, черноплодная рябина, ягоды боярышника, облепиха, солодка. В этих растениях и их плодах содержатся флавониды, которые также обладают свойствами выведения радионуклидов.

Хотите узнать, какие продукты способствуют выведению радионуклидов из организма? Смотрите видео-обзор:

Как лучше обрабатывать пищевые продукты для очистки от радиоактивности

Обычные механические способы обработки пищевых продуктов способствуют удалению находящихся на их поверхности стронция и цезия. Достаточно просто помыть их в холодной воде и очистить от загрязнений.

У овощных культур необходимо срезать верхнюю часть плода, так как именно в ней скапливается около 80% ядовитых и радиоактивных веществ. Капусту надо чистить от верхних листьев, а также не использовать внутреннюю «кочерыжку».

Термическая обработка выводит около половины содержащихся в продукте радионуклидов. А вот жарка как раз наоборот, задерживает их.

Мясные и рыбные полуфабрикаты перед приготовлением следует замочить в воде с добавлением уксуса. Мясной бульон рекомендуется сливать, в нем после варки скапливаются токсины и радиоактивные изотопы. При необходимости приготовления бульона нужно залить мясо холодной водой, варить 10 минут, затем бульон слить. Воду набрать свежую, и отваривать мясо до готовности. В полученном бульоне вредных радиоактивных веществ будет меньше в два раза.

Количество радиоактивных элементов уменьшается при мелкой нарезке мяса и вымачивании его в воде в течение нескольких часов. Следует помнить, что при такой обработке теряются и полезные свойства продукта.

Предварительное замачивание грибов удаляет на 30% цезий, а варка до 90%. Стронций при таких видах обработки практически не выводится.

Самыми «чистыми» от радиоактивности являются рафинированные сорта растительного масла, сахар и крахмал.

Обработка молока до состояния масла практически полностью лишает его стронция, а цезий обезвреживается при переработке молока в сыр, порошкообразные субстанции.

Топинамбур – плод, который не накапливает радиоактивность.

Уха может впитывать радионуклиды из костей, плавников и чешуи рыбы. По этой же причине радиационную опасность могут представлять и консервы, в которых полуфабрикат обрабатывается под давлением с применением высоких температур. Это приводит к размягчению несъедобных частей рыбы, в которых обычно и сконцентрированы радионуклиды.

Продукты отрубей из зерна также аккумулируют радиоизотопы стронция.

Что делать при поражении радионуклидами

Радиоактивные изотопы, попавшие в организм, требуют ускорения процесса их выведения. Самым главным фактором сопротивляемости вредоносному воздействию радионуклидов является состояние иммунной системы. Имеющийся естественный радиационный фон, воздействуя на человека тысячелетиями, создал естественные механизмы защиты, обладающие обезвреживающим радионуклиды эффектом. Речь идет о выведении чужеродных субстанций желчью, кишечником, почками, печенью.

Если процесс поступления в организм радиационной группы веществ носит постоянный характер, то необходимо:

• принимать препараты кальция с поливитаминами, способствующими защите костной ткани;
• употреблять в пищу продукты с высоким содержанием калия – горох, фасоль, чечевицу, сухофрукты. Находящиеся в них вещества способствуют выведению из организма цезия;
• добавлять в рацион куриные яйца, молоко. Находящийся в них кальций способен удалять стронций;
• есть фрукты и овощи с высоким содержанием пектинов, связывающих радионуклиды
• принимать мочегонные препараты;
• поддерживать активный водный режим. Пить минеральную воду, которая будет способствовать избавлению от радиоактивных изотопов калия, натрия и магния.

Интересные факты последствий радиоактивных заражений

Аварии на атомных станциях, испытание ядерного оружия, эксперименты ядерных лабораторий оставляют свой след в атмосфере, воде, почве. Учеными выяснено, что таким образом во внешнюю среду выделяется около 20 радионуклидов. Основная часть из них долговременного вреда не представляет, так как инактивируется в течение нескольких недель и месяцев. Прежде всего речь идет об изотопах благородных газов, составляющих основу радиоактивного облака. Они способны принести человеку вред для здоровья.

Следующим опасным элементом был признан изотоп йода-131. Он быстро скапливался в продуктах, особенно в молоке. Следует отметить, что нормы радиационной безопасности в нашей стране намного жестче, чем в Европе.

Элементом, который не так агрессивен в плане своего вредоносного значения, чем вышеперечисленные вещества, но более стабилен, является плутоний. Особую опасность он представляет своей возможностью вызывать серьезные заболевания легких.

И всё же больший вред несут в себе уже разобранные нами цезий и стронций, сохраняющиеся в организме десятилетиями.

Обратите внимание: На фоне происходящих трагедий (авария на Чернобыльской АЭС, взрыв на атомной станции «Фукусима-1, других техногенных катастроф») появилась целая плеяда шарлатанов, запугивающих людей рассказами о том, что якобы радиоактивностью заражены огромные территории и поражено все население. Они предлагают за деньги стопроцентную очистку организма от радиоактивных веществ. Есть ли в этих утверждениях рациональное зерно – тема для отдельного серьезного разговора. В большинстве случаев в основе «чудодейственных» методов лежит обман. Поэтому, любой человек, подвергшийся радиационному заражению, должен обращаться за помощью только к официальной медицине .

Лотин Александр Владимирович, врач-рентгенолог

Наш мир сегодня озабочен вопросами загрязнения окружающей среды. И это понятно - состав воздуха, которым мы дышим, и пища, которую мы употребляем, уже давно перестала быть экологически чистой. С момента первого испытания ядерного оружия (1945 год) наша планета загрязнена различными радионуклидами с антропогенными свойствами. И один из них - цезий-137. Период полураспада его огромен, а воздействие на человеческий организм разнообразно. Об этом и многом другом расскажем в данной статье.

Один из множества

Цезий в периодической таблице Дмитрия Менделеева относится к главной подгруппе первой группы шестого периода и имеет атомный номер 55. Химический символ элемента - Cs (Caesium), и свое название он получил благодаря наличию в спектре относительной интенсивности электромагнитного излучения двух синих линий (от латинского слова caesius, что означает "небесно-голубой").

Как простое вещество цезий представляет собой мягкий серебристо-желтый металл с выраженными щелочными особенностями.

Открыли этот элемент в 1860 году два ученых из Германии Р. Бунзен и Г. Кирхгоф. Они использовали метод спектрального анализа, и цезий стал первым элементом, который был обнаружен данным способом.

Многоликий цезий

В природе цезий встречается исключительно в виде стабильного изотопа Cs-133. Но современная физика знает 39 искусственно созданных радионуклидов (радиоактивных изотопов).

Напомним, что изотопы - это разновидности атома элемента с различным количеством нейтронов в их ядрах.

Дольше всех (до 2,3 миллиона лет) живет изотоп Cs-135, второй по периоду полураспада - цезий-137. Именно последний является виновником радиационного загрязнения нашей планеты. Период полураспада цезия-137 в секундах - 952066726, что составляет 30,17 года.

Данный изотоп образуется при распаде ядер в ядерном реакторе, а также при испытаниях оружия с ядерными боеголовками.

Нестабильный радионуклид

В результате периода полураспада цезия-137 он проходит стадию бета-распада и превращается в нестабильный барий-137m, а затем в стабильный барий-137. При этом выделяется гамма-излучение.

Именно полный период полураспада цезия-137 равен 30 лет, а до бария-137m он распадается за 2,55 минуты. Суммарная энергия этого процесса равна 1175,63 ± 0,17 кэВ.

Формулы, описывающие период полураспада цезия-137, сложны и являются частью распада урана.

Физические и химические свойства

О физических свойствах изотопа и особенностях его распада мы уже писали. По химическим свойствам данный элемент близок с рубидием и калием.

Все изотопы (в том числе и цезий-137 с периодом полураспада 30,17 года) при попадании в живой организм любым способом прекрасно всасываются.

Главный поставщик биосферного радионуклида

Источником биосферного радиоактивного нуклида цезия-137 с периодом полураспада больше 30 лет является ядерная энергетика.

Статистика неумолима. По данным 2000 года, всеми реакторами атомных электростанций мира в атмосферу выброшено порядка около 22,2 × 10 19 Бк цезия-137, период полураспада которого - более 30 лет.

Загрязняется не только атмосфера. С танкеров и ледоколов с атомными установками, с подводных атомных лодок в год в океан попадает данный радионуклид. Так, по подсчетам специалистов, в течение работы одного реактора подводной лодки в течение одного года в океан попадет порядка 24 х 10 14 Бк. Если учесть время полураспада цезия-137, это становится опасным источником очень длительного загрязнения окружающей среды.

Самые известные выбросы

Прежде чем перейти к воздействию радионуклидного цезия на организм человека, напомним о нескольких крупных катастрофах, сопровождавшихся выбросами этого элемента в биосферу.

Немногие знают, но в 1971 году в районе Иваново (деревня Галкино) были проведены работы по глубинному зондированию коры нашей планеты. Это были подземные ядерные взрывы, после одного из которых из одной скважины вырвался грязевой фонтан. И сегодня в месте этих работ фиксируется излучение в 3 миллирентгена в час, а радионуклиды стронций-90 и цезий-137 все еще выходят на поверхность Земли.

О катастрофе в Чернобыле в 1986 году известно всем. Но не все знают, что тогда в атмосферу поступило около 1850 ПБк радиационных элементов. И 270 ПБк из них - цезий-137.

В 2011 году, когда авария произошла на японской АЭС «Фукусима», 15 ПБк цезия-137 с периодом полураспада, равным 30 годам, поступило в воды Тихого океана.

Что происходит потом

С радиоактивными осадками и отходами цезий-137 попадает в почву, откуда поступает в растения, у которых наблюдается коэффициент его поглощения на уровне 100 %. При этом до 60 % нуклида накапливается в надземных частях растительного организма. При этом в почвах, бедных калием, эффект накопления цезия-137 заметно увеличивается.

Наибольшие коэффициенты накопления этого нуклида отмечены в пресноводных водорослях, лишайниках и растительных организмах арктической зоны. В теле животных этот радионуклид накапливается в мышцах и печени.

Наиболее высокие его концентрации отмечались у северных оленей и водоплавающих птиц арктических побережий.

Аккумулируют цезий и грибы. Особенно маслята, польские грибы, моховики и свинушки на протяжении всего периода полураспада.

Биологические свойства цезия-137

Природный цезий - это один из микроэлементов организма животных. В нашем организме цезий содержится в количестве 0,0002-0,06 мкм в расчете на 1 грамм мягких тканей.

Радионуклид цезия, как уже говорилось, включается в круговорот веществ в биосфере и свободно перемещается по биологическим трофическим цепочкам.

При пероральном попадании в организм человека в желудочно-кишечном тракте происходит 100%-е всасывание этого нуклида. Однако в разных отделах скорость этого процесса разная. Так, через час после поступления в организм в желудке человека всасывается до 7 % цезия-137, в двенадцатиперстной, тощей и подвздошной кишке - до 77 %, в слепой кишке - до 13 %, а в последнем отделе кишечника (поперечно-ободочном) - до 40 %.

Доля цезия-137, который попадает через дыхательные пути, составляет 25 % от количества, поступающего с пищей.

Через кровь - в мышцы

После реабсорбции в кишечнике цезий-137 приблизительно равномерно распределяется в тканях организма.

Последние исследования на свиньях показали, что наибольших концентраций данный нуклид достигает в мышечных тканях.

При изучении северных оленей было установлено, что цезий-137 после однократного введения распределяется следующим образом:

• Мышцы - 100 %.
• Почки - 79 %.
• Сердце - 67 %.
• Легкие - 55 %.
• Печень - 48 %.

Период полувыведения составляет от 5 до 14 суток и осуществляется преимущественно с мочой.

Что происходит в организме человека

Главные пути попадания цезия в организм - через пищеварительный тракт и дыхательные пути. При наружном попадании цезия-137 на неповрежденную кожу проникает внутрь 0,007 %. При попадании внутрь организма 80 % его накапливается в скелетных мышцах.

Выводится элемент через почки и кишечник. В течение месяца выводится до 80 % цезия. В соответствии с данными Международной комиссии по радиологической защите период полувыведения радионуклида составляет семьдесят дней, но скорость зависит от состояния организма, возраста, питания и других факторов.

Радиационные поражения, схожие по симптоматике с лучевой болезнью, развиваются при получении дозы более 2 Гр. Но уже при единицах МБк наблюдаются признаки легкого лучевого поражения в виде диареи, внутренних кровотечений, слабости.

Как уберечься от заражения

Для определения количества цезия-137 в организме человека проводят измерение бета-гамма-радиометрами или счетчиками излучений человека (СИЧ) гамма-излучения от тела или от выделений.

При анализе пиков спектра, которые соответствуют данному радионуклиду, определяют его активность в организме.

Профилактика заражений жидкими или твердыми соединениями цезия-137 заключается в проведении манипуляций исключительно в герметичных боксах. Для предотвращения попадания элемента внутрь используют средства индивидуальной защиты.

При этом стоит помнить, что период полураспада цезия-137 равен 30 годам. Так, в 1987 году в Бразилии (город Гояния) произошла кража детали из установки радиотерапии. В течение 2 недель заражению подверглось порядка 250 человек, четверо из них умерли в течение месяца.

Допустимые нормы и неотложная помощь

Допустимыми поступлениями данного элемента считается 7,4 х 10 2 Бк в течение суток и 13,3 х 10 4 Бк в год. Содержание в воздухе не должно превышать 18 х 10 -3 Бк на 1 кубический метр, а в воде - 5,5 х 10 2 Бк на литр.

При превышении указанных норм необходимо применить меры по ускорению выведения элемента из организма. В первую очередь следует провести мероприятия по дезактивации поверхностей (лица и рук) водой с мылом. При попадании вещества через дыхательные пути - промыть носоглотку физиологическим раствором.

Ускорит выведение элемента применение сорбентов и мочегонных средств с водной нагрузкой.

В тяжелых случаях проводится гемодиализ и назначается специфическая терапия.

Но есть и польза

В химических исследованиях, гаммадефектоскопии, в радиационных технологиях и при проведении различных радиобиологических опытах ученые нашли применение этому антропогенному элементу с излучающими свойствами.

Цезий-137 применяется в контактной и лучевой терапии, в стерилизации медицинского инструментария, пищевых продуктов.

Этот элемент нашел свое применение при изготовлении радиоизотопных источников тока и в уровнемерах сыпучих веществ, где он используется в непрозрачных герметичных емкостях.

Биологические свойства цезия-137 (137 Сs) - одного из наиболее биологически важных радионуклидов поступивших в окружающую среду после аварии на ЧАЭС.

Свойства радионуклида 137 Сs

Цезий-137 - бета-излучатель с периодом полураспада 30.174 года. 137 Сs 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 137 Сs , один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана.

Ядерная энергетика является источником поступления 137 Сs в окружающую среду. Согласно опубликованным данным в 2000 году реакторами АЭС всех стран мира в атмосферу было выброшено около 22,2 х 10 19 Бк 137 Сs . Выброс 137 Сs осуществляется не только в атмосферу, но и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками. Суммарная активность продуктов деления, образовавшихся в ядерном реакторе атомной подводной лодки мощностью 60 МВт при его непрерывной работе в течение одного года, достигает более 3,7 х 10 17 Вк, в том числе 137 Сs - приблизительно 24 х 10 14 Бк. Естественно, что при крупных авариях, происшедших с двумя атомными подводными лодками США («Третер» в 1963 году и «Скорпион» в 1967), большая часть радиоактивных веществ, включая 137 Сs , могла поступить в воду и явиться источником длительного загрязнения.

По своим химическим свойствам цезий близок к рубидию и калию - элементам 1 группы. Радиоизотопы цезия применяются в химических исследованиях, в гаммадефектоскопии, в радиационной технологии, в радиобиологических экспериментах. 137 Сs используется как источник -излучения для контактной и дистанционной лучевой терапии, а также для радиационной стерилизации. 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. Поэтому еще в доаварийные времена содержание этого радионуклида в выращенной здесь продукции было в 35-40 раз выше, чем в центральных районах страны. После аварии на ЧАЭС людей пришлось отселять из наиболее пострадавших районов вовсе не из-за опасно высокого радиационного фона - там стало невозможным ведение сельского хозяйства.

В Украине есть места, где нельзя получать чистую продукцию даже при уровне загрязнения цезием-137 в 1 Ки/км 2 .

Биологическое действие 137 Сs

Изотопы цезия, являясь продуктами деления урана, включаются в биологический круговорот и свободно мигрируют по различным биологическим цепочкам. В настоящее время 137 Сs 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 137 Сs в ЖКТ животных и человека составляет 100%. В отдельных участках ЖКТ всасывание 137 Сs происходит с различной скоростью. По данным ученых через час после введения всасывается по отношению к введенной дозе: в желудке всасывается 7% 137 Сs , в двенадцатиперстной кишке-77%, в тощей-76%, в подвздошной-78%, в слепой-13%, в поперечно-ободочной кишке-39%.

Через дыхательные пути в организм человека поступление 137 Сs 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.

Л. А. Булдаков, Г. К. Королев считают, что изотопы цезия больше всего накапливаются в мышцах. По данным Ю. И. Москалева после внутривенного введения 137 Сs быстро покидает кровяное русло. В первые 10 - 30 мин максимальная концентрация его регистрируется в почках (7-10% в 1 грамме ткани). Затем происходит перераспределение его, и основные количества - до 52,2% - задерживаются в мышечной ткани.

Проводили исследования по распределению 137 Сs в организме свиней. Свиньям скармливали 137 Сs с пищей однократно или повторно в течение 7 суток в суммарных дозах 2,9 или 1,6 кБк. На 1, 7, 14, 28 и 60 суток после введения изотопа животных забивали и исследовали содержание 137 Сs в мышечной ткани. Содержание активности в мышечной ткани животных, получавших 137 Сs в дозе 2,967 кБк, было почти в 2 раза выше, чем у животных, получавших 137 Сs в дозе 1,609 кБк. Уменьшение радиоактивности в мышечной ткани было наиболее выражено в первые 14 суток при обеих дозах радионуклида. Выведение 137 Сs из организма свиней осуществлялось главным образом с мочой. Скорости выведения 137 Сs при однократном и повторных введениях существенно различались. Период полувыведения изотопа при однократном введении составлял 5 суток, а при повторных- 14 суток.

В организме северных оленей, после однократного введения, 137 Сs распределятся таким образом. В мышцах накапливается 100%, в почках - 79, сердце - б7, селезенке - 60, легких - 55, печени - 48 %.

В опытах на собаках, проведенных в 1968 году, было установлено, что при однократным внутри-венным введением 137 Сs в количестве 3,5 – 14 х 10 7 Бк/кг изучал распределение по органам. Показано, что наибольшие количества 137 Сs через 19-81 суток содержатся в скелетных мышцах, печени, почках. Важно отметить, что введенная доза 137 Сs и пол животных не влияют на распределение нуклида по органам и тканям.

Определение 137 Сs 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 137 Сs 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.

На рабочем месте без разрешения санэпидемслужбы могут находиться открытые препараты цезия с активностью 0,37- 3,7 мБк (10-100 мкКи).

Неотложная помощь при остром поражении изотопами цезия

Неотложная помощь при поражении изотопами 137 Сs заключается в дезактивации рук и лица водой с мылом, моющими порошками «Эра», «Астра». Необходимо провести промывание носоглотки и ротовой полости водой или физиологическим раствором.

Для ускорения выведения цезия из организма рекомендуют применять в качестве сорбентов: ферроцин, 1,0: 100 мл воды, или бентонит, 20,0: 200 мл воды, с последующим вызыванием рвоты (1 % -ный апоморфин - 0,5 мл под кожу), или обильное промывание желудка водой. После очистки желудка повторное назначение курса лечения ферроцином (1,0 г 2-3 раза в сутки в течение 15-20 суток). В тяжелых случаях гемодиализ (применение аппарата «Искусственная почка»). Всемерное повышение водносолевого обмена. Назначение ацетата калия, 30,0: :200,0, по 1 столовой ложке 5 раз в день. Калиевая диета (изюм, курага) Внутривенное введение лимоннокислого натрия 10% -ного – 2 - З мл. Мочегонные с водной нагрузкой. Внутрь димедрол 0,05 г, антибиотики.

Допустимое поступление 137 Сs в организм человека не должно превышать 7,4 х 10 2 Бк/сутки. Допустимое годовое поступление 137 Сs в организм персонала через органы дыхания составляет 13,3 х 10 4 Бк/год. Допустимая концентрация 137 Сs в воздухе рабочих помещений 5,18 х 10 -1 Бк/л, в воде - 5,5 х 10 2 Бк/л, в атмосферном воздухе 18 х 10 -3 Бк/л.

Миграция 137 Сs в почвах

Выпавший, после аварии на ЧАЭС , на почву 137 Сs прочно удерживается в верхнем гумусированном слое. Со временем происходят его физико-химические превращения, осуществляется миграция по почвенному профилю, накопление растительностью. Для цезия характерно поглощение минеральной частью почв. Элемент внедряется в кристаллические решетки глинистых минералов, прочно связываясь там самой тонкодисперсной частью почвы. Наиболее интенсивно цезий поглощается вермикулитом, флогопитом, гидрофлогопитом, асканитом, гумбрином. Сорбция цезия почвенным поглощающим комплексом после его выпадения в почву осуществляется в первое время крупнодисперсными частицами, смещаясь затем в сторону поглощения мелкодисперсной фракцией. За семь лет доля цезия, фиксированного минеральной частью почвы, увеличилась в серых лесных почвах в 2,5 раза, дерново-подзолистых -4,5 раза, в черноземных - 7 раз и может достигать 80-95% валового содержания элемента в почве. Прочно связывается цезий почвенной органикой, образуя, в частности, гуматы и фульваты. Последние характеризуются значительно большей подвижностью. Увеличивают подвижность металла водорастворимые органические вещества, образующиеся при разложении растительности. При миграции цезия в глубь почвенного горизонта выделяют два типа массопереноса - быстрый (обусловленный передвижением металла вместе с тонкодисперсными частицами) и медленный (обусловленный передвижением водорастворимых форм). В суглинистых разностях дерново-подзолистых почв наблюдается только медленный перенос, в супесчаных и песчаных - и медленный, и быстрый с преобладанием последнего. В среднем доля быстрого переноса составляет 15% всех мигрирующих форм цезия.

Н. В. Тимофеевым-Ресовским с соавторами 137 Сs выделен в отдельную группу изотопов по характеру поведения в системе почва - раствор - в группу, обладающую признаками обменного и необменного поведения. Наиболее важным фактором миграции цезия в системе почва - раствор является изменение его собственной концентрации (он по-разному мигрирует в почвах-грунтах в зависимости от того, в каком количестве находится в них: поведение цезия в системе необменное при микроконцентрациях и обменное в области макроконцентраций).

В силу незначительной гидролизации сорбция 137 Сs слабо зависит от рН почвенного раствора.

Отмечено накопление 137 Сs в пойменных почвах, обусловленное дополнительным привнесением с механическими взвесями во время паводков. В пойменных почвах 137 Сs , как правило, задерживается в верхнем 5-сантиметровом слое. Однако в тех случаях, когда поверхностные горизонты пойменных почв представлены слоями легкого механического состава с низким содержанием гумуса, 137 Сs выщелачивается из этих горизонтов и задерживается в нижележащих. Миграционная способность 137 Сs повышена и в некоторых торфяных почвах, где он энергично поступает в растения. Японские исследователи отмечают факты проникновения 137 Сs в породы (невыветрелые базальты) на глубину 3-5 см.

Накопление радионуклида 137 Сs растениями

Цезий хорошо поглощается растительностью, коэффициент накопления элемента в урожае сельскохозяйственных культур может достигать 100%; накопление идет в основном в надземной фитомассе (до 60% поглощенного элемента). На супесчаных почвах 137 Сs в 7 раз более доступен для растений, чем 137 Сs . Интенсивное вовлечение элемента в биологический круговорот обусловлено кислотностью полесских ландшафтов, благоприятствующих физиологическому накоплению металла организмами, подвижностью металла, а также его аналогией с калием – биохимически активным элементом, дефицит которого в полесских ландшафтах ярко выражен, но который жизненно необходим растениям.

Литература:

• Бударников В.А., Киршин В.А., Антоненко А.Е. Радиобиологический справочник. – Мн.: Уражай, 1992. – 336 с.
• Чернобыль не отпускает… (к 50-летию радиоэкологических исследований в Республике Коми). – Сыктывкар, 2009 – 120 с.
• Журавлев В.Ф. Токсикология радиоактивных веществ. – 2-е, изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 336 с.

В природном цезии не удалось обнаружить какие-либо иные изотопы, кроме стабильного 133 Cs. Известно 33 радиоактивных изотопа цезия с массовыми числами от 114 до 148. В большинстве случаев они недолговечны: периоды полураспада измеряются секундами и минутами, реже – несколькими часами или днями. Однако три из них распадаются не так быстро – это 134 Cs, 137 Cs и 135 Cs с периодами полураспада 2 года, 30 лет и 3·10 6 лет. Все три изотопа образуются при распаде урана, тория и плутония в атомных реакторах или в ходе испытаний ядерного оружия.

Степень окисления +1.

В 1846 в пегматитах о.Эльба в Тирренском море был открыт силикат цезия – поллуцит. При изучении этого минерала неизвестный в то время цезий был принят за калий. Содержания калия вычислялось по массе соединения платины, с помощью которого элемент переводили в нерастворимое состояние. Так как калий легче цезия, то подсчет результатов химического анализа показывал нехватку около 7%. Эта загадка была разрешена только после открытия спектрального метода анализа немецкими учеными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом в 1859. Бунзен и Кирхгофф открыли цезий в 1861. Первоначально он был найден в минеральных водах целебных источников Шварцвальда. Цезий стал первым из элементов, открытых методом спектроскопии. Его название отражает цвет наиболее ярких линий в спектре (от латинского caesius – небесно-голубой).

Первооткрывателям цезия не удалось выделить этот элемент в свободном состоянии. Металлический цезий был впервые получен только через 20 лет, в 1882, шведским химиком К.Сеттербергом (Setterberg C.) при электролизе расплавленной смеси цианидов цезия и бария, взятых в отношении 4:1. Цианид бария добавлялся для снижения температуры плавления, однако работать с цианидами было трудно ввиду их высокой токсичности, а барий загрязнял конечный продукт, да и выход цезия был весьма мал. Более рациональный способ был найден в 1890 известным русским химиком Н.Н.Бекетовым , предложившим восстанавливать гидроксид цезия металлическим магнием в потоке водорода при повышенной температуре. Водород заполнял прибор и препятствовал окислению цезия, который отгонялся в специальный приемник, однако и в этом случае выход цезия не превышал 50% от теоретического.

Цезий в природе и его промышленное извлечение.

Цезий относится к редким элементам. Он встречается в рассеянном состоянии (порядка тысячных долей процента) во многих горных породах; ничтожные количества этого металла были обнаружены и в морской воде. В большей концентрации (до нескольких десятых процента) он содержится в некоторых калиевых и литиевых минералах, главным образом, в лепидолите. В отличие от рубидия и большинства других редких элементов, цезий образует собственные минералы – поллуцит, авогадрит и родицит.

Родицит крайне редок. Его часто относят к литиевым минералам, так как в его состав (М 2 O·2Al 2 O 3 ·3B 2 O 3 , где М 2 O – сумма оксидов щелочных металлов) лития обычно входит больше, чем цезия. Авогадрит (K,Cs) тоже редок. Больше всего цезия содержится в поллуците (Cs,Na)·n H 2 O (содержание Cs 2 O составляет 29,8–36,7% по массе).

Данные по мировым ресурсам цезия очень ограничены. Их оценки основаны на поллуците, добываемом в качестве побочного продукта вместе с другими пегматитовыми минералами.

По добыче поллуцита лидирует Канада. В месторождении Берник-Лейк (юго-восточная Манитоба) сосредоточено 70% мировых запасов цезия (ок. 73 тыс. т). Поллуцит добывают также в Намибии и Зимбабве, ресурсы которых оценивают в 9 тыс. т и 23 тыс. т цезия, соответственно. В России месторождения поллуцита находятся на Кольском п-ове, в Восточных Саянах и Забайкалье. Имеются они также в Казахстане, Монголии и Италии (о. Эльба).

Чтобы вскрыть этот минерал и перевести ценные компоненты, в растворимую форму его обрабатывают при нагревании концентрированными минеральными кислотами. Если поллуцит разлагают соляной кислотой, то из полученного раствора действием SbCl 3 осаждают Cs 3 , который затем обрабатывают горячей водой или раствором аммиака. При разложении поллуцита серной кислотой получают алюмоцезиевые квасцы CsAl(SO 4) 2 ·12H 2 O.

Используют и другой способ: поллуцит спекают со смесью оксида и хлорида кальция, спек выщелачивают в автоклаве горячей водой, раствор выпаривают досуха с серной кислотой, а остаток обрабатывают горячей водой. После отделения сульфата кальция из раствора выделяют соединения цезия.

Современные методы извлечения цезия из поллуцита основаны на предварительном сплавлении концентратов с избытком извести и небольшим количеством плавикового шпата. Если процесс вести при 1200° C, то почти весь цезий возгоняется в виде оксида Cs 2 O. Этот возгон загрязнен примесью других щелочных металлов, однако он растворим в минеральных кислотах, что упрощает дальнейшие операции. Металлический цезий извлекают, нагревая до 900° С смеси (1:3) измельченный поллуцит с кальцием или алюминием.

Но, в основном, цезий получают как пробочный продукт при производстве лития из лепидолита. Лепидолит предварительно сплавляют (или спекают) при температуре около 1000° С с гипсом или сульфатом калия и карбонатом бария. В этих условиях все щелочные металлы превращаются в легкорастворимые соединения – их можно выщелачивать горячей водой. После выделения лития остается переработать полученные фильтраты, и здесь самая трудная операция – отделение цезия от рубидия и громадного избытка калия.

Для разделения цезия, рубидия и калия и получения чистых соединений цезия применяют методы многократной кристаллизации квасцов и нитратов, осаждения и перекристаллизации Cs 3 или Cs 2 . Используют также хроматографию и экстракцию. Для получения соединений цезия высокой чистоты применяют полигалогениды.

Бóльшую часть производимого цезия выделяют в ходе получения лития, поэтому когда в 1950-х литий начали использовать в термоядерных устройствах и широко применять в автомобильных смазках, добыча лития, как и цезия возросла и соединения цезия стали доступнее, чем прежде.

Данные по мировому производству и потреблению цезия и его соединений не публикуются с конца 1980-х. Рынок цезия небольшой, и его ежегодное потребление оценивается всего лишь в несколько тысяч килограммов. В результате нет торговли и официальных рыночных цен.

Характеристика простого вещества, промышленное получение и применение металлического цезия.

Цезий – золотисто-желтый металл, один из трех интенсивно окрашенных металлов (наряду с медью и золотом). После ртути – это самый легкоплавкий металл. Плавится цезий при 28,44° С, кипит при 669,2° С. Его пары окрашены в зеленовато-синий цвет.

Легкоплавкость цезия сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу элемента, его плотность при 20° С составляет всего 1,904 г/см 3 . Цезий много легче своих соседей по Периодической таблице. Лантан, например, имеющий почти такую же атомную массу, по плотности превосходит цезий в три с лишним раза. Цезий всего вдвое тяжелее натрия, в то время как их атомные массы относятся, как 6:1. По-видимому, причина этого кроется в электронной структуре атомов цезия (один электрон на последнем s -подуровне), приводящей к тому, что металлический радиус цезия очень велик (0,266 нм).

У цезия есть еще одно весьма важное свойство, связанное с его электронной структурой, – он теряет свой единственный валентный электрон легче, чем любой другой металл; для этого необходима очень незначительная энергия – всего 3,89 эВ, поэтому, например, получение плазмы из цезия требует гораздо меньших энергетических затрат, чем при использовании любого другого химического элемента.

По чувствительности к свету цезий превосходит все другие металлы. Цезиевый катод испускает поток электронов даже под действием инфракрасных лучей с длиной волны 0,80 мкм. Максимальная электронная эмиссия наступает у цезия при освещении зеленым светом, тогда как у других светочувствительных металлов этот максимум проявляется лишь при воздействии фиолетовых или ультрафиолетовых лучей.

Химически цезий очень активен. На воздухе он мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO 2 с примесью пероксида Cs 2 O 2 . Цезий способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого вакуума. С водой он реагирует со взрывом с образованием гидроксида CsOH и выделением водорода. Цезий взаимодействует даже со льдом при –116° C. Его хранение требует большой осторожности.

Цезий взаимодействует и с углеродом . Только самая совершенная модификация углерода – алмаз – в состоянии противостоять цезию. Жидкий расплавленный цезий и его пары разрыхляют сажу, древесный уголь и даже графит, внедряясь между атомами углерода и давая довольно прочные соединения золотисто-желтого цвета. При 200–500° С образуется соединение состава C 8 Cs 5 , а при более высоких температурах – C 24 Cs, C 36 Cs. Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при сильном нагревании разлагаются и отдают весь поглощенный цезий.

Даже при обычной температуре реакции цезия с фтором, хлором и другими галогенами сопровождаются воспламенением, а с серой и фосфором – взрывом. При нагревании цезий соединяется с водородом. С азотом в обычных условиях цезий не взаимодействует. Нитрид Cs 3 N образуется в реакции с жидким азотом при электрическом разряде между электродами, изготовленными из цезия.

Цезий растворяется в жидком аммиаке , алкиламинах и полиэфирах, образуя синие растворы, обладающие электронной проводимостью. В аммиачном растворе цезий медленно реагирует с аммиаком с выделением водорода и образованием амида CsNH 2 .

Сплавы и интерметаллические соединения цезия сравнительно легкоплавки. Аурид цезия CsAu, в котором между атомами золота и цезия реализуется частично ионная связь, является полупроводником n -типа.

Наилучшее решение задачи получения металлического цезия было найдено в 1911 французским химиком А.Акспилем. По его методу, до сих пор остающемуся наиболее распространенным, хлорид цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме:

2CsCl + Ca → CaCl 2 + 2Cs

при этом реакция идет практически до конца. Процесс ведут при давлении 0,1–10 Па и температуре 700–800° С. Выделяющийся цезий испаряется и отгоняется, а хлористый кальций полностью остается в реакторе, так как в этих условиях летучесть соли ничтожна (температура плавления CaCl 2 равна 773° С). В результате повторной дистилляции в вакууме получается абсолютно чистый металлический цезий.

Описаны и многие другие способы получения металлического цезия из его соединений. Металлический кальций можно заменить его карбидом, однако при этом температуру реакции приходится повышать до 800° С, поэтому конечный продукт загрязняется дополнительными примесями. Проводят также электролиз расплава галогенида цезия с использованием жидкого свинцового катода. В результате получают сплав цезия со свинцом, из которого металлический цезий выделяют дистилляцией в вакууме.

Можно разлагать азид цезия или восстанавливать цирконием его дихромат, однако эти реакции иногда сопровождаются взрывом. При замене дихромата цезия хроматом процесс восстановления протекает спокойно, и хотя выход не превышает 50%, отгоняется очень чистый металлический цезий. Этот способ применим для получения небольших количеств металла в специальном вакуумном приборе.

Мировое производство цезия сравнительно невелико.

Металлический цезий – компонент материала катодов для фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, телевизионных передающих электронно-лучевых трубок. Фотоэлементы со сложным серебряно-цезиевым фотокатодом особенно ценны для радиолокации: они чувствительны не только к видимому свету, но и к невидимым инфракрасным лучам и, в отличие, например, от селеновых, работают безинерционно. В телевидении и кино широко распространены сурьмяно-цезиевые фотоэлементы; их чувствительность даже после 250 часов работы падает всего на 5–6%, они надежно работают в интервале температур от –30° С до +90° С. Из них составляют так называемые многокаскадные фотоэлементы; в этом случае под действием электронов, вызванных лучами света в одном из катодов, наступает вторичная эмиссия – электроны испускаются добавочными фотокатодами прибора. В результате общий электрический ток, возникающий в фотоэлементе, многократно усиливается. Усиление тока и повышение чувствительности достигаются также при заполнении цезиевых фотоэлементов инертным газом (аргоном или неоном).

Металлический цезий служит для изготовления специальных выпрямителей, во многих отношениях превосходящих ртутные. Его используют в качестве теплоносителя в ядерных реакторах, компонента смазочных материалов для космической техники, геттера в вакуумных электронных приборах. Металлический цезий проявляет и каталитическую активность в реакциях органических соединений.

Цезий используется в атомных стандартах времени. «Цезиевые часы» необыкновенно точны. Их действие основано на переходах между двумя состоянием атома цезия с параллельной и антипараллельной ориентацией собственных магнитных моментов ядра атома и валентного электрона. Этот переход сопровождается колебаниями со строго постоянными характеристиками (длина волны 3,26 см). В 1967 Международная генеральная конференция по мерам и весам установила: «Секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

В последнее время большое внимание уделяется цезиевой плазме, всестороннему изучению ее свойств и условий образования, возможно, она станет использоваться в плазменных двигателях будущего. Кроме того, работы по исследованию цезиевой плазмы тесно связаны с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Многие считают, что целесообразно создавать цезиевую плазму, используя тепловую энергию атомных реакторов.

Хранят цезий в стеклянных ампулах в атмосфере аргона или стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного вазелинового масла. Утилизируют остатки металла обработкой пентанолом.

Соединения цезия.

Цезий образует бинарные соединения с большинством неметаллов. Гидриды и дейтериды цезия легко воспламеняются на воздухе, а также в атмосфере фтора и хлора. Неустойчивы, а иногда огнеопасны и взрывчаты соединения цезия с азотом, бором, кремнием и германием. Галогениды и соли большинства кислот более стабильны.

Соединения с кислородом . Цезий образует девять соединений с кислородом, имеющих состав от Cs 7 O до CsO 3 .

Оксид цезия Cs 2 O образует коричнево-красные кристаллы, расплывающиеся на воздухе. Его получают медленным окислением недостаточным (2/3 от стехиометрического) количеством кислорода. Остаток непрореагировавшего цезия отгоняют в вакууме при 180–200° С. Оксид цезия в вакууме при 350–450° С возгоняется, а при 500° С разлагается:

2Cs 2 O = Cs 2 O 2 + 2Cs

Энергично реагирует с водой, давая гидроксид цезия.

Оксид цезия является компонентом сложных фотокатодов, специальных стекол и катализаторов. Установлено, что при получении синтола (синтетической нефти) из водяного газа и стирола из этилбензола, а также при некоторых других синтезах добавление к катализатору незначительного количества оксида цезия (вместо оксида калия) повышает выход конечного продукта и улучшает условия процесса.

Гигроскопичные бледно-желтые кристаллы пероксида цезия Cs 2 O 2 можно получить окислением цезия (или его раствора в жидком аммиаке) дозированным количеством кислорода. Выше 650° С пероксид цезия разлагается с выделением атомарного кислорода и энергично окисляет никель, серебро, платину и золото. Пероксид цезия растворяется в ледяной воде без разложения, а выше 25° С реагирует с ней:

2Cs 2 O 2 + 2H 2 O = 4CsOH + O 2

В кислотах он растворяется с образованием пероксида водорода.

При сжигании цезия на воздухе или в кислороде образуется золотисто-коричневый надпероксид цезия CsO 2 . Выше 350° С он диссоциирует с выделением кислорода. Надпероксид цезия – очень сильный окислитель.

Пероксид и надпероксид цезия служат источниками кислорода и используются для его регенерации в космических и подводных кораблях.

Полуторный оксид «Cs 2 О 3 » образуется в виде темного парамагнитного порошка при осторожном термическом разложении надпероксида цезия. Его можно также получить окислением металла, растворенного в жидком аммиаке, или контролируемым окислением пероксида. Предполагается, что он является динадпероксидом-пероксидом [(Cs +)4(O 2 2–)(O 2 –) 2 ].

Оранжево-красный озонид CsО 3 можно получить при действии озона на безводный порошок гидроксида или пероксида цезия при низкой температуре. При стоянии озонид медленно разлагается на кислород и надпероксид, а при гидролизе он сразу превращается в гидроксид.

Цезий образует также субоксиды, в которых формальная степень окисления элемента существенно ниже +1. Оксид состава Cs 7 O имеет бронзовую окраску, его температура плавления равна 4,3° С, активно реагирует с кислородом и водой. В последнем случае образуется гидроксид цезия. При медленном нагревании Cs 7 O разлагается на Cs 3 O и цезий. Фиолетовые кристаллы Cs 11 O 3 плавятся с разложением при 52,5° С. Красно-фиолетовый Cs 4 O разлагается выше 10,5° С. Нестехиометрическая фаза Cs 2+x O меняет состав вплоть до Cs 3 O, который разлагается при 166° С.

Гидроксид цезия CsOH образует бесцветные кристаллы, которые плавятся при ° С. Температуры плавления гидратов еще ниже, например моногидрат CsOH·H 2 O плавится с разложением при 2,5° С, а тригидрат CsOH·3H 2 O – даже –5,5° С.

Гидроксид цезия служит катализатором синтеза муравьиной кислоты. С этим катализатором реакция идет при 300° С без высокого давления. Выход конечного продукта очень велик – 91,5%.

Галогениды цезия CsF, CsCl, CsBr, CsI (бесцветные кристаллы) плавятся без разложения, выше температуры плавления летучи. Термическая устойчивость понижается при переходе от фторида к иодиду; бромид и иодид в парах частично разлагаются на простые вещества. Галогениды цезия хорошо растворимы в воде. В 100 г воды при 25° С растворяется 530 г фторида цезия, 191,8 г хлорида цезия, 123,5 г бромида цезия, 85,6 г иодида цезия. Из водных растворов кристаллизуются безводные хлорид, бромид и иодид. Фторид цезия выделяется в виде кристаллогидратов состава CsF·n H 2 O, где n = 1, 1,5, 3.

При взаимодействии с галогенидами многих элементов галогениды цезия легко образуют комплексные соединения. Некоторые из них, например Cs 3 , используют для выделения и аналитического определения цезия.

Фторид цезия применяют для получения фторорганических соединений, пьезоэлектрической керамики, специальных стекол. Хлорид цезия – электролит в топливных элементах, флюс при сварке молибдена.

Бромид и иодид цезия широко используются в оптике и электротехнике. Кристаллы этих соединений прозрачны для инфракрасных лучей с длиной волны от 15 до 30 мкм (CsBr) и от 24 до 54 мкм (CsI). Обычные призмы из хлорида натрия пропускают лучи с длиной волны 14 мкм, а из хлорида калия – 25 мкм, поэтому применение бромида и иодида цезия вместо хлоридов натрия и калия сделало возможным снятие спектров сложных молекул в отдаленной инфракрасной области.

Если при изготовлении флуоресцирующих экранов для телевизоров и научной аппаратуры ввести между кристалликами сульфида цинка примерно 20% иодида цезия, экраны будут лучше поглощать рентгеновские лучи и ярче светиться при облучении электронным пучком.

Сцинтилляционные приборы для регистрации тяжелых заряженных частиц, содержащие монокристаллы иодида цезия, активированного таллием, обладают наибольшей чувствительностью из всех приборов подобного назначения.

Цезий-137.

Изотоп 137 Cs образуется во всех атомных реакторах (в среднем 6 ядер 137 Cs из 100 ядер урана).

При нормальных условиях эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, незначительны. Подавляющее количество продуктов ядерного деления остается в топливе. По данным дозиметрического контроля, концентрация цезия в районах расположения АЭС почти не превышает концентрацию этого нуклида в контрольных районах.

Сложные ситуации возникают после аварий, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории. Поступление цезия-137 в атмосферу было отмечено при аварии на Южном Урале в 1957 г., где произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, при пожаре на радиохимическом заводе в Уинденейле в Великобритании в 1957, при ветровом выносе радионуклидов из поймы оз. Карачай на Южном Урале в 1967. Катастрофой стала авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986, на долю цезия-137 пришлось около 15% общего радиационного заражения. Основной источник поступления радиоактивного цезия в организм человека – загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения.

Радионуклид 137 Cs можно использовать и с пользой для человека. Он применяется в дефектоскопии, а также в медицине для диагностики и лечения. Цезием-137 заинтересовались специалисты в области рентгенотерапии. Этот изотоп разлагается сравнительно медленно, теряя за год только 2,4% своей исходной активности. Он оказался пригодным для лечения злокачественных опухолей. Цезий-137 имеет определенные преимущества перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада и менее жесткое g -излучение. В связи с этим приборы на основе 137 Cs долговечнее, а защита от излучения менее громоздка. Однако, эти преимущества становятся реальными лишь при отсутствии примеси 134 Cs с более коротким периодом полураспада и более жестким g -излучением.

Из растворов, полученных при переработке радиоактивных отходов ядерных реакторов, 137 Cs извлекается методами соосаждения с гексацианоферратами железа , никеля , цинка или фторовольфраматом аммония. Используют также ионный обмен и экстракцию.

Елена Савинкина