Изотопы это разновидности атомов одного и того же химического
элемента с разной массой ядер. Откуда мы знаем о них и какое
значение изотопы имеют для науки и нашей жизни? ПостНаука
рассказывает о том, чем изотопы отличаются от нуклидов, что такое
период полураспада, какие методы получения изотопов сегодня
известны и какое применение в промышленности и медицине нашла
радиоактивность.Это материал изгида Излучение иматерия,
приуроченного к75-летию атомной промышленности. Партнер
гидаРосатом.Изотопы и нуклидыВ начале XX века человечество уже
познакомилось с таким свойством химических элементов, как
радиоактивность. В 19061907 годах ученые пришли к выводу, что
элемент из радиоактивного семейства тория радиоторий (торий-228) и
продукт радиоактивного распада урана ионий (торий-230) обладают
химическими свойствами тория, но отличными от него характеристиками
радиоактивного распада и атомной массой. Как выяснилось позже, для
всех трех продуктов характерны одни и те же оптические и
рентгеновские спектры. В 1910 году английский радиохимик и
нобелевский лауреат Фредерик Содди предложил называть такие
вещества изотопами.Изотопы разновидности атомов одного и того же
химического элемента, имеющие разное суммарное количество протонов
и нейтронов. Массовое число изотопов, то есть количество нуклонов,
указано в их названии, например уран-238. Часто понятия изотоп и
нуклид употребляются как синонимы, но это не всегда верно,
поскольку нуклид это каждый отдельный вид атомов химического
элемента с определенным массовым числом, атомным номером и
энергетическим состоянием ядра. Даже если у нуклидов одинаковое
количество протонов и нейтронов, но энергетический уровень ядра
находится в разном состоянии, то речь идет о разных нуклидах.
Понятие радионуклид, которое наряду с термином нуклид в 1947 году
предложил американский химик Трумэн Коман, применяется, когда ядро
атома нестабильно и склонно к радиоактивному распаду. Радионуклиды
могут быть ядерными изомерами, то есть могут отличаться
энергетическим состоянием ядра.Радиоактивный распад и карта
нуклидовСтабильные изотопы могут самостоятельно существовать
продолжительное время. От того, в какой пропорции в ядре атома
содержатся протоны и нейтроны, зависит его устойчивость. Менее
устойчивы ядра, в которых слишком много протонов, но мало
нейтронов, и наоборот. Чересчур тяжелые ядра с большим количеством
нуклонов тоже нестабильны и стремятся перейти в более устойчивое
состояние, испытывая радиоактивный распад и переходя в более
устойчивую форму этого или другого химического элемента. Основные
виды радиоактивного распада: альфа-распад, бета-минус-распад,
позитронная эмиссия, электронный захват (K-захват), гамма-излучение
и спонтанное деление.Период полураспада время, за которое
количество атомов радиоактивного элемента составит половину от
исходного (а остальная половина превратится в атомы более
стабильного элемента). У различных изотопов период полураспада
может быть разным. В зависимости от этой величины радиоактивные
изотопы делятся на две группы: долгоживущие, с периодом полураспада
от 10 суток, и короткоживущие, с периодом полураспада менее 10
суток. Есть также ультракороткоживущие изотопы с периодом
полураспада до двух часов, они широко применяются в медицине.
На период полураспада могут влиять физические параметры:
температура, давление и так далее. Так, например, ядерное деление
топлива температурно зависимо. А вот естественный радиоактивный
распад и вынужденное деление под действием внешних частиц
(например, в ускорителях) не чувствительны к изменению температуры,
давления, влажности и химической форме, в которой находится
соединение. Исключение здесь составляет только один тип
радиоактивного превращения электронный захват.Радионуклиды могут
быть техногенными, то есть созданными человеком, и естественными, в
том числе космогенными. К последней группе относятся нуклиды,
которые под действием космического излучения рождаются в земной
коре или верхних слоях атмосферы: например, тритий, радиоактивный
изотоп водорода или углерод-14.2Всего на текущий момент известно
около трех тысяч природных и искусственно полученных нуклидов. При
этом из них стабильны лишь порядка 300, а остальные радиоактивны.
Существует таблица, содержащая все известные науке нуклиды. В ней
они расположены по осям Z (число протонов) и N (число нейтронов).
Каждая строка посвящена одному химическому элементу его стабильным
и нестабильным изотопам. Таблица нуклидов почти в 20 раз больше
таблицы Менделеева.
Возможно вычислить время жизни радиоактивного изотопа. Искусственно
полученные радионуклиды, как правило, уже охарактеризованы по типу
распада, периоду полураспада и энергии излучения. Однако в
направлении синтеза сверхтяжелых элементов (тяжелее 100-го в
таблице Менделеева), которые еще не получены, задача оценки времени
периода полураспада все еще актуальна.Самый тяжелый элемент,
известный науке, оганесон был синтезирован в Объединенном институте
ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне в 2006 году. Период полураспада
Og-118 оценивается всего в одну миллисекунду. Однако ученые
предполагают, что могут существовать химические элементы с атомными
номерами от 119 (унуненний) до 184 (unoctquadium).Получение
изотоповНекоторые естественные изотопы имеют практическое
применение. Например, углерод-14 космогенный радионуклид,
образующийся под действием космического излучения, применяется для
датировки возраста органических останков: измеряется содержание
радиоактивного углерода-14 по отношению к стабильным изотопам
углерода. Техногенные нуклиды могут применяться в качестве топлива
ядерных реакторов, в космических технологиях, энергетическом
комплексе, приборостроении, медицине и других областях.Два основных
способа получения техногенных радионуклидов циклотронный и
реакторный. Решение о выборе того или иного способа принимается в
зависимости от физических свойств, эффективности ядерной реакции с
точки зрения затраченных ресурсов и получения максимального
количества целевого радионуклида из единицы массы стартового
материала.
При циклотронном способе получения радионуклидов для облучения
мишеней генерируются заряженные частицы протоны, дейтроны или
альфа-частицы, которые ускоряются в электромагнитном поле с помощью
циклотрона. (Иногда вместо него используется линейный ускоритель
или другие ускорители заряженных частиц тогда такой способ
получения изотопов уже нельзя назвать циклотронным.) Таким образом
создается необходимая плотность потока, интенсивность заряженных
частиц. Затем этот поток направляется на мишени, содержащие
исходный материал для получения радионуклидов. Например, чтобы
получить один из самых востребованных в ПЭТ-диагностике радионуклид
фтор-18, направляют поток протонов на воду, обогащенную
кислородом-18. После облучения получившиеся нуклиды в веществе
разделяют, подвергают радиохимической переработке, выделению,
очистке и приготовлению нужного радионуклида.Похожим образом
устроен реакторный способ получения радионуклидов. Мишень, в
которой находится облучаемый стартовый материал, размещают в
ядерном реакторе и в течение необходимого времени облучают потоком
нейтронов и сопутствующих элементарных частиц. Облученный материал
может использоваться в неизменной форме для изготовления закрытых
источников ионизирующего излучения, либо из него также выделяется
целевой радионуклид. Это зависит от того, какой изотоп
использовался в качестве стартового материала.В закрытых источниках
ионизирующего излучения радионуклид помещен внутрь герметичного
корпуса, который в нормальных условиях эксплуатации не допускает
выхода радионуклида наружу и распространение.В медицинских целях
используются в основном короткоживущие изотопы. Для их получения
широко применяются изотопные генераторы. Они представляют собой
хроматографическую колонку, наполненную сорбентом с материнским
долгоживущим радионуклидом. Целевой радионуклид, необходимый для
использования в медицинских целях, постепенно в нем накапливается,
периодически отделяется и используется в дальнейшем для получения
диагностических или терапевтических лекарств с этим радиоактивным
элементом.Часто, когда слышат о генераторе, представляют некое
устройство, генерирующее электричество. Изотопный генератор
работает иначе. Например, у нас есть материнский радионуклид
молибден-99. Продуктом его радиоактивного распада, применяющимся в
диагностических целях, будет технеций-99m. У молибдена-99 период
полураспада составляет 66 часов, а у технеция-99m 6 часов. Это
означает, что ориентировочно через 12 часов в смеси исходного
молибдена накопится достаточное количество нужного нам технеция.
Технически это реализовано следующим образом. Материнский
радионуклид находится в зафиксированном состоянии на
хроматографической колонке. Когда накапливается дочерний
радионуклид, генератор периодически промывается небольшим объемом
изотонического раствора хлористого натрия. Тогда происходит
химическое разделение двух радионуклидов, и на выходе получается
чистый раствор технеция-99m (в виде натрия пертехнетата) с
минимальной примесью молибдена-99. А в генераторе опять
накапливается дочерний радионуклид, пока жив материнский (то есть
его количества в генераторе еще достаточно для получения
необходимого количества дочернего радионуклида).Современные
генераторы поставляются прямо в клиники: для получения необходимого
радионуклида не требуется больших установок. Генераторы удобны в
эксплуатации и оснащены всем необходимым. Так, раствор хлористого
натрия уже поступает в готовом виде, и в наборе есть приемные
стерильные флаконы для раствора дочернего радионуклида. Работать с
таким генератором может даже младший медицинский персонал. И,
конечно, изотопный генератор имеет собственную защиту от
ионизирующего излучения.И циклотроны, и реакторы, и генераторы
могут производить ограниченное количество радионуклидов. Для
определенных радионуклидов выход может быть максимальным, но вряд
ли стопроцентным. На увеличение выхода накладываются ограничения
технического характера: для циклотронов интенсивность пучка, ток
заряженных частиц; для ядерного реактора максимально достижимая
плотность потока нейтронов. Если можно было бы прямо сейчас
усовершенствовать наши технические возможности, разумеется, мы бы
получали гораздо больше целевого материала из грамма
исходного.Получение новых изотопов происходит не только
экспериментальным путем. Есть теоретические методы, с помощью
которых можно предсказать необходимые характеристики нуклидов или
рассчитать, как получить конкретный изотоп. Существуют целые
библиотеки таких методов, так называемых сечений ядерной реакции,
которые дают необходимую информацию, чтобы прогнозировать, с какой
скоростью будет протекать та или иная ядерная реакция. Существуют
также расчетные коды, позволяющие просчитать любой режим облучения
и спрогнозировать результат.Производство одного грамма технеция-99m
или какого-то другого редкого изотопа, если включить затраты на его
утилизацию, стоит больших денег. Из реакторно производимых самый
дорогой изотоп калифорний-252. Это самый дорогой металл на Земле и
редчайший нуклид, который применяется в виде источников нейтронного
излучения высокой интенсивности. Только две страны в мире
производят калифорний-252 Россия (НИИАР в Димитровграде) и США
(Национальная лаборатория Ок-Риджа). Несмотря на то что эти
реакторы являются рекордсменами по плотности потока, готовая
наработка калифорния-252 при огромных реакторных затратах не
превышает нескольких десятков миллиграммов в год.Применение
радионуклидовСпектр применения радиоактивных нуклидов очень широк.
Они используются в фундаментальных и прикладных научных
исследованиях, ядерной энергетике, сельском хозяйстве, биологии,
медицине, фармакологии, космонавтике. Одно из важнейших применений
радионуклидов промышленное. Существует порядка 150 полезных для
промышленности радиоактивных изотопов.Научные исследованияОбласть
научного применения радионуклидов чрезвычайно широка. Если ввести в
изучаемый объект радионуклид, это даст удобный инструмент
наблюдения за поведением этого нуклида в объекте. Причем объектом
может быть как нечто небольшое, вроде подопытного животного, так и
в глобальном смысле вся Земля. Так, с помощьюметода меченых атомов
можно использовать радионуклид и изучать особенности метаболизма
животных и растений с точностью до молекул. Для этого можно,
например, добавить небольшое количество радиоактивного фтора-32 к
стабильному фтору-31.Промышленное применениеК промышленному
применению радионуклидов относится, например, так называемая
гамма-дефектоскопия просвечивание металлических изделий с целью
выявить в них внутренние дефекты. Другой пример радиационные
уровнемеры, основанные на определении уровня жидкости в больших
закрытых емкостях с использованием излучения. Существуют способы
снятия статического электричества с оборудования с помощью
ионизирующего излучения. Радионуклидные источники используются в
составе автономных радиоизотопных источников тепла или
электроэнергии. Это, например, космические аппараты или
кардиостимуляторы. Это автономные источники энергии где-то на
Крайнем Севере, например на наблюдательных метеопостах, или даже на
других планетах, скажем на марсоходах.Сегодня развивается новое
интересное направление создание так называемых ядерных или атомных
батареек. Цель ученых в данном случае на основе радиоактивных
элементов создать автономный элемент питания. Основная задача на
сегодняшний день технически повысить эксплуатационные
характеристики таких батареек, их мощность и КПД. Разумеется,
атомные батарейки должны быть безопасными. Их действующие прототипы
в сферу широкого применения еще не вошли, но, безусловно, за ними
будущее.МедицинаВ медицине особый принцип применения закрытых
источников ионизирующего излучения: чем дольше живет радионуклид,
тем дольше можно эксплуатировать источник в составе какого-то
аппарата и реже производить его замену. Период полураспада
кобальта-60, который часто применяется для бесконтактной лучевой
терапии, 5 лет. Для сравнения: в промышленной радиографии,
гамма-дефектоскопии сегодня во всем мире широко используются два
радионуклида селен-75 и иридий-192. Их периоды полураспада 120 дней
и 73 дня соответственно.Короткоживущие нуклиды применяются в
ПЭТ-диагностике позитронно-эмиссионной томографии. Это, например,
фтор-18, имеющий период полураспада всего около двух часов. Чтобы
его получить, в медицинских учреждениях ставятся автоматизированные
системы для выделения этого изотопа и расфасовки полученного
препарата, например генераторы, о которых мы говорили выше, или
собственные циклотроны. Самый известный среди таких нуклидов
18F-фтордезоксиглюкоза (ФДГ).У изотопов, использующихся для
радионуклидной диагностики, например гамма-излучающих, период
полураспада тоже бывает различным. Скажем, у технеция-99m он
составляет всего шесть часов. Это оптимально: данного времени
достаточно, чтобы после введения радионуклид правильно
распределился в организме и можно было провести аппаратную
диагностику этого распределения с помощью гамма-камеры. После того
как полезная диагностическая информация получена, присутствие
радионуклида в организме пациента уже начинает оказывать негативный
эффект. Поэтому в данном случае оправдано использование
короткоживущих радионуклидов это минимизирует сопутствующую лучевую
нагрузку. В лучевой терапии используют нуклиды с более длительным
периодом полураспада. Например, йод-131 с периодом около 8
суток.Как обеспечивается безопасность при работе с источниками
ионизирующего излученияСамый простой способ защиты от излучения
использование закрытых источников. Вред такого источника
определяется излучением, которое из него исходит. Открытые
источники более опасны, поскольку связаны с широким
распространением излучения и риском как наружного, так и
внутреннего облучения при попадании в организм.Все работы с
источниками ионизирующего излучения проводятся с использованием
радиационно-защитного оборудования камер и боксов, в которых
операции с радиоактивными веществами выполняются дистанционно, с
помощью манипуляторов. Чем выше рабочая активность на данный
момент, тем сильнее нужен уровень защиты. Защита от разных типов
излучения, которые испускают радиоактивные элементы, нейтронное,
гамма-, бета- или альфа-излучение обеспечивается различными
материалами с разной толщиной. Существует федеральное
законодательство, а также санитарно-гигиенические правила,
регламентирующие порядок работы со всем, что является
радиоактивным.С точки зрения ядерной безопасности принято разделять
понятия персонал и население. Для двух этих категорий приняты
различные дозовые пределы. Для персонала разрешенная годовая доза
облучения 20 миллизиверт, для населения 5. Для работников регулярно
проводится индивидуальный дозиметрический контроль, а также
периодический дозиметрический контроль всех помещений, в которых
люди работают с радиоактивными элементами, особенно тех помещений
контролируемого доступа, в которых проводятся технологические
операции по радиохимическому выделению и очистке
радионуклидов.Важнейший вопрос безопасности контроль
несанкционированного доступа к источникам ионизирующего излучения.
Все имеющиеся источники, материалы подлежат периодической
инвентаризации и подтверждению их сохранности по количеству и
номенклатуре. При этом оборудование для работы с радиоактивными
веществами имеет необходимую защиту и многоступенчатую степень
очистки на специализированных фильтрах. Постоянно фильтруется даже
воздух, которым дышит персонал, на случай, если уровень содержания
радиоактивных элементов в нем окажется повышен.Современное
использование изотопов и прогнозыОдна из важных задач, стоящих
перед атомной отраслью, выработка калифорния-252. На единицу массы
калифорния в секунду вылетает максимально возможное количество
нейтронов, поэтому калифорний-252 применяется и для запуска ядерных
реакторов, и в нейтронной (нейтронзахватной) терапии, с помощью
которой лечат онкологические заболевания. В России выработкой
калифорния занимается Научно-исследовательский институт атомных
реакторов (НИИАР) в Димитровграде.В мировом масштабе самые
перспективные радионуклиды в области ядерной медицины актиний-225,
лютеций-177 и радий-223. Некоторые другие альфа-излучающие
радионуклиды на основе изотопов радия или тория находятся на этапе
клинических исследований и разработки.Сегодня ОИЯИ планирует начать
работу по синтезу сверхтяжелых элементов с порядковыми номерами 119
и 120. В проекте принимают участие НИИАР и РФЯЦ-ВНИИЭФ. Они уже
завершили первый этап работ в этом направлении: наработали
необходимое количество мишенного материала, который затем для
получения сверхтяжелых элементов будут облучать на ускорителе в
ОИЯИ. Мишенью выступит берклий-249, поэтому, хотя раньше элемент
почти не использовали, сегодня нужно существенно увеличить его
наработку в десятки раз. А это очень непростая задача.Делать
прогнозы в сфере радионуклидов и их производства на ближайшие 1020
лет очень трудно. Их медицинское применение всего лишь один из
методов лечения (всегда остается хирургия или терапия без
использования радиоактивных изотопов). Вполне возможно даже, что
именно в сфере медикаментозного лечения произойдет какой-то
фантастический прорыв и найдется хорошее лекарство, не требующее
использования радионуклидов.Радиоизотопы продолжат применяться в
промышленности: так, свою эффективность доказала
гамма-дефектоскопия, а у использования в ходе этого метода контроля
изотопов селена-75 и иридия-192 есть перспективы дальнейшего
развития. Радионуклиды также незаменимы при проведении
онлайн-контроля параметров сырья на цементных заводах, в угольной
промышленности и так далее.Относительно ядерной энергетики можно
также смело сказать, что в ближайший год она укрепит свои позиции,
как минимум сохранит их. Востребованность радионуклидной продукции
сохраняется.
