Радиоактивные вещества в природе. "Чердак" рассказывает, какие радиоактивные вещества появились до человека. Радиоактивность внутри нас Изотоп калий 40 вывод из организма
Как стать бессмертным, обрести вечную жизнь? Этот вопрос наверняка волнует в глубине души каждого из нас. Ведь кому не хочется провести костлявую старуху с косой и остаться жить вечно?
Священное писание говорит, что изначально человек был создан для вечного бытия, но из-за грехов решение об его бессмертии было отменено. Видимо, из-за этого человечество и начало поиски эликсира вечной жизни. Однако, к большому сожалению, мы, люди, смертны.
Но вот в конце двадцатого века на горизонте забрезжил хоть и маленький, но шанс на успешность научных поисков в этом направлении. Ученым удалось установить, что на нашей планете существуют бессмертные… бактерии, у которых нет никаких признаков старения. Это открытие сделал Иван Филимоненко, считающийся одним из родоначальников ядерной физики. Именно он был разработчиком проекта, целью которого была нейтрализация радиации. Филимоненко сделал не просто удивительное открытие. Изначально зная о том, что основной источник радиоактивного заражения – это изотоп калий 40, он смог рассчитать, что продолжительность человеческой жизни находится в обратной пропорциональности к количеству радиоактивных элементов, которые находятся в организме человека. И именно этот изотоп губит все человеческие живые клетки, распадаясь в его организме.
И хотя организм их потом восстанавливает, но изотоп продолжает свою пагубную «деятельность», уничтожая все новые и новые живые клетки.
Но человек устроен так, что его генетическая программа не в состоянии заменять клетки больше ста раз, и исчерпав свой лимит, организм отступает, уступая человека «радиоактивному монстру». Так наступает старость и, в конце концов, приходит она – смерть.
Получается, что чем меньше мы будем получать из окружающей среды радиоактивное облучение, тем дольше мы будем жить.
Филимоненко рассчитал, что при содержании в человеческом организме 245 граммов изотопа «калий 40» жизнь человека продлится немногим больше 61 года.
Проведенные на месте бывшей шумерской цивилизации археологические раскопки показали странную закономерность: в слое этой земли было в 175 раз меньше изотопа, чем сейчас. Получается, что древние шумеры подвергались облучению ровно в столько раз меньше, а значит, и жили в столько раз дольше, чем современные жители нынешнего Ирака, расположенного на древней шумерской территории.
Открытие и теория Филимоненко очень скоро были подтверждены другим сенсационным открытием. Археологам удалось найти и расшифровать клинописные таблички того же шумерского народа, которые были составлены более сорока веков назад. В них была описана история страны Шумер, но, самое главное, в них говорилось о том, что правители этой страны были долгожителями планеты.
История Шумер делится на периоды до вселенского потопа и после. До потопа в течение 456 тысяч лет в этой стране правило десять правителей. И если провести небольшие математические расчеты, то получается, что каждый из них правил в среднем около трех с половиной тысяч лет.
И тот факт, что в табличках упомянуты только имена их правителей, вовсе не означает, что простые шумеры жили меньше: ведь они ходили по той же земле, что и их цари, дышали с ними одним и тем же экологически чистым воздухом, а значит, и они были такими же долгожителями.
Получается, что расчеты Филимоненко полностью совпадают с древними шумерскими табличками.
Он еще много лет назад пытался создать свою первую установку для нейтрализации радиоактивных элементов, однако, как это нередко случается в нашей стране, ему не разрешили этого сделать.
И хотя Филимоненко вряд ли удалось бы снизить содержание радиоактивных веществ на своей земле до показателей древних шумеров, уменьшить хотя бы наполовину тоже бы не помешало. Правда, проводить открыто такой эксперимент было бы очень опасно, так как на такую «чистую» территорию могли бы ринуться тысячи жаждущих продлить себе жизнь под Солнцем, а что бы началось в этом случае – представить не трудно.
По словам Филимоненко, еще несколько лет назад сильные мира сего предлагали создать для него целый подземный город с установками, где они сами будут впоследствии жить. Только они.
Все, начиная от королей и кончая простым людом, охотились за секретами «чудодейственных» эликсиров молодости и тайных способов продления жизни. Все хотели удлинить свою жизнь. Сегодня тысячи научных институтов и лабораторий ищут тайну старения человека.
Наукой доказано, что человеческие клетки все время делятся, и за счет этого нашему телу удается обновляться. За вполне определенный промежуток времени каждая мышца «молодеет», заново рождаясь. Но почему происходит процесс, при котором наше тело утрачивает эту свою уникальную возможность самообновляться?
Начиная с истории о Гильгамеше, отправившемся искать бессмертие, через практически все мифы и легенды красной нитью проходит мысль, утверждающая, что смерти не должно быть, что это нечто странное, и выход из этой ситуации, наверное, все же есть.
Получается, что все еще можно исправить! Но все дело в том, что человек отошел от божьих заповедей, стал злым духовно, а это значит одно: ничего из бессмертия такого человека хорошего бы не вышло. Один только бессмертный Сталин чего бы стоил!
За последнее десятилетие наукой выдвинуто более пятисот различных версий, объясняющих причины старения человеческого организма. Например, отравление организма токсинами, осевшими в организме от пищи, а также засорение его солями, свободные радикалы, разрушающие клетки, недостаток гормона молодости и многие, многие другие. Самой распространенной является версия о потере стволовых клеток, самых первых клеток человека, которые способны эволюционировать в клетки любого человеческого органа.
Некоторые средства массовой информации пишут о том, что российские ученые смогли обнаружить некую закономерность: оказывается, наша ДНК выстраивает что-то, напоминающее настоящую голограмму. Но правда это или нет, однозначно никто не отвечает.
Однако человечество все-таки надеется получить бессмертие, или, на худой конец, долгую жизнь. И ученые это обещают.
Академик Скулачев, который сегодня работает над поиском «эликсира бессмертия», считает, что наукой не доказано, что живой организм должен обязательно умереть. Этот проект финансирует олигарх Олег Дерипаска. Говорят, что группа академика уже достаточно продвинулась в своих исследованиях. Нетрудно догадаться, кто будет первым, кому дадут выпить эту таблетку молодости. Темпы, которыми развивается сегодня молекулярная биология, говорят о том, что, скорее всего, эта таблетка появится уже максимум через десять лет. И это уже дает повод, чтобы призадуматься.
Пока еще трудно сказать, как долголетие или бессмертие повлияют на человеческую психику, какая опасность в них таится.
Например, кому-это это даст отличный повод отложить «вечные вопросы». Другому эти 150 или даже двести лет могут показаться бессмертием.
Конечно, если впереди – пустота небытия, и не приходиться надеяться на бессмертие, то и жалкие пятьдесят или сто лет покажутся вечностью, и все, что остается человечеству сегодня – это судорожно цепляться за эти жалкие несколько десятков лет…
Cначала - две цитаты: из раздела «Пишут, что...» и из статьи А. М. Чекмарева «Радиоактивность вокруг нас» (обе - из «Химии и жизни», 2008, № 10). Цитата первая: «Практически все клетки человеческого тела ежегодно испытывают хотя бы одно событие радиационного поражения, многие - несколько раз». И вторая: «Большинство людей получает от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год за счет земной радиации... В среднем от земных источников естественной радиации мы получаем примерно 350 микрозивертов в год (то есть индивидуальные дозы у большинства из нас ближе к 0,3 миллизиверта)... Если говорить о том, какой именно элемент вносит наибольший вклад в наше внутреннее облучение, то это газ радон и продукты его распада. Его доля - около 75% годовой индивидуальной дозы облучения человека от земных источников и около половины дозы от всех источников радиации». (Кстати, более подробно об облучении от вездесущего радона можно прочитать в статье «Еще раз о радиоактивности в нашем доме», опубликованной в № 4, 1990.)
Прежде всего - несколько слов о единице облучения в статье Чекмарева. Она названа в честь шведского физика Рольфа Максимилиана Зиверта (1896–1966). Это - единица эквивалентной дозы излучения в СИ, принятая на XVI Генеральной конференции по мерам и весам в 1979 году (с 1975 по 1979 год она назвалась «грэй»). Зиверт (Зв) равен дозе любого вида ионизирующего излучения, производящего такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 Гр, а эта единица (как единица поглощенной дозы) названа в честь английского физика Луиса Гарольда Грэя (1905–1965). Один грэй - поглощенная доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Значит, для среднего человека массой 70 кг 1 Зв соответствует общей поглощенной энергии 70 Дж. Для теплотехники это небольшая величина, ее достаточно для нагрева стакана воды менее чем на 0,1 градуса. Для человека же такая доза, особенно если она однократная, означает исключительно сильное поражение. Поэтому на практике применяют дольные единицы: 1 мЗв и 1 мкЗв.
Мало кто знает, что, если человека поместить в свинцовую камеру с толстыми стенками и никакой радон в его легкие попадать не будет, он все равно будет облучаться. Источник этого облучения - радионуклиды в его собственном теле, которые попали к нему при рождении и продолжают пополняться всю его жизнь. Избавиться от них невозможно принципиально, как, например, невозможно избавить человека от кальция или фосфора в его организме. Таких радионуклидов, вносящих основной вклад во внутреннее облучение, всего два. Это калий-40 и углерод-14 (так называемый радиоуглерод).
Начнем с калия. Это один из наиболее распространенных элементов в земной коре: его в ней 2,1%. Калий представлен в природе тремя изотопами:
В среднем относительная атомная масса калия с учетом распространенности его изотопов равна 39,0983. Один из этих изотопов, 40 K, радиоактивен, хотя его активность и невелика, поскольку очень велик период полураспада (t 1/2 = 1,28·10 9 лет). Исходя из приведенных данных, можно рассчитать, какую радиацию мы получаем за счет распада калия в собственном теле. В человеке массой 70 кг содержится примерно 0,2% калия, или 140 г (кстати, это больше, чем натрия, которого в человеке около 100 г). Следовательно, средний человек всегда носит в своем теле 0,0164 г радиоактивного калия-40, или 2,47·10 20 атомов.
Скорость радиоактивного распада - уравнение первого порядка, то есть она пропорциональна числу имеющихся атомов (N): dN/dt = –kN; знак минус показывает, что число атомов уменьшается со временем. (В радиохимии константу k обычно называют постоянной распада и обозначают греческой буквой λ.) Константа k связана с периодом полураспада простым соотношением: k = ln2/t 1/2 = 0,693/1,28·10 9 = 5,41·10 –10 год –1 . То есть в теле человека распадается 5,41·10 –10 × 2,47·10 20 = 1,34·10 11 атомов за год - больше ста миллиардов, или 4250 атомов каждую секунду!
Какая же энергия выделяется при этом? Нуклид 40 K распадается по двум путям: на 11% он претерпевает электронный захват (его еще называют K-захватом, по номеру оболочки, с которой происходит захват электрона): 40 K + е → 40 Ar. Именно в результате такого распада 40 K в земной коре и образовалась основная часть атмосферного аргона. Этот процесс является также основой так называемого калий-аргонового метода в геохронологии. Остальные 89% 40 K (1,2·10 11 атомов в год) распадаются с испусканием бета-излучения: 40 K → 40 Ca + е. Энергия этих β-частиц равна 1,314 МэВ = 1,314·10 6 эВ. Как известно, 1 эВ соответствует 96 500 Дж/моль, или 96 500/6·10 23 = 1,6·10 –19 Дж в расчете на одну частицу. Следовательно, энергия всех испущенных за год в теле человека β-частиц составит 1,314·10 6 х1,6·10 –19 × 1,2·10 11 = 0,025 Дж или 0,36 мЗв.
Но и это не всё. Помимо калия-40 в нашем теле всегда присутствует радиоактивный углерод-14 с периодом полураспада 5730 лет, избавиться от которого тоже нельзя. Земля, как известно, подвергается непрерывному облучению космическими частицами. Если бы не атмосфера, пропускающая к земной поверхности лишь небольшую часть космического излучения, жизнь на Земле вряд ли была бы возможна. Из разнообразных ядерных реакций, идущих в верхних слоях атмосферы, нас сейчас интересует лишь одна - захват нейтронов атомами азота, при котором из ядра вылетает один протон: 14 N + n → 14 C + р.
Ядро составляет ничтожную часть объема атома, поэтому нейтроны даже при высокой плотности их потока редко попадают в ядро и над 1 см 2 земной поверхности за 1 с образуется в среднем всего 2,4 ядра 14 C. Если учесть площадь поверхности Земли, то получится, что ежегодно в атмосфере образуется примерно 8 кг этого нуклида. Земля существует миллиарды лет, и если бы ядра 14 C были бы стабильными, то их масса на Земле исчислялась бы десятками миллионов тонн. Однако нуклид 14 C радиоактивен и непрерывно распадается. Поэтому всего на Земле имеется около 60 тонн радиоуглерода, из которых ежегодно распадается 8 кг - столько же, сколько его образуется (в этом случае говорят о радиоактивном равновесии). Для Земли 60 тонн - крайне малая величина. Так, в атмосферном углекислом газе количество радиоуглерода в среднем составляет лишь около 1 тонны, или 3·10 –11 % от «обычного» атмосферного углерода (12 C + 13 C); остальной радиоуглерод в основном растворен в воде океанов. Содержание 14 C нарушалось в 50-е - начале 60-х годов XX века в результате испытаний ядерного оружия, и лишь к началу XXI века оно почти вернулось к прежнему уровню.
Большинству из вновь образовавшихся атомов 14 C предстоит долгая жизнь - на многие тысячи лет. После образования они почти мгновенно окисляются в воздухе до 14 CO, а затем в течение нескольких недель - до 14 CO 2 , молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом. Углекислый газ атмосферы - основной источник углерода, который в огромных количествах усваивается растениями в процессах фотосинтеза. Так радиоуглерод попадает в биосферу. Растениями питаются животные, поэтому вся живая органическая материя содержит радиоуглерод, хотя и в ничтожных количествах (1,18·10 –14 % относительно углерода-12). Причем большое время его жизни и здесь способствует его равномерному распределению. Очень важно, что в результате обменных процессов, протекающих в живой природе, содержание 14 C в растениях и животных в течение их жизни остается постоянным (хотя в разных растениях - разным, см. «Химию и жизнь», 2005, № 4). Но как только обмен с окружающей средой прекращается, содержание радиоуглерода начинает очень медленно снижаться - вдвое каждые 5730 лет.
Радиоуглерод входит также в состав неорганических соединений, которые растворены в воде морей и океанов, в подземных водах и находятся в обменном равновесии с углекислым газом атмосферы. В основном это растворимые гидрокарбонаты, которыми так богаты минеральные воды. Но как только обмен прекращается (например, углерод вошел в состав минерала), происходит то же, что и в живой природе после гибели организма - содержание 14 C в обычном углероде со временем начинает убывать. Подробное рассмотрение закономерностей образования и распада радиоуглерода позволило американскому физикохимику Уилларду Фрэнку Либби (1908–1980) совершить в конце 40-х годов выдающееся открытие и через несколько лет получить Нобелевскую премию по химии «за разработку метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».
Вернемся теперь к «среднему» человеку и посчитаем скорость распада радиоуглерода в его теле. Известно, что в 1 г природного «живого» углерода происходит 15,3 распада 14 C в минуту. Такая малая активность (намного меньше фона) сильно затрудняла измерения с помощью счетчиков, поэтому сейчас для точного определения содержания радиоуглерода используются масс-спектрометрические методы. В человеке массой 70 кг содержится около 14 кг углерода. Следовательно, в минуту в нем будет распадаться 15,3·10 3 × 70 = 1,07·10 6 атомов, а в год - 5,63·10 11 атомов 14 C, величина того же порядка, что и для атомов 40 K (конечно, это случайное совпадение). Однако энергия при этом выделяется не такая большая. Углерод-14, как и калий-40, претерпевает β-распад, но со значительно меньшей энергией - всего 0,156 МэВ = 0,156·10 6 эВ. Значит, суммарная энергия всех β-частиц равна 0,156·10 6 × 1,6·10 –19 × 5,63·10 11 = 0,014 Дж, или 0,2 мЗв. Общая же доза от «внутреннего» облучения составит 0,36 + 0,2 = 0,56 мЗв, то есть столько же, сколько от внешних источников! Следует, однако, отметить, что мягкое излучение радиоуглерода задерживается в тканях полностью, тогда как более энергичные частицы, испускаемые атомами 40 K, могут частично вылетать из тела.
Как видим, общее число частиц высокой энергии, испускаемых в теле человека нуклидами 40 K и 14 C в течение года, приближается к триллиону (10 12). Клеток в организме порядка ста триллионов. Однако следует учесть, что мы рассчитали только «внутренние» частицы, тогда как человек подвергается также и внешнему облучению. Еще важнее то, что одна частица высокой энергии может вызвать целый каскад превращений и поразить не одну клетку. Поэтому приведенная в начале статьи цитата выглядит вполне правдоподобной, хотя и парадоксальной для небиолога.
В заключение - несколько забавных расчетов. Зная, сколько атомов 40 K распадается в человеке за год по механизму 40 K + е → 40 Аr (примерно 1,5·10 10), легко подсчитать, что в теле человека в течение 50 лет образуется около 3·10 -8 мл аргона, а у всех людей на Земле - менее 200 мл - не хватит, чтобы надуть один воздушный шарик...
Современное значение относительной атомной массы калия - 39,0983. Какое значение получил бы воображаемый инопланетный химик, если бы он провел измерения этой величины в момент образования нашей планеты, 4,5 млрд лет назад? Отношение числа атомов 40 K к современному рассчитывается по простой формуле: N 0 /N = exp(–kt) = exp(5,41·10 –10 × 4,5·10 9) = 11,4. Теперь рассмотрим образец земной коры, содержащей 100 атомов калия. Из них сейчас на долю 39 K приходится (в среднем, конечно) 93,2581 атомов, на долю 40 K - 0,0117 атомов и на долю 41 K - 6,7302 атомов. В момент образования Земли число атомов 39 K и 41 K было таким же, а число атомов 40 K было в 11,4 раза больше, 0,1334; то есть к настоящему времени распалось 91,2% первоначального количества атомов калия-40! Итак, 4,5 млрд лет назад наш воображаемый образец содержал 100,1217 атомов. Их суммарная масса составляла 93,2581 × 38,9637 + 0,1334 × 39,9640 + 6,7302 × 40,9618 = 3914,6929 г, а относительная атомная масса элемента калия была 3914,6929/100,1217 = 39,0993. Изменение в третьем знаке после запятой инопланетный химик смог бы установить.
В заключение попробуем оценить, насколько нагрелась бы земная кора только за счет радиоактивного распада 40 K, если бы в ней распалось всего 5% от имеющегося сейчас количества 40 K - без учета тепловых потерь в окружающее пространство. Такое количество распадется за 95 миллионов лет. Будем считать, что калий распространен равномерно, а теплоемкость земных пород примем равной 1 Дж/(г·К). Сейчас в 1 кг породы содержится примерно 21 г калия, из которых на долю 40 K приходится 21 × 0,000117 = 0,0025 г. При распаде в этой породе 5% 40 K, то есть 0,0025 × 0,05 = 1,25·10 -4 г, или 3,12·10 -6 моль, выделится 1,314·10 6 (эВ) × 96,5 (кДж/(моль·эВ)) × З,12·10 –6 (моль) ≈ 400 кДж. В отсутствие тепловых потерь это привело бы к нагреву земной коры на 400 К! Таким образом, распад калия-40 вносит заметный вклад в тепловой баланс Земли и, вероятно, других планет. Действительно, по разным оценкам, распад калия-40 дает от 10 до 15% суммарной скорости генерации энергии в земной коре.
Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идёт одновременно двумя путями. Примерно 88% калия-40 подвергается β-распаду и превращается в кальций-40. Но в двенадцати случаях из ста (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот, захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты («К-захват»). Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре, и излучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а масса ядра остаётся практически неизменной. Так калий превращается в аргон.
Соотношение изотопов 40Ar : 40К и 40Ar : 36Ar в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надёжным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов.
Итак, весь или почти весь аргон-40 произошёл на Земле от калия-40. Поэтому тяжёлый изотоп и доминирует в земном аргоне.
Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу её построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали лёгкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две – три единицы меньше…
Теперь о лёгких изотопах.
Откуда берутся аргон-36 и аргон-38? Не исключено, что какая-то часть этих атомов реликтового происхождения, то есть часть лёгкого аргона пришла в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и её атмосферы. Но большая часть лёгких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов.
Вероятно, ещё не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы – «родители», но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 и аргон-38. Это β-распад хлора-36 обстрел α-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:
17Cl → 18Ar + -1e + ν,
16S + 2He → 18Ar + 0n,
17Cl + 2He → 18Ar + 0n + +1e.
В материи Вселенной аргон представлен ещё обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звёзд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия – элементов, весьма распространённых на Земле.
В космическом аргоне главенствуют изотопы аргона-36 и аргона-38, аргона-40 во Вселенной очень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. В том же убеждают подсчёты распространённости калия. Оказывается, в космосе калия примерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле их соотношение явно в пользу калия – 660 : 1. А раз мало калия, то откуда же взяться аргону-40?!
Получение аргона
Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а так же из отходов газов синтеза аммиака.
Земная атмосфера содержит 66·10¹³ т аргона. Этот источник аргона неисчерпаем, тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов.
Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора испарителя. В конечном итоге азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором.
Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, приходящейся примерно на трети высоты всей колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10–12% аргона, до 0,5%азота, остальное – кислород. В «аргонной» колонне, присоединённой к основному аппарату, получают аргон с примесью 3–10% кислорода и 3–5% азота. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путём или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах в настоящее время получают аргон до 99,999%-ной чистоты.
Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства – из азота, оставшегося после того, как его часть связали с водородом.
Аргон хранят и транспортируют в больших баллонах ёмкостью 40 л, окрашенных в серый цвет с зелёной надписью. Давление в них 150 атм. Более экономична перевозка сжиженного аргона, для чего используют сосуды Дьюара и специальные цистерны.
Искусственные радиоизотопы аргона получены при облучении некоторых стабильных и радиоактивных изотопов (37Cl, 36Ar, 37Ar, 40Ca) протонами и дейтронами, а также при облучении нейтронами продуктов, образовавшихся в ядерных реакторах при распаде урана. Изотопы 37Ar, 41Ar используются как радиоактивные индикаторы: первый в медицине и фармакологии, второй – при исследовании газовых потоков, эффективности систем вентиляции и в разнообразных научных исследованиях. Но, конечно, не эти применения аргона самые важные.
«Недеятельный» – деятельный
Как самый доступный и относительно дешёвый благородный газ аргон стал продуктом массового производства, особенно в последние десятилетия.
Первоначально главным потребителем элемента №18 была электровакуумная техника. И сейчас подавляющееся большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход с чистого азота на эту смесь повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в такой смеси медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в современных люминесцентных лампах для облегчения зажигания, лучшей передачи тока и предохранения катодов от разрушения.
Однако в последние десятилетия наибольшая часть получаемого аргона идёт не в лампочки, а в металлургию, металлообработку и некоторые смежные сними отрасли промышленности. В среде аргона ведут процессы, при которых нужно исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и влагой воздуха. Аргонная среда используется при горячей обработке титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана, тория, а также щелочных металлов. В атомосфере аргона обрабатывают плутоний, получают некоторые соединения хрома, титана, ванадия, и других элементов. Продувка аргоном жидкой стали намного повышает её качество.
Уже существуют металлургические цехи объёмом в несколько тысяч кубометров с атмосферой, состоящей из аргона высокой чистоты. [В этих цехах работают в изолирующих костюмах, а дышат подаваемым через шланги воздухом (выдыхаемый воздух отводится также через шланги); запасные дыхательные аппараты закреплены на спинах работающих.]
Каждый химический элемент можно сделать радиоактивным, если в ядра атома добавить лишние нейтроны. Или, напротив, убрать часть этих частиц. Один элемент может быть представлен разными атомными ядрами, и эти варианты ядер называют изотопами. Изотопы бывают как стабильными, так и неустойчивыми: при избытке или недостатке нейтронов ядра рано или поздно распадаются и превращаются в ядра других элементов.
Альфа-распад: из ядра атома вылетает альфа-частица, два протона и два нейтрона. Альфа-частицы являются ядрами атома гелия.
Нестабильных, то есть радиоактивных, изотопов на Земле немного: большая их часть успела распасться задолго до появления человека. В природе короткоживущие изотопы получаются в основном в недрах звезд и особенно при вспышках сверхновых, поэтому на Земле до XX века нельзя было найти ни стронция-90, ни йода-131, ни плутония в любом виде. Однако ряд медленно распадающихся изотопов вполне дошел до наших дней.
Калий-40
Калий обычно имеет атомную массу 39. Это значит, что на его 19 протонов (он 19-й в таблице Менделеева) приходится 20 нейтронов - вполне стабильное соотношение. Но кроме калия-39 есть еще калий-40, и вот он уже радиоактивен.
Калий-40 имеет очень большой период полураспада - свыше миллиарда лет. Это значит, что если поместить перед собой атом калия-40 и ждать его превращения в кальций или аргон, то через миллиард лет шанс зафиксировать акт распада составит всего 50%. Другое определение периода полураспада гласит, что это то время, за которое распадется половина ядер. Несмотря на то что ядра калия-40 распадаются крайне редко, большое число этих ядер вокруг нас делает присутствие изотопа вполне заметным.
Пока вы читали абзац выше, у вас в теле произошли десятки тысяч актов распада калия-40. Внутри среднего по величине банана ежесекундно происходит 10-15 распадов, и в связи с этим ученые даже предложили шуточную величину «банановый эквивалент» - доза облучения, сравнимая с эффектом от съеденного банана.
Бананы богаты калием. В том числе и калием-40, который бета-активен. Бета-распад происходит при превращении одного из нейтронов в ядре в протон, электрон и антинейтрино. Электрон в данном случае называют бета-частицей. Фото: Wilfredor / Wikimedia
При концентрации калия-40 вполне можно получить превышение радиационного фона. Простейший способ собрать побольше калия-40 в одном месте - это собрать золу от сжигания растений. Зачастую кучи золы на садовых участках можно найти при помощи даже простого бытового радиометра. Опасности для здоровья это, впрочем, не представляет.
Углерод-14
Кроме калия-40 в органической материи можно найти еще углерод-14, однако его намного меньше. Он упоминается по единственной причине: углерод-14 позволяет археологам определить возраст находок.
Дело в том, что живое растение поглощает из атмосферы (углекислого газа) как углерод-12, самый распространенный изотоп, так и углерод-14. В момент спиливания древесина содержит изотопы углерода в той пропорции, которая характерна для окружающей среды, но затем углерод-14 постепенно распадается. Аналогично обстоит дело и с животными, которые потребляют растительную пищу: пока они живы, в их теле присутствуют оба изотопа в более или менее естественном соотношении.
Чем меньше осталось углерода-14, тем больше прошло времени. Если объект пролежал в земле дольше 50 тысяч лет, то углерода-14, и без того редкого, становится недостаточно для проведения исследований.
Уран-238, торий-232 и немного урана-235
Химический состав гранитов: натрий, алюминий, кремний, кислород, немного водорода и фтора (в составе биотита. Гранит - это смесь полевого шпата, кварца и биотита). Однако кроме этих основных элементов в граните есть примеси, и среди них особняком выделяются уран и торий. Оба элемента представлены исключительно радиоактивными изотопами, поэтому радиационный фон на гранитных скалах будет выше, чем на сложенной из глины и песка равнине.
При нормальной работе тепловая электростанция на угле выбрасывает в атмосферу больше радиоактивных веществ, чем АЭС такой же мощности. Причина этого в том, что уголь, так же как и гранит, загрязнен ураном и торием
«Фонят» гранитные плиты, которыми облицованы многие здания, станции метро и набережные. Как и в случае с калием-40 в золе, найти такой гранит можно обычным бытовым радиометром, и говорить об опасности для человека в данном случае не приходится. Есть целые горные массивы, где фон в разы больше, чем на равнине, однако врачи не замечают в таких местах роста заболеваемости.
Важно подчеркнуть, что облучение от гранитной плиты снизу или сбоку к тому же обладает намного меньшим биологическим эффектом, чем попадание радиоактивных изотопов внутрь тела. Гранит несъедобен и прямой угрозы не несет, разве что упадет сверху. Плотность и твердость минерала обычно угрожают человеку куда больше, чем бета- и гамма-активность.
Радон-222
Сказанное выше про гранит предполагает, что вы не проводите много времени в подвальных помещениях в местности с выходом гранита на поверхность. При распаде ядер урана в этом минерале образуется в том числе радиоактивный газ радон, а вот он уже, как показали наблюдения медиков, способен вызвать рак легких. Точнее сказать, у людей, которые работают или живут в помещениях с повышенным содержанием радона, риск рака легких выше, чем в среднем по населению.
По оценкам британских специалистов-онкологов, радон - вторая после курения причина рака легких. Несмотря на то что радон дает альфа-излучение, которое можно задержать даже картоном или фольгой, он намного опаснее всех перечисленных в этой статье изотопов. Причина - радон попадает с воздухом в легкие и облучает их изнутри.
Так выглядит обогащенный, то есть с повышенным содержанием урана-235, уран. Вопреки расхожему мнению, уран не настолько опасен, чтобы к нему нельзя было даже подойти. Намного страшнее отработанное ядерное топливо с изотопами
Единственная эффективная мера защиты против радона заключается в хорошей вентиляции. Газ проникает в здания из строительных материалов или недр земли, но при постоянной смене воздуха не успевает накапливаться в опасных количествах.
В начале XX века радоновое облучение медики считали «стимулирующим», но в наши дни радоновые ванны в большинстве стран мира (Россия тут - одно из немногих исключений) признаны как минимум бесполезными.
а. е. м.Калий-аргонное датирование
Отношение концентрации 40 K к концентрации его продукта распада 40 Ar используется для определения абсолютного возраста объектов методом так называемого калий-аргонного датирования. Суть этого метода состоит в следующем:
- При помощи известных постоянных β-распада и е-захвата считается относительная доля атомов 40 K, превратившихся в 40 Ar:
- Если [ 40 K] 0 - изначальное количество атомов калия-40, а t - искомый возраст образца, то современное количество атомов 40 K в измеряемом образце определяется формулой:
- Суммарное количество атомов 40 Ar и 40 Ca, образовавшихся за время t , равно:
- Из соотношения же между постоянными распада следует, что:
- Сравнивая два последних уравнения, получаем связь между количеством атомов 40 Ar и 40 K в исследуемом образце:
- Решая получившееся уравнение относительно искомого времени t , получаем формулу для определения возраста образца:
См. также
Напишите отзыв о статье "Калий-40"
Примечания
Отрывок, характеризующий Калий-40
И опять в бессильной борьбе с действительностью мать, отказываясь верить в то, что она могла жить, когда был убит цветущий жизнью ее любимый мальчик, спасалась от действительности в мире безумия.Наташа не помнила, как прошел этот день, ночь, следующий день, следующая ночь. Она не спала и не отходила от матери. Любовь Наташи, упорная, терпеливая, не как объяснение, не как утешение, а как призыв к жизни, всякую секунду как будто со всех сторон обнимала графиню. На третью ночь графиня затихла на несколько минут, и Наташа закрыла глаза, облокотив голову на ручку кресла. Кровать скрипнула. Наташа открыла глаза. Графиня сидела на кровати и тихо говорила.
– Как я рада, что ты приехал. Ты устал, хочешь чаю? – Наташа подошла к ней. – Ты похорошел и возмужал, – продолжала графиня, взяв дочь за руку.
– Маменька, что вы говорите!..
– Наташа, его нет, нет больше! – И, обняв дочь, в первый раз графиня начала плакать.
Княжна Марья отложила свой отъезд. Соня, граф старались заменить Наташу, но не могли. Они видели, что она одна могла удерживать мать от безумного отчаяния. Три недели Наташа безвыходно жила при матери, спала на кресле в ее комнате, поила, кормила ее и не переставая говорила с ней, – говорила, потому что один нежный, ласкающий голос ее успокоивал графиню.
Душевная рана матери не могла залечиться. Смерть Пети оторвала половину ее жизни. Через месяц после известия о смерти Пети, заставшего ее свежей и бодрой пятидесятилетней женщиной, она вышла из своей комнаты полумертвой и не принимающею участия в жизни – старухой. Но та же рана, которая наполовину убила графиню, эта новая рана вызвала Наташу к жизни.
Душевная рана, происходящая от разрыва духовного тела, точно так же, как и рана физическая, как ни странно это кажется, после того как глубокая рана зажила и кажется сошедшейся своими краями, рана душевная, как и физическая, заживает только изнутри выпирающею силой жизни.
Так же зажила рана Наташи. Она думала, что жизнь ее кончена. Но вдруг любовь к матери показала ей, что сущность ее жизни – любовь – еще жива в ней. Проснулась любовь, и проснулась жизнь.
Последние дни князя Андрея связали Наташу с княжной Марьей. Новое несчастье еще более сблизило их. Княжна Марья отложила свой отъезд и последние три недели, как за больным ребенком, ухаживала за Наташей. Последние недели, проведенные Наташей в комнате матери, надорвали ее физические силы.
Однажды княжна Марья, в середине дня, заметив, что Наташа дрожит в лихорадочном ознобе, увела ее к себе и уложила на своей постели. Наташа легла, но когда княжна Марья, опустив сторы, хотела выйти, Наташа подозвала ее к себе.
– Мне не хочется спать. Мари, посиди со мной.
– Ты устала – постарайся заснуть.
– Нет, нет. Зачем ты увела меня? Она спросит.
– Ей гораздо лучше. Она нынче так хорошо говорила, – сказала княжна Марья.
Наташа лежала в постели и в полутьме комнаты рассматривала лицо княжны Марьи.
«Похожа она на него? – думала Наташа. – Да, похожа и не похожа. Но она особенная, чужая, совсем новая, неизвестная. И она любит меня. Что у ней на душе? Все доброе. Но как? Как она думает? Как она на меня смотрит? Да, она прекрасная».
– Маша, – сказала она, робко притянув к себе ее руку. – Маша, ты не думай, что я дурная. Нет? Маша, голубушка. Как я тебя люблю. Будем совсем, совсем друзьями.
И Наташа, обнимая, стала целовать руки и лицо княжны Марьи. Княжна Марья стыдилась и радовалась этому выражению чувств Наташи.
С этого дня между княжной Марьей и Наташей установилась та страстная и нежная дружба, которая бывает только между женщинами. Они беспрестанно целовались, говорили друг другу нежные слова и большую часть времени проводили вместе. Если одна выходила, то другаябыла беспокойна и спешила присоединиться к ней. Они вдвоем чувствовали большее согласие между собой, чем порознь, каждая сама с собою. Между ними установилось чувство сильнейшее, чем дружба: это было исключительное чувство возможности жизни только в присутствии друг друга.
Иногда они молчали целые часы; иногда, уже лежа в постелях, они начинали говорить и говорили до утра. Они говорили большей частию о дальнем прошедшем. Княжна Марья рассказывала про свое детство, про свою мать, про своего отца, про свои мечтания; и Наташа, прежде с спокойным непониманием отворачивавшаяся от этой жизни, преданности, покорности, от поэзии христианского самоотвержения, теперь, чувствуя себя связанной любовью с княжной Марьей, полюбила и прошедшее княжны Марьи и поняла непонятную ей прежде сторону жизни. Она не думала прилагать к своей жизни покорность и самоотвержение, потому что она привыкла искать других радостей, но она поняла и полюбила в другой эту прежде непонятную ей добродетель. Для княжны Марьи, слушавшей рассказы о детстве и первой молодости Наташи, тоже открывалась прежде непонятная сторона жизни, вера в жизнь, в наслаждения жизни.