Полоний-210

Полоний-210 ( ²¹⁰Po , Po-210, исторически радий F ) — изотоп полония . Он подвергается альфа-распаду до стабильного 206 Pb с периодом полураспада 138,376 дней (около 4 +1 ⁄ месяца ), самый длинный период полураспада из всех встречающихся в природе изотопов полония (^210–218 Po). ^[1] Впервые обнаруженный в 1898 году, а также ознаменовавший открытие элемента полония ,²¹⁰ Po образуется в цепочке распада урана -238 и радия-226 . ²¹⁰ Po является заметным загрязнителем окружающей среды, в первую очередь поражающим морепродукты и табак . Его чрезвычайная токсичность объясняется высокой радиоактивностью, в основном из-за альфа-частиц , которые легко вызывают радиационное повреждение, включая рак окружающих тканей. Специфическая деятельность²¹⁰
Po составляет 166 ТБк/г, т.е. 1,66 × 10 ¹⁴ Бк/г. В то же время ²¹⁰ Po трудно обнаружить обычными детекторами радиации, поскольку его гамма-лучи имеют очень низкую энергию. Поэтому,²¹⁰
По можно рассматривать как квазичистый альфа-излучатель.

История

Схема последних этапов s-процесса. Красный путь представляет последовательность захватов нейтронов; синие и голубые стрелки представляют бета-распад, а зеленая стрелка представляет альфа-распад ²¹⁰ Po. Именно короткие периоды полураспада ²¹⁰ Bi и ²¹⁰ Po предотвращают образование более тяжелых элементов, вместо этого приводя к циклу из четырех нейтронных захватов, двух бета-распадов и альфа-распада.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри обнаружили в настуране сильно радиоактивное вещество и определили, что это новый элемент; это был один из первых обнаруженных радиоактивных элементов. Определив его как таковой, они назвали элемент полоний в честь родной страны Мари, Польши . Вилли Марквальд обнаружил подобную радиоактивную активность в 1902 году и назвал ее радиотеллуром , и примерно в то же время Эрнест Резерфорд выявил ту же активность в своем анализе цепочки распада урана и назвал ее радием F (первоначально радий E ). К 1905 году Резерфорд пришел к выводу, что все эти наблюдения связаны с одним и тем же веществом — ²¹⁰ Po. Дальнейшие открытия и концепция изотопов, впервые предложенная в 1913 году Фредериком Содди , твердо поставили ²¹⁰ Po на предпоследнюю ступень в урановом ряду . ^[3]

В 1943 году ²¹⁰ Po изучался как возможный нейтронный инициатор ядерного оружия в рамках Дейтонского проекта . В последующие десятилетия опасения по поводу безопасности рабочих, работающих с ²¹⁰ Po, привели к обширным исследованиям его воздействия на здоровье. ^[4]

В 1950-х годах ученые Комиссии по атомной энергии США в Mound Laboratories , штат Огайо, исследовали возможность использования ²¹⁰ Po в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) в качестве источника тепла для питания спутников. Атомная батарея мощностью 2,5 Вт , использующая ²¹⁰ Po, была разработана в 1958 году. Однако вместо нее был выбран изотоп плутоний-238 , поскольку он имеет более длительный период полураспада — 87,7 лет. ^[5]

Полоний-210 использовался для убийства российского диссидента и бывшего офицера ФСБ Александра Литвиненко в 2006 году, ^[6]^[7] и подозревался в качестве возможной причины смерти Ясира Арафата после эксгумации и анализа его трупа в 2012–2013 годах. . ^[8] Радиоизотоп также мог быть использован для убийства Юрия Щекочихина , Лечи Исламова и Романа Цепова . ^[9]

Свойства распада

²¹⁰ Po — альфа-излучатель , период полураспада которого составляет 138,376 дней; ^[1] он распадается непосредственно до стабильного ²⁰⁶ Pb . В большинстве случаев ²¹⁰ Po распадается только за счет испускания альфа-частицы , а не за счет испускания альфа-частицы и гамма-лучей ; примерно один из 100 000 распадов приводит к испусканию гамма-лучей. ^[10]

\mathrm {^{210}_{\ 84}Po\ {\xrightarrow[{138.376\ d}]{}}\ _{\ 82}^{206}Pb\ +_{\ 2}^{ \ 4}Он}

Низкая скорость производства гамма-лучей затрудняет поиск и идентификацию этого изотопа. Вместо гамма-спектроскопии лучшим методом измерения этого изотопа является альфа-спектроскопия .

Из-за гораздо более короткого периода полураспада миллиграмм ²¹⁰ Po излучает столько же альфа-частиц в секунду, сколько 5 граммов ²²⁶ Ra . ^[11] Несколько кюри 210 Po излучают голубое свечение , вызванное ^{возбуждением} окружающего воздуха.

²¹⁰ Po встречается в ничтожных количествах в природе, где он является предпоследним изотопом в цепочке распада уранового ряда . Он образуется в результате бета -распада ²¹⁰Pb и ²¹⁰Bi .

Астрофизический s-процесс завершается распадом ²¹⁰ Po, так как потока нейтронов недостаточно, чтобы привести к дальнейшим захватам нейтронов при коротком времени жизни ²¹⁰ Po. Вместо этого ²¹⁰ Po альфа распадается до ²⁰⁶ Pb, который затем захватывает больше нейтронов, превращаясь в ²¹⁰ Po, и повторяет цикл, поглощая таким образом оставшиеся нейтроны. Это приводит к накоплению свинца и висмута и гарантирует, что более тяжелые элементы, такие как торий и уран, производятся только в гораздо более быстром r-процессе . ^[12]

Производство

Преднамеренный

Хотя ²¹⁰ Po встречается в природе в следовых количествах, его недостаточно (0,1 частей на миллиард ) для того, чтобы его извлечение из урановой руды было возможным. Вместо этого большая часть ²¹⁰ Po производится синтетическим путем нейтронной бомбардировки ²⁰⁹ Bi в ядерном реакторе . Этот процесс превращает ²⁰⁹ Bi в ²¹⁰ Bi, который бета-распадает до ²¹⁰ Po с пятидневным периодом полураспада. С помощью этого метода примерно 8 граммов (0,28 унции) Po ²¹⁰ производятся в России и ежемесячно отправляются в США для коммерческого применения. ^[4] Облучением некоторых солей висмута, содержащих ядра легких элементов, таких как бериллий, также можно вызвать каскадную реакцию (α,n) с образованием ²¹⁰ Po в больших количествах. ^[13]

Побочный продукт

Производство полония-210 является недостатком реакторов, охлаждаемых эвтектикой свинец-висмут , а не чистым свинцом. Однако, учитывая эвтектические свойства этого сплава, некоторые предлагаемые конструкции реакторов поколения IV по-прежнему основаны на свинцово-висмутовом сплаве.

Приложения

Один грамм ²¹⁰ Po генерирует мощность 140 Вт. ^[14] Поскольку он испускает множество альфа-частиц , которые останавливаются на очень коротком расстоянии в плотных средах и высвобождают свою энергию, ²¹⁰ Po использовался в качестве легкого источника тепла для питания термоэлектрических элементов в искусственных спутниках ; например, в каждом из луноходов, развернутых на поверхности Луны, также был источник тепла 210 Po , чтобы поддерживать ^тепло их внутренних компонентов в течение лунных ночей. ^[15] Некоторые антистатические щетки, используемые для нейтрализации статического электричества на таких материалах, как фотопленка, содержат несколько микрокюри 210 ^Po в качестве источника заряженных частиц. ^[16]²¹⁰ Po также использовался в инициаторах атомных бомб в реакции (α,n) с бериллием . ^[17] Небольшие источники нейтронов , основанные на реакции (α,n), также обычно используют полоний в качестве удобного источника альфа-частиц из-за его сравнительно низкого гамма-излучения (что позволяет легко экранировать) и высокой удельной активности .

Опасности

²¹⁰ Po чрезвычайно токсичен; он и другие изотопы полония являются одними из наиболее радиотоксичных веществ для человека. ^[6]^[18] Поскольку одного микрограмма 210 Po более чем достаточно, чтобы убить среднего взрослого человека, он в 250 000 раз более токсичен, чем ^{цианистый}водород по весу. ^[19] Одного грамма ²¹⁰ Po гипотетически было бы достаточно, чтобы убить 50 миллионов человек и заразить еще 50 миллионов. ^[6] Это следствие ионизирующего альфа -излучения , поскольку альфа-частицы особенно повреждают органические ткани внутри организма. Однако ²¹⁰ Po не представляет радиационной опасности при нахождении вне организма. ^[20] Альфа- частицы, которые он производит, не могут проникнуть через внешний слой омертвевших клеток кожи. ^[21]

Токсичность ²¹⁰ Po полностью обусловлена его радиоактивностью. Сам по себе он химически не токсичен, но его растворимость в водном растворе , а также растворимость его солей представляет опасность, поскольку в растворе его распространение по организму облегчается. ^[6] Поступление ²¹⁰ Po происходит преимущественно через загрязненный воздух, пищу или воду, а также через открытые раны. Попадая в организм, ²¹⁰ Po концентрируется в мягких тканях (особенно в ретикулоэндотелиальной системе ) и кровотоке . Биологический период полураспада составляет около 50 дней. ^[22]

В окружающей среде ²¹⁰ Po может накапливаться в морепродуктах. ^[23] Он был обнаружен в различных организмах в Балтийском море , где он может распространяться и, таким образом, загрязнять пищевую цепь. ^{[18] Также известно, что} ²¹⁰ Po загрязняет растительность, главным образом, в результате распада атмосферного радона-222 и поглощения его почвой. ^[24]

В частности, ²¹⁰ Po прикрепляется к табачным листьям и концентрируется в них. ^[4]^[22] Повышенные концентрации ²¹⁰ Po в табаке были зарегистрированы еще в 1964 году, и, таким образом, было обнаружено, что курильщики сигарет подвергаются значительно большим дозам радиации от ²¹⁰ Po и его родительского ²¹⁰ Pb. ^[24] Заядлые курильщики могут подвергнуться такому же количеству радиации (оценки варьируются от 100 мкЗв ^[18] до 160 мЗв ^[25] в год), как и люди в Польше от чернобыльских осадков, прибывшие из Украины. ^[18] В результате ²¹⁰ Po наиболее опасен при вдыхании сигаретного дыма. ^[26]

Полоний-210 использовался в тихих убийствах. Значительные суммы были обнаружены в теле Александра Литвиненко ^[27] во время его убийства в Лондоне в 2006 году.