Период полураспада цезия-137. Биологические свойства цезия

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 × 10¹⁹ 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 10¹⁴ 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 10² Бк в течение суток и 13,3 х 10⁴ Бк в год. Содержание в воздухе не должно превышать 18 х 10^-3 Бк на 1 кубический метр, а в воде - 5,5 х 10² 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.