РАДОН: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, ЗНАЧЕНИЕ

Введение

         По данным Международной комиссии по радиологической защите, Научного комитета по действию атомной радиации ООН наибольшая часть дозы облучения – около 80 % от общей, получаемой населением в обычных условиях, связана именно с природными источниками радиации. Около половины этой дозы обусловлено присутствием газа радона и его дочерних продуктов распада в воздухе зданий, в которых человек проводит более 70 % времени [1, 2].

         История открытия

         Изучая ионизацию воздуха радиоактивными веществами, супруги Кюри заметили, что различные тела, находящиеся вблизи радиоактивного источника, приобретают радиоактивные свойства, которые сохраняются некоторое время после удаления радиоактивного препарата. Мария Склодовская-Кюри назвала это явление индуцированной активностью.

Э. Резерфорд в 1899 году отметил, что препараты тория испускают, кроме α-частиц, и некое неизвестное ранее вещество, так что воздух вокруг препаратов тория постепенно становится радиоактивным. Это вещество он предложил назвать эманацией (от латинского emanation – истечение) и дать ему символ Em. Последующие наблюдения показали, что все препараты радия, тория и актиния испускают некую эманацию, которая обладает радиоактивными свойствами.

В 1902 г. Резерфорд и Содди экспериментально доказали, что эманация – это газообразное вещество, которое подчиняется закону Бойля и при охлаждении переходит в жидкое состояние. Исследование ее химических свойств показало, что эманация представляет собой инертный газ.

         Позднее эта охлажденная эманация, полученная из препаратов радия была названа «эманация радия» (Radium Emanation – Rа Em) с тем, чтобы отличать ее от эманаций тория и актиния. В дальнейшем было доказано, что все эманации на самом деле представляют собой радионуклиды нового элемента – инертного газа, которому отвечает атомный номер 86, впервые выделенного в чистом виде Рамзаем и Греем в 1908 году.

В 1911 г. Рамзай, определивший атомный вес эманации радия, дал ей новое название – нитон (Niton) (от лат. nitens – блестящий, светящийся); этим названием он, очевидно, желал подчеркнуть свойство газа вызывать фосфоресценцию некоторых веществ. В 1923 году было принято более точное название радон (Radon) – производное от слова «радий» и символ Em был сменен на Rn. Эманации тория и актиния (изотопы радона) стали именовать тороном (Thoron) и актиноном (Actinon) соответственно.

Заслуга открытия радона, как химического элемента, часто приписывается также немецкому химику Фредерику Эрнсту Дорну, однако первооткрывателем радона как химического элемента все же следует считать Резерфорда. В 1900 г. Дорн открыл самый долгоживущий изотоп радона ²²²Rn с периодом полураспада 3,823 дня и опубликовал статью об этом, сославшись на более раннюю работу Резерфорда. Резерфорд, сперва с Оуэнсом, а затем один в 1899 г. работал с другим изотопом ²²⁰Rn (тороном), период полураспада которого около 54,5 секунд [3].

         Физические свойства

         Радон – инертный радиоактивный одноатомный газ без цвета и запаха, может представлять опасность для здоровья и жизни. Является элементом 18 группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (по старой классификации – главной подгруппы 8 группы, 6 периода), с атомным номером 86. Обозначается символом Rn (Radon). Наиболее стабильный изотоп ²²²Rn имеет период полураспада 3,823 суток. Радон лучше других инертных газов растворяется в воде и обладает растворимостью 460 мл/л. В органических растворителях и в жировой ткани человека растворимость радона в десятки раз выше, чем в воде. Газ хорошо просачивается сквозь полимерные пленки, легко адсорбируется активированным углем и силикагелем. Радон в 110 раз тяжелее водорода и в 7 с лишним раз тяжелее воздуха. Один литр этого газа весит около 9,9 г. При охлаждении до минус 62 °С радон сгущается в жидкость, которая в 7 раз тяжелее воды (удельный вес жидкого радона почти равен удельному весу цинка). Температура замерзания радона – минус 71 °С.

Собственная радиоактивность радона вызывает его флюоресценцию. Газообразный и жидкий радон флюоресцирует голубым светом, при охлаждении у твердого радона цвет флюоресценции становится сперва желтым, затем красно-оранжевым. Цвет свечения в газовом разряде у радона – синий, так как в видимой части спектра радона особо выделяются 8 линий, отвечающих длинам волн от 3982 до 5085 Å и лежащих главным образом в синей части спектра [4], однако из-за отсутствия стабильных изотопов применение его в газосветных приборах невозможно.

         Химические свойства

         В химическом отношении радон является наиболее активным из благородных газов, так как его валентные электроны находятся на максимальном удалении от ядра. Радон образует клатраты, которые, хотя и имеют постоянный состав, химических связей с участием атомов радона в них нет.

         Первое истинное соединение радона – дифторид радона, было получено в 1962 г. вскоре после синтеза первых фторидов ксенона. RnF₂ является белым нелетучим кристаллическим веществом, которое образуется как при непосредственном взаимодействии газообразных радона и фтора при 400 °С, так и при окислении его дифторидом криптона, ди- и тетрафторидами ксенона и некоторыми другими окислителями. Дифторид радона устойчив до 200° С и восстанавливается до элементарного радона водородом при 500°С и давлении H₂, равном 20 МПа. RnF₂ фторируется при высоких температурах, образуя соединения состава RnF_n, где n = 4, 6. Фториды радона могут быть получены также под действием фторирующих агентов (например, фторидов галогенов). При гидролизе тетрафторида RnF₄ и гексафторида RnF₆ образуется оксид радона RnO₃. Получены также соединения с катионом RnF+. Подтверждением образования соединений радона в высших валентных состояниях является эффективная сокристаллизация ксенатов и радонатов бария [5].

         Изотопы радона

Изотопы радона – разновидности атомов химического элемента радона с атомным номером 86, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Все изотопы радона радиоактивны. Наиболее стабильным является изотоп ²²²Rn, являющийся дочерним продуктом распада изотопа радия ²²⁶Ra. Изотоп ²²²Rn претерпевает α-распад с периодом полураспада 3,823 дня. В химии изотопы радона часто называют эманациями.

         В настоящее время известно 35 изотопов радона с массовыми числами от 195 до 229 и периодами полураспада от 10^-6 с до 3,823 суток. Четыре изотопа радона встречаются в природе, входя в природные радиоактивные ряды: ²²²Rn и ²¹⁸Rn входят в ряд ²³⁸U; ²²⁰Rn – в ряд ²³²Th; ²¹⁹Rn – в ряд ²³⁵U. Эти природные изотопы являются дочерними продуктами альфа-распада изотопов радия (за исключением ²¹⁸Rn, возникающего в редкой боковой ветви ряда при бета-распаде ²¹⁸At) и сами в свою очередь испытывают альфа-распад, образуя изотопы полония.

Легкие изотопы радона (²⁰⁸Rn – ²¹²Rn) синтезируют в реакциях глубокого расщепления ядер урана или тория частицами (в основном протонами) высокой энергии или по реакциям типа ¹⁹⁷Au(¹⁴N, n_x), где х – число нейтронов (обычно больше трех) [6, 7].

         Нахождение в природе

Входит в состав радиоактивных рядов ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th. Ядра радона постоянно возникают в природе при радиоактивном распаде материнских ядер. Равновесное содержание в земной коре 7·10^-16 % по массе. Ввиду химической инертности радон относительно легко покидает кристаллическую решетку «родительского» минерала и попадает в подземные воды, природные газы и воздух. Поскольку наиболее долгоживущим из четырех природных изотопов радона является ²²²Rn, именно его содержание в этих средах максимально.

Концентрация радона в воздухе зависит, в первую очередь, от геологической обстановки так, граниты, в которых много урана, являются активными источниками радона, в то же время над поверхностью морей радона мало. Также концентрация радона зависит от погоды – во время дождя микротрещины, по которым радон поступает из почвы, заполняются водой; снежный покров также препятствует доступу радона в воздух. Перед землетрясениями наблюдалось повышение концентрации радона в воздухе, вероятно, благодаря более активному обмену воздуха в грунте ввиду роста микросейсмической активности [8].

         Применение

Радон используют в медицине для приготовления радоновых ванн. Радон используется в сельском хозяйстве для активации кормов домашних   животных [9], в металлургии в качестве индикатора при определении скорости газовых потоков в доменных печах, газопроводах. В геологии измерение содержания радона в воздухе и воде применяется для поиска месторождений урана и тория, в гидрологии – для исследования взаимодействия грунтовых и речных вод. Динамика концентрации радона в подземных водах может применяться для прогноза землетрясений [10].

         Биологическое воздействие

Попадая в организм человека, радон способствует процессам, приводящим к раку легких. Распад ядер радона и его дочерних изотопов в легочной ткани вызывает микроожог, поскольку вся энергия альфа-частиц поглощается практически в точке распада. Особенно опасно (повышает риск заболевания) сочетание воздействия радона и курения. По данным департамента здравоохранения США, радон – второй по частоте (после курения) фактор, вызывающий рак легких преимущественно бронхогенного (центрального) типа. Рак легких, вызванный радоновым облучением, является шестой по частоте причиной смерти от рака [11].

Радионуклиды радона обусловливают более половины всей дозы радиации, которую в среднем получает организм человека от природных и техногенных радионуклидов окружающей среды [1, 2].

В настоящее время во многих странах проводят экологический мониторинг концентрации радона в зданиях, так как в районах геологических разломов его концентрации в помещениях зданий могут носить ураганный характер и существенно превышать средние значения по остальным регионам.

Литература:

1 Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации: Доклад Научного комитета ООН по действию атомной радиации Генеральной Ассамблее за 1988 г., с приложениями: В 2-х т. Т. 1.: Пер. с англ. – M.: Мир, 1992. – 552 с. ил.

2 Защита от радона-222 в жилых зданиях и на рабочих местах. Публикация МКРЗ 65: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 68 с.

3 Marshall, L.J. Ernest Rutherford, the «True discoverer» of Radon / L.J. Marshall, V.R. Marshall // Bulletin for the History of Chemistry. – 2003. –  28 (2). – P. 76-83.

4 Курс общей и неорганической химии / Михайленко Я.И.; под ред. С.В. Нафтанова, А.П. Крешкова, В.И. Семишина. – М.: Высшая школа. – 1966. – 664 с.

5 Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов. – М.: Высшая школа, 2008. – 743 с.: ил.

6 Audi, G The Nubase evaluation of nuclear and decay properties / G. Audi,  A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot, O. Bersillon // Nuclear Physics A. – 2003. – 729. – P. 3-128.

7 Wieser, M.E. Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) / M.E. Wieser // Pure and Applied Chemistry. – 2006. – 78 (11). – P. 2051-2066.

8 Буторина, М.В. Инженерная экология и менеджмент / М.В. Буторина [и др.]; под ред. Н.И. Иванова, И.М. Фадина. – М.: Логос, 2003. – 528 с.: ил.

9 Химическая энциклопедия / редкол.: Зефиров Н.С. (гл. ред.) [и др.]. – М.: Советская энциклопедия, 1995. – Т. 4. – 639 с.

         10 Уткин, В.И. Динамика выделения радона из массива горных пород как краткосрочный предвестник землетрясения / В.И. Уткин, А.К. Юрков // Докл. РАН, 1998. – Т. 358. – № 5. – С. 675-680.

         11 Darby, S. Radon: A likely carcinogen at all exposures / S. Darby, D. Hill,  R. Doll // Annals of Oncology. – 2001. – 27 (10). – P. 1341-1351.

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Чунихин Леонид Александрович.