Радионуклиды

Радионуклиды — радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером а для изомерных атомов — и с определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Атомы являются сложными системами, состоящими из частиц — волн трех категорий: протонов и нейтронов в ядре атома и электронов окружающих ядро и образующих электронную оболочку. На ядро приходится почти вся масса атома. Общее число протонов и нейтронов (нуклонов) составляет массу нуклида. Некоторые могут находиться в различных ядерно-энергетических состояниях. Одно из этих состояний представляют изотопы — нуклиды с одинаковым числом протонов, другое — изобары — атомы с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым массовым числом (например, ).

    Радионуклиды широко применяются в народном хозяйстве, технике, науке и медицине. С их помощью изучают физиологические и биохимические процессы в норме и при патологии, а так же закономерности миграции и обмена химических элементов в окружающей среде, организме животных и человека. Получены данные о закономерностях рассеяния искусственных и естественных Р. в общепланетарном масштабе и поведении их в отдельных экологических системах, о процессах круговорота веществ и энергии, взаимодействия природных сфер (атмосфер гидросферы, суши) между собой.

    В медицинской практике Р. применяют для лечения и диагностики различных заболеваний, а так же для радиационной стерилизации медицинских изделий, материалов, медикаментов. В клинике используют радиодиагностические и радиотерапевтические препараты (открытые радиофармацевтические препараты) и закрытые радиоизотопные источники излучения.

    Знакомство практического врача с Р., особенностями их биологического действия (см. Радиотоксикология) необходимо в связи с реальной возможностью радиоактивного загрязнения местности в результате аварий на ядерных производствах, как это имело место на Чернобыльской АЭС, когда огромные контингенты населения подверглись воздействию самых разнообразных радионуклидов.

    Радиоактивные изотопы — это Р. определенных элементов. Поэтому их обозначают символами соответствующих химических элементов вверху слева ставят массовое число, например, химические символы радиоактивных изотопов магния (Mg) имеющего Р. с массовыми числами 20, 21, 22, 23, 27, 28, — ²⁰Mg, ²¹Mg, ²²Mg, ²³Mg, ²⁷Mg, ²⁸Mg. Все Р. делятся на естественные, или природные, и искусственные, получаемые при ядерных реакциях. Число естественных Р. сравнительно невелико (100); искусственные Р. получены у всех без исключения элементов периодической системы, число их приближается к 1500, что не является пределом.

    Практически устойчивыми считают все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, начиная от водорода (Н), значащегося под № 1, и кончая висмутом (Bi), значащимся под № 83, за исключением технеция (Тс) — № 43 и прометия (Рм) — № 61. Все элементы, следующие за висмутом, радиоактивны.

    Среди практически устойчивых элементов есть ряд элементов, природные атомы которых в той или иной степени радиоактивны, — это калий (К), рубидий (Rb), индий (In), лантан (La), самарий (Sm), лютеций (Lu) и рений (Re).

    Естественные Р. связаны друг с другом генетическим родством и образуют так называемые ряды, или семейства. В каждом семействе процесс распада, начавшись с ядра-прародителя и пройдя через целую серию промежуточных дочерних ядер, также нестойких, заканчивается на устойчивом нерадиоактивном ядре — потомке. Ядра-прародители: атом урана (U) с массой 238, возглавляющий радиоактивное семейство урана; атом тория (Th) с массой 232, атом урана с массой 235, называвшийся ранее актиноураном. Конечные ядра, являющиеся продуктами многоступенчатых превращений в этих семействах, — ядра изотопов свинца (Pb) с массой 206, 208, 207.

    Известно несколько видов радиоактивных превращений. a-Распад — самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (a-частиц, т. е. двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро ⁴₂Не. В результате заряд исходного ядра уменьшается на 2, а общее число нуклидов, или массовое число, — на 4 единицы (например, ²²⁶₈₈Ra ® ²²²₈₈Ra + ⁴Не).

    b-Распад — самопроизвольное превращение ядер, при котором заряд исходного ядра изменяется на единицу, а массовое число остается тем же. b-Распад представляет собой взаимопревращение входящих в состав ядра протонов и нейтронов, сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е^-) или позитронов (е⁺), а также нейтрино (n) и антинейтрино (n) Существует три вида b-распада: 1) электронный; 2) позитронный; 3) электронный захват. При b-распаде происходят взаимные превращения протонов и нейтронов до достижения наиболее выгодного соотношения протонов и нейтронов, обеспечивающего устойчивое содержание ядра.

    Естественные Р., содержащиеся в горных породах, водоемах и почвах, вместе с космическим излучением являются источниками внешнего радиационного фона. ⁴⁰К и радионуклиды урана и тория, которые находятся в организме в равновесных концентрациях в результате поступления с пищей, питьевой водой и атмосферным воздухом, являются источниками внутреннего облучения. За счет естественных Р., содержащихся в строительных материалах, выбросах электростанций в результате сжигания ископаемого топлива, светосоставах некоторых приборов и часов, формируется техногенный радиационный фон (см. Радиационный фон).

    Искусственные Р. получают на ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц. Уже синтезированы заурановые элементы (№ 93—103). Элементом № 103 (лоуренсием) заканчивается серия элементов под названием «актиниды». Искусственным путем были получены курчатовий — ²⁶⁰₁₀₄Ku, нильсборий — ^261(260) Ns. Последний по химическим свойствам является аналогом тантала (Та).

    Радионуклиды различаются физическим периодом полураспада, (Т¹/_2ф — время, в течение которого число ядер данного Р. в результате самопроизвольных ядерных превращений уменьшается в 2 раза), видом распада, энергией частиц, удельной активностью и удельной массой. Активность нуклида в радиоактивном источнике в системных единицах измеряется к беккерелях (Бк); внесистемной единицей является кюри (ku): 1 ku = 3,7×10¹⁰Бк.

    Каждый Р. определяет особенности макро- и микрогеометрии передачи энергии излучения в клетках и тканях, а также реакцию организма на лучевое воздействие (см. Ионизирующие излучения). Р. поступают в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт, кожу, царапины, раны, ожоговую поверхность. Наиболее реальными источниками поступления Р. являются воздух, зараженный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания и вода. Величина коэффициента резорбции (всасывания) Р. из места его поступления, а также дальнейшее поведение в организме определяются химическими свойствами элементов (растворимостью, способностью к гидролизу), физико-химическим состоянием, сродством элементов и их соединений тканям и физиологическими факторами.

    По характеру распределения в организме Р. условно делят на 4 группы: 1) сравнительно равномерно распределяющиеся (¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ²⁴Na, ¹⁰⁶Ru, ²¹⁰Ро, ⁹⁵Nb, ¹⁴С, ³²S); 2) остеотропные (⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ¹⁴⁰Ва, ²²⁶Ra, ²²⁴Ra, ⁴⁰Са, ⁹⁰Y, ⁹¹Y); 3) накапливающиеся преимущественно в органах ретикулоэндотелиальной системы и скелете (¹⁴⁴Се, ¹⁴⁷Pm, ²⁴¹Am, ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²²⁷As, ¹⁴⁰La); 4) избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях (радиоактивные изотопы йода — в щитовидной железе, ⁵⁹Fe — в эритроцитах, ⁶⁵Zn — в поджелудочной железе, ⁹⁹Мо — в радужной оболочке глаза). Наибольшее количество Р. выделяется через желудочно-кишечный тракт, особенно плохо из него всасывающиеся трансурановые элементы, лантаноиды. Растворимые соединения, а также Р. с равномерным типом распределения (тритий, цезий) выделяются через почки. Основное количество газообразных веществ выводится через кожу и легкие. Наибольшее количество Р. выделяется в первые дни после поступления. Длительно задерживаются Р. с большой атомной массой, находящиеся в организме и коллоидном состоянии (²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²³⁸U) и редкоземельные элементы Р., образующие коллоидные комплексы с белками, поступают в печень и выводятся с желчью. Скорость обмена Р. в тканях характеризуется биологическим периодом полувыведения — временем, в течение которого выводится половина поступившего в организм радиоактивного вещества (Т_1/2б). Фактическая убыль Р. из организма измеряется эффективным периодом полувыведения (Т_1/2эф) — временем освобождения организма от половины депонированного вещества путем биологического выведения и физического распада. Это сложный процесс, т.к. в отдельных органах Р. имеют свой Т_1/2б, который может существенно отличаться от такового во всем теле. Например, ¹³¹I в щитовидной железе и во всем теле имеет Т_1/2б = 138 сут., в почках — 7 сут., в костях — 14 сут. Кроме того, в одном и том же органе Р. может иметь несколько Т_1/2б. В табл. приведены величины физического, биологического и эффективного Т_1/2б некоторых Р. для человека.

Таблица

Величины периодов полураспада и полувыведения некоторых радионуклидов для организма человека

    Воздействие Р. в количествах (дозах), превышающих предельно допустимые величины, ведет к развитию лучевой болезни с преимущественным поражением органов депонирования или всего организма (при поражении равно мерно распределяющимися радионуклидами, например, ³Н или ¹³⁷Cs). В зависимости от количества, пути и длительности поступления Р. возможно развитие острых, подострых и хронических радиационных эффектов, а также отдаленных последствий.

    Поступление радионуклидов в организм и содержание их в нем у лиц, работа которых связана с профессиональными вредностями, а также у отдельных лиц из населения и у всего населения в СССР регламентируются нормами радиационной безопасности НРБ—76/87, которые устанавливают систему дозовых пределов, и основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами ОСП—72/87 (см. Радиационная безопасность).

    См. также Радионуклидная диагностика.

    Библиогр.: Моисеев А.А. и Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене, М., 1984; Москалев Ю.И. Радиобиология инкорпорированных радионуклидов, М., 1989; Нормы радиационной безопасности НРБ—76/87 и «Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/ 87», под ред. Г.М. Аветисова, М., 1988; Радионуклидная диагностика, под ред. Ф.М. Лясса, М., 1983.