Кр квантовой механики. Закон радиоактивного распада

120. При распаде 94 Рu 239 → 92 U 235 + 2 Hе 4 освобождается энергия, большая часть которой составляет кинетическую энергию α-частиц. 0,09 мэВ уносят γ-лучи, испускаемые ядрами урана. Определить скорость α-частиц, m Р u =±239,05122 а.е.м., m U =235,04299 а.е.м., m А,=4,00260 а.ем.

121. В процессе деления ядро урана распадается на две части, общая масса которых меньше начальной массы ядра приблизительно на 0,2 массы покоя одного протона. Сколько энергии выделяется при делении одного ядра урана?

123. Определить число атомов урана 92 U 238 распавшихся в течение года, если первоначальная масса урана 1 кг. Вычислить постоянную распада урана.

124. Вычислить число атомов радона, распавшихся в течение первых суток, если первоначальная масса радона 1 г. Вычислить постоянную распада урана.

125. В человеческом организме 0,36 массы приходится на калий. Радиоактивный изотоп калия 19 К 40 составляет 0,012% от общей массы калия. Какова активность калия, если масса человека 75 кг? Период его полураспада 1,42*10 8 лет.

126. 100 г. радиоактивного вещества лежит на весах. Через сколько суток весы с чувствительностью 0,01 г покажут отсутствие радиоактивного вещества? Период полураспада вещества равен 2 суткам.

127. За два дня радиоактивность препарата радона уменьшилась в 1,45 раза. Определить период полураспада.

128. Определить число радиоактивных ядер в свежеприготовленном препарате 53 J 131 , если известно, что через сутки его активность стала 0,20 Кюри. Период полураспада иода 8 суток.

129. Относительная доля радиоактивного углерода 6 С 14 в старом куске дерева составляет 0,0416 доли его в живых растениях. Каков возраст этого куска дерева? Период полураспада 6 С 14 составляет 5570 лет.

130. Было установлено, что в радиоактивном препарате происходит 6,4*10 8 распадов ядер в минуту. Определить активность этого препарата.

131. Какая доля первоначального количества ядер З8 Sг 90 остается через 10 и 100 лет, распадается за один день, за 15 лет? Период полураспада 28 лет

132. Имеется 26*10 6 атомов радия Со сколькими из них произойдет радиоактивный распад за одни сутки, если период полураспада радия 1620 лет?

133. В капсуле находится 0,16 моль изотопа 94 Рu 238 . Его период полураспада 2,44*10 4 лет. Определить активность плутония.

134 Имеется урановый препарат с активностью 20,7*10 6 расп/с. Определить в препарате массу изотопа 92 U 235 с периодом полураспада 7,1* 10 8 лет.

135. Как изменится активность препарата кобальта в течение 3-х лет? Период полураспада 5,2 года.

136. В свинцовой капсуле находится 4,5*10 18 атомов радия. Определить активность радия, если его период полураспада 1620 лет.

137. Через сколько времени распадается 80% атомов радиоактивного изотопа хрома 24 Cr 51 , если его период полураспада 27,8 суток?

138. Масса радиоактивного изотопа натрия 11 Na 25 равна 0,248*10 -8 кг. Период полураспада 62 с. Чему равна начальная активность препарата и его активность через 10 мин?

139. Сколько радиоактивного вещества остается по истечение одних, двух суток, если вначале его было 0,1 кг? Период полураспада вещества равен 2 суткам.

140. Активность препарата урана с массовым числом 238 равна 2,5*10 4 расп/с, масса препарата 1 г. Найти период полураспада.

141. Какая доля атомов радиоактивного изотопа
90 Тh 234 , имеющего период полураспада 24,1 дня, распадает-
ся за 1 с, за сутки, за месяц?

142. Какая доля атомов радиоактивного изотопа ко-
бальта распадается за 20 суток, если период его полураспа-
да 72 суток?

143 За какое время в препарате с постоянной активностью 8,3*10 6 расп/с распадается 25*10 8 ядер?

144. Найти активность 1 мкг вольфрама 74 W 185 период полураспада которого 73 дня

145. Сколько распадов ядер за минуту происходит в препарате, активность которого 1,04*10 8 расп/с?

146. Какая доля начального количества радиоактивного вещества остается нераспавшейся через 1,5 периода полураспада?

147. Какая доля первоначального количества радиоактивного изотопа распадается за время жизни этого изотопа?

148. Чему равна активность радона, образовавшегося из 1 г радия за один час? Период полураспада радия 1620 лет, радона 3,8 дня.

149. Некоторый радиоактивный препарат имеет постоянную распада 1,44*10 -3 ч -1 . Через сколько времени распадается 70% первоначального количества атомов 7

150. Найти удельную активность искусственно полученного радиоактивного изотопа стронция З8 Sг 90 . Период полураспада его 28 лет.

151. Может ли ядро кремния превратиться в ядро
алюминия, выбросив при этом протон? Почему?

152. При бомбардировке алюминия 13 Al 27 α -
частицами образуется фосфор 15 Р 30 . Записать эту реакцию и
подсчитать выделенную энергию.

153. При соударении протона с ядром берилия про-
изошла ядерная реакция 4 Ве 9 + 1 Р 1 → 3 Li 6 + α. Найдите энергию реакции.

154. Найти среднюю энергию связи, приходящуюся
на 1 нуклон, в ядрах 3 Li 6 , 7 N 14 .

155. При обстреле ядер фтора 9 F 19 протонами образуется кислород х О 16 . Сколько энергии освобождается при этой реакции и какие ядра образуются?

156. Найти энергию, освободившуюся при следующей ядерной реакции 4 Ве 9 + 1 Н 2 → 5 В 10 + 0 n 1

157. Изотоп радия с массовым числом 226 превратился в изотопе свинца с массовым числом 206 Сколько α и β-распадов произошло при этом?

158. Заданы исходные и конечные элементы четырех радиоактивных семейств:

92 U 238 → 82 Pb 206

90 Th 232 → 82 Pb 207

92 U 235 → 82 Pb 207

95 Am 241 → 83 Bi 209

Сколько α и β -превращений произошло в каждом cемействе?

159. Найти энергию связи, приходящуюся на один нуклон в ядре атома кислорода 8 О 16 .

160. Найти энергию, выделившуюся при ядерной реакции:

1 H 2 + 1 H 2 → 1 H 1 + 1 H 3

161. Какая энергия выделится при образовании 1 г гелия 2 Не 4 из протонов и нейтронов?

162. Во что превращается изотоп тория 90 Тh 234 , ядра которого претерпевают три последовательных α-распада?

163. Допишите ядерные реакции:

з Li б + 1 Р 1 →?+ 2 Не 4 ;

13 А1 27 + о n 1 →?+ 2 Не 4

164. Ядро урана 92 U 235 , захватив один нейтрон, раз
делилось на два осколка, при этом освободилось два нейтрона. Один из осколков оказался ядром ксенона 54 Хе 140 . Каков второй осколок? Напишите уравнение реакции.

165. Вычислить энергию связи ядра гелия 2 Не 3 .

166. Найти энергию, освобождающуюся при ядерной реакции:

20 Са 44 + 1 Р 1 → 19 К 41 +α

167. Написать недостающие обозначения в следую
щих ядерных реакциях:

1 Р 1 →α+ 11 Nа 22

13 Аl 27 + 0 п 1 →α+...

168. Определить удельную энергию связи тритина,

169. Изменение массы при образовании ядра 7 N 15
равно 0,12396 а.а.м. Определить массу атома

170 Найти энергию связи ядер 1 H 3 и 2 Не 4 . Каков из этих ядер наиболее устойчив?

171 При обстреле лития 3 Li 7 протонами получается гелий. Записать эту реакцию. Сколько энергии освобождается при такой реакции?

172. Найти энергию, поглощенную при реакции:

7 N 14 + 2 Не 4 → 1 Р 1 + ?

173. Вычислить энергию связи ядра гелия 2 Не 4 .

174. Найти энергию, освободившуюся при следующей ядерной реакции:

3 Li 7 + 2 Не 4 → 5 В 10 + о n 1

175. Допишите ядерные реакции:

1 Р 1 → 11 Nа 22 + 2 Не 4 , 25 Мn 55 + ?→ 27 Со 58 + 0 n 1

176. Найти энергию, освободившуюся при следую-
щей ядерной реакции.

з Li 6 + 1 Н 2 →2α

177. Ядра изотопа 90 Тh 232 претерпевают α-распад, два β-распада и еще один α-распад. Какие ядра после этого получаются?

178 Определить энергию связи ядра дейтерия.

179. Ядро изотопа 83 Вi 211 получилось из другого ядра после одного α-распада и одного β-распада. Что это за ядро?

180. Какой изотоп образуется из радиоактивного тория 90 Th 232 в результат 4-х α-распадов и 2-х β-распадов?

181. В радиоактивном препарата с постоянной распада λ=0,0546 лет -1 распалось к=36,36 % ядер их первоначального количества. Определить период полураспада, среднее время жизни. За какое время распалось к ядер?

182. Период полураспада радиоактивного вещества 86 лет. За какое время распадется 43,12% ядер их первоначального количества. Определить постоянную распада λ и среднее время жизни радиоактивного ядра.

183. За один год распалось 64,46% ядер их первоначального количества радиоактивного препарата. Определить среднее время жизни и период полураспада.

184. Среднее время жизни радиоактивного вещества τ=8266,6 года. Определить время, за которое распадается 51,32% ядер от их первоначального количества период полураспада, постоянную распада.

185. В радиоактивном веществе с постоянной распада λ=0,025 лет -1 распалось 52,76% ядер их первоначального количества. Сколько времени длился распад? Чему равно среднее время жизни ядер?

186. Определить активность массой 0,15 мкг с периодом полураспада 3,8 суток через двое суток. Проанализировать зависимость А =f(t)

187. Период полураспада висмута (83 Bi 210) равен 5
суток. Какова активность этого препарата массой 0,25 мкг через 24 часа? Считать, что все атомы изотопа радиоактивные.

188. Изотоп 82 Ru 210 имеет период полураспада 22 года. Определить активность этого изотопа массой 0,25 мкг через 24 часа?

189. Поток тепловых нейтронов пройдя в алюминии
расстояние d=79,4 см, ослабляется в три раза. Определить
эффективные сечения реакции захвата нейтрона ядром ато-
ма алюминия: Плотность алюминия ρ=2699 кг/м.

190. Поток нейтронов ослабляется в 50 раз, пройдя расстояние d в плутонии, плотность которого ρ = 19860 кг/м 3 . Определить d, если эффективное сечение захвата ядром плутония σ = 1025 бары.

191. Во сколько раз ослабляется поток тепловых нейтронов, пройдя в цирконии расстояние d=6 см, если плотность циркония ρ = 6510 кг/м 3 , а эффективное сечение реакции захвата σ = 0,18 бары.

192. Определить активность 85 Ra 228 с периодом полураспада 6,7 года через 5 лет, если масса препарата m=0,4 мкг и все атомы изотопа радиоактивны.

193. За какое время распалось 44,62% ядер из первоначального количества, если период полураспада m=17,6 лет. Определить постоянную распада λ, среднее время жизни радиоактивного ядра.

194. Определить возраст археологической находки из древесины, если активность образца по изотопу составляет 80% образца из свежих растений. Период полураспада равен 5730 лет.

195. Жидкий калий ρ= 800кг !м ослабляет поток нейтронов в два раза. Определить эффективное сечение реакции захвата нейтрона ядром атома калия, если поток нейтронов проходит в жидком калии расстояние d=28,56 см.

196. Определить возраст древней ткани, если актив-
ность образца по изотопу составляет 72% активности
образца из свежих растений. Период полураспада Т=5730 лет.

197. Записать в полной форме уравнение ядерной реакции (ρ,α) 22 Nа. Определить энергию, выделяемую в результате ядерной реакции.

198. Уран, плотность которого ρ=18950 кг/м 2 , ослабляет поток тепловых нейтронов в 2 раза при толщине слоя d=1,88 см. Определить эффективное сечение реакции захвата нейтрона ядром урана

199. Определить активность изотопа 89 Ac 225 с периодом полураспада Т=10 суток через время t=30 суток, если начальная масса препарата m=0,05 мкг.

200. Определить возраст археологической находки из древесины, если активность образца по 6 С 14 составляет 10% активности образца из свежих растений. Период полураспада Т=5730 лет.

201. Определить толщину слоя ртути, если поток нейтронов пройдя этот свой ослабляется в 50 раз эффективное сечение реакции захвата нейтрона ядром σ = 38 барн, плотность ртути ρ=13546 кг/м 3 .

202. Изотоп 81 Tℓ 207 имеет период полураспада Т=4,8 млн. Какова активность этого изотопа массой 0,16 мкг через время t=5 млн. Считать, что все атомы изотопа Tℓ 207 радиоактивны.

203. Сколько ядер от них первоначального количества вещества распадается за 5 лет, если постоянная распада λ=0,1318 лет -1 . Определить период полураспада, среднее время жизни ядер.

204. Определить активность 87 Fr 221 массой 0,16 мкг с периодом полураспада Т=4,8 млн через время t=5мин. Проанализировать зависимость активности от массы (А=f(m)).

205. Период полураспада изотопа углерода 6 С 14 Т=5730 лет, активность древесины по изотопу 6 С 14 составляет 0,01% активности образцов из свежих растений. Определить возраст древесины.

206. Поток нейтронов, пройдя в сере (ρ=2000 кг/м 3 .)
расстояние d=37,67 см ослабляется в 2 раза. Определить
эффективное сечение реакции захвата нейтрона ядром ато-
ма серы.

207. Сравнение активности препаратов 89 Ac 227 и 82 Рb 210 если массы препаратов по m=0,16мкг, через 25 лет. Периоды полураспада изотопов одинаковы и равны 21,8 лет.

208. В радиоактивном веществе за t=300 суток распалось 49,66% ядер их первоначального количества. Определить постоянную распада, период полураспада, среднее время жизни ядра изотопа.

209. Проанализируйте зависимость активности радиоактивного изотопа 89 Ас 225 от массы через t= 30 суток, если период полураспада Т=10 суток. Начальная масса изотопа взять соответственно m 1 =0,05 мкг, m 2 =0,1 мкг, m З =0,15 мкг.

210. Иридий ослабляет поток тепловых нейтронов в
2 раза. Определить толщину слоя иридия, если его плот-
ность ρ=22400 кг/м 3 , а эффективное сечение реакции за
хвата нейтрона ядром иридия σ=430 барн

Задачи для К. Р.N 7 Физика атомного ядра

https://pandia.ru/text/78/238/images/image002_132.jpg" width="49" height="28">1. Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядре магния-

https://pandia.ru/text/78/238/images/image004_88.jpg" width="26" height="25 src=">3. Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядре атома урана

4 Изотоп фосфора " образуется при бомбардировке алюминия а-частицами. Какая частица испускается при этом ядерном превращении? Запишите ядерную реакцию.

https://pandia.ru/text/78/238/images/image007_57.jpg" width="26" height="25">протонами образуется кислородКакие ядра образуются помимо кислорода?

Азот" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">азота

7. Определите число нуклонов, протонов и нейтронов, содержащихся в ядре атома натрия

8. Допишите ядерную реакцию: left">

9. Рассчитайте дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра алюминия

https://pandia.ru/text/78/238/images/image013_39.jpg" width="44" height="19">распадов испытывает уран в последовательном превращении в свинец Рb?

11. Каков период полураспада радиоактивного элемента, активность которого уменьшилась в 4 раза за 8 сут?

https://pandia.ru/text/78/238/images/image016_33.jpg" width="28" height="25">Се распадается в течение одного года из 4,2 1018 атомов, если период полураспада данного изотопа равен 285 сут?

https://pandia.ru/text/78/238/images/image018_23.jpg" width="12" height="20"> распадов.

https://pandia.ru/text/78/238/images/image020_19.jpg" width="48" height="26 src=">16. Определите дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра азота

17 В какой элемент превращается изотоп тория после а-распада, двухраспадов и еще одногораспада?

https://pandia.ru/text/78/238/images/image024_31.gif" width="45" height="24">18. Какая доля радиоактивных ядер некоторого элемента распадается за t , равное половине T полураспада?

19 Ядро изотопа получилось из другого ядра после последовательных а - и - распадов. Что это за ядро?

20. Рассчитайте дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра углерода

21. Определите мощность первой советской атомной электростанции, если расход урана-235 в сутки составлял 30 г при КПД 17%. При делении одного ядра урана на два осколка выделяется 200 МэВ энергии.

22. Рассчитайте, какая энергия выделяется при термоядерной реакции:

23 Относительная доля радиоактивного углеродав старом куске дерева составляет 0,6 доли его в

живых растениях..jpg" width="173" height="25 src=">24. Определите КПД атомной электростанций , если ее мощность 3,5 105 кВт, суточный расход урана 105 г. Считайте, что при делении одного ядра урана выделяется 200 МэВ энергии.

25. Каков энергетический выход следующей ядерной реакции: -----

Ядерные реакторы" href="/text/category/yadernie_reaktori/" rel="bookmark">ядерном реакторе 1 г этого изотопа урана? Какое количество каменного угля необходимо сжечь для получения такого же количества энергии? Удельная теплота сгорания угля равна 2,9-107 Дж/кг.

28. Определите энергетический выход следующей ядерной реакции:

https://pandia.ru/text/78/238/images/image034_7.jpg" width="36" height="29 src="> равен 27,8 сут. Через какое время распадается 80% атомов?

30. Рассчитайте энергетический выход следующей ядерной реакции:

31 Атомная электростанция мощностью 1000 МВт имеет КПД 20%. Рассчитайте массу расходуемого за сутки урана-235. Считайте, что при каждом делении одного ядра урана выделяется энергия 200 МэВ.

32. Найдите, какая доля атомов радиоактивного изотопа кобальта распадается за 20 сут, если период его полураспада 72 сут.

Радиоактивный распад – это случайное событие в «жизни» атома, можно сказать, несчастный случай. Попробуем исходя из этого весьма общего соображения вывести закон, по которому должна изменяться концентрация радиоактивных атомов со временем.

Пусть в некоторый момент времени t концентрация радиоактивного изотопа была равна п (t ), а через малое время Dt стала равна п (t + Dt ). Ясно, что за время Dt распалось п (t ) – п (t + Dt ) атомов.

Если радиоактивный распад – процесс случайный, то вполне логично предположить, что количество распадов за время Dt будет тем больше, чем больше концентрация атомов п (t ) и чем больше промежуток времени Dt :

п (t ) – п (t + Dt ) ~ п (t ) × Dt

п (t ) – п (t + Dt ) = lп (t )Dt , (1)

где l – коэффициент пропорциональности. Понятно, что у каждого изотопа этот коэффициент свой: если изотоп распадается быстро, то коэффициент l большой, если медленно, то маленький.

Перепишем равенство (1) в виде:

п (t + Dt ) – п (t ) = –lп (t )Dt . (2)

А теперь устремим Dt к нулю и заметим, что п (t + Dt ) – п (t ) – это приращение функции п (t ) за время Dt , получим:

Мы получили дифференциальное уравнение. Ясно, что если в начальный момент концентрация изотопа была равна п 0 , то п (0) = = п 0 . «Угадаем» решение уравнения (3):

п (t ) = п 0 е – l t . (4)

Проверим, подставив выражение (4) в уравнение (3):

л.ч.: (п 0 е – l t )¢ = п 0 е – l t (–l);

п.ч.: –lп 0 е – l t .

Очевидно, что левая часть тождественно равна правой, кроме того, выполняется и начальное условие:

п (0) = п 0 е – l × 0 = п 0 е 0 = п 0 ×1 = п 0 .

Итак, мы получили закон радиоволнового распада:

п (t ) = п 0 е – l t . (25.1)

Величину l называют постоянной радиоактивного распада .

Период полураспада

При изучении радиоактивного распада вместо постоянной распада как характеристики скорости процесса часто пользуются другой величиной – периодом полураспада .

Период полураспада Т – это время, в течение которого распадается половина первоначального количества данного радиоактивного изотопа. Найдем связь между Т и l.

Воспользуемся тем математическим фактом, что для любого числа а справедливо равенство .

В самом деле,

lne a = a lne = a ×1 = a и .

Тогда перепишем формулу (25.1) в виде

Введем обозначение

Если в формулу (25.3) подставить значение t = T , получим

Таким образом, – этот период полураспада данного изотопа.

Надо сказать, что у разных изотопов периоды полураспада могут принимать самые разные значения. Например:

92 U 238 (a-распад): Т = 4,5×10 9 лет;

94 Pu 239 (a-распад): Т = 24400 лет;

89 Ra 236 (a-распад): Т = 1600 лет;

91 Ас 233 (b – -распад): Т = 27 сут.;

90 Th 233 (b – -распад): Т = 22 мин.

Существуют изотопы, у которых период полураспада составляет десятитысячные доли секунды (некоторые изотопы полония 84 Ро).

Задача 25.2. Радиоактивный изотоп углерода в старом куске дерева составляет 0,0416 массы этого изотопа в живых растениях. Каков возраст этого куска дерева? Период полураспада изотопа равен 5570 годам.

то масса изменяется по такому же закону, что и концентрация

m (t ) = m 0 . (1)

Выразим из уравнения (1) неизвестную t .

Земля и ее атмосфера постоянно подвергаются радиоактивной бомбардировке потоками элементарных частиц из межзвездного пространства. Проникая в верхние слои атмосферы, частицы расщепляют находящиеся там атомы, способствуя высвобождению протонов и нейтронов, а также более крупных атомных структур. Содержащиеся в воздухе атомы азота поглощают нейтроны и высвобождают протоны. Эти атомы имеют, как и прежде, массу 14, но обладают меньшим положительным зарядом; теперь их заряд равен шести. Таким образом исходный атом азота превращается в радиоактивный изотоп углерода:

где n, N, С и р означают соответственно нейтрон, азот, углерод и протон.

Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью ок. 2,4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изменения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины.

Поскольку углерод-14 радиоактивен, он нестабилен и постепенно превращается в атомы азота-14, из которых образовался; в процессе такого превращения он выделяет электрон – отрицательную частицу, что и позволяет зафиксировать сам этот процесс.

Образование атомов радиоуглерода под воздействием космических лучей обычно происходит в верхних слоях атмосферы на высотах от 8 до 18 км. Подобно обычному углероду, радиоуглерод окисляется в воздухе, и при этом образуется радиоактивный диоксид (углекислый газ). Под воздействием ветра атмосфера постоянно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Однако относительное содержание радиоуглерода 14 C в атмосфере остается чрезвычайно малым – ок. 1,2ґ10 –12 г на один грамм обычного углерода 12 С.

Радиоуглерод в живых организмах.

Все растительные и животные ткани содержат углерод. Растения получают его из атмосферы, а поскольку животные поедают растения, в их организмы в опосредованной форме тоже попадает диоксид углерода. Таким образом, космические лучи являются источником радиоактивности всех живых организмов.

Смерть лишает живую материю способности поглощать радиоуглерод. В мертвых органических тканях происходят внутренние изменения, включая и распад атомов радиоуглерода. В ходе этого процесса за 5730 лет половина исходного числа нуклидов 14 C превращаются в атомы 14 N. Этот интервал времени называют периодом полураспада 14 С. Спустя еще один период полураспада содержание нуклидов 14 С составляет всего 1/4 их исходного числа, по истечении следующего периода полураспада – 1/8 и т.д. В итоге содержание изотопа 14 C в образце можно сопоставить с кривой радиоактивного распада и таким образом установить промежуток времени, истекший с момента гибели организма (его выключения из кругооборота углерода). Однако для такого определения абсолютного возраста образца необходимо допустить, что начальное содержание 14 С в организмах на протяжении последних 50 000 лет (ресурс радиоуглеродного датирования) не претерпевало изменений. На самом деле образование 14 С под воздействием космических лучей и его поглощение организмами несколько менялось. В результате измерение содержания изотопа 14 С в образце дает лишь приблизительную дату. Чтобы учесть влияние изменений начального содержания 14 С, можно использовать данные дендрохронологии о содержании 14 C в древесных кольцах.

Метод радиоуглеродного датирования был предложен У.Либби (1950). К 1960 датирование по радиоуглероду получило всеобщее признание, радиоуглеродные лаборатории были созданы по всему миру, а Либби был удостоен Нобелевской премии по химии.

Метод.

Образец, предназначаемый для радиоуглеродного анализа, следует брать с помощью абсолютно чистых инструментов и хранить в сухом виде в стерильном полиэтиленовом пакете. Необходима точная информация о месте и условиях отбора.

Идеальный образец древесины, древесного угля или ткани должен весить примерно 30 г. Для раковин желательна масса 50 г, а для костей – 500 г (новейшие методики позволяют, впрочем, определять возраст и по гораздо меньшим навескам). Каждый образец необходимо тщательно очистить от более древних и более молодых углеродсодержащих загрязнений, например, от корней выросших позже растений или от обломков древних карбонатных пород. За предварительной очисткой образца следует его химическая обработка в лаборатории. Для удаления инородных углеродсодержащих минералов и растворимых органических веществ, которые могли проникнуть внутрь образца, используют кислотный или щелочной раствор. После этого органические образцы сжигают, раковины растворяют в кислоте. Обе эти процедуры приводят к выделению газообразного диоксида углерода. В нем содержится весь углерод очищенного образца, и его иногда превращают в другое вещество, пригодное для радиоуглеродного анализа.

Традиционный метод требует гораздо менее громоздкого оборудования. Сначала применяли счетчик, определяющий состав газа и по принципу работы сходный со счетчиком Гейгера. Счетчик наполняли углекислым или иным газом (метаном либо ацетиленом), полученным из образца. Любой радиоактивный распад, происходящий внутри прибора, вызывает слабый электрический импульс. Энергия радиационного фона окружающей среды обычно колеблется в широких пределах, в отличие от радиации, вызванной распадом 14 С, энергия которого, как правило, близка к нижней границе фонового спектра. Весьма нежелательное соотношение фоновых величин и данных по 14 С можно улучшить путем изоляции счетчика от внешней радиации. С этой целью счетчик закрывают экранами из железа или высокочистого свинца толщиной в несколько сантиметров. Кроме того, стенки самого счетчика экранируют расположенными вплотную один к другому счетчиками Гейгера, которые, задерживая все космическое излучение, примерно на 0,0001 секунды дезактивируют и сам счетчик, содержащий образец. Метод экранирования сводит фоновый сигнал до нескольких распадов в минуту (образец древесины массой 3 г, относящийся к 18 в., дает ~40 случаев распада 14 С в минуту), что позволяет датировать довольно древние образцы.

Примерно с 1965 широкое распространение в датировании получил метод жидкостной сцинтилляции. При его использовании полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость, которую можно хранить и исследовать в небольшом стеклянном сосуде. В жидкость добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, – которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радионуклидов 14 С. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, поскольку он послан лишь одной трубкой. Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются очень низким, почти нулевым, фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 000 лет.

Сцинтилляционный метод требует тщательной подготовки образцов, поскольку углерод должен быть превращен в бензол. Процесс начинается с реакции между диоксидом углерода и расплавленным литием, в результате которой образуется карбид лития. В карбид понемногу добавляют воду, и он растворяется, выделяя ацетилен. Этот газ, содержащий весь углерод образца, под действием катализатора превращается в прозрачную жидкость – бензол. Следующая цепочка химических формул показывает, как углерод в этом процессе переходит из одного соединения в другое:

Все определения возраста, полученные на основе лабораторного измерения содержания 14 С, называют радиоуглеродными датами. Они приводятся в количестве лет до наших дней (ВР), а за момент отсчета принимается круглая современная дата (1950 или 2000). Радиоуглеродные даты всегда приводят с указанием возможной статистической ошибки (например, 1760 ± 40 до ВР).

Применение.

Обычно для установления возраста события применяют несколько методов, особенно если речь идет о сравнительно недавнем событии. Возраст крупного, хорошо сохранившегося образца может быть установлен с точностью до десяти лет, но для неоднократного анализа образца требуется несколько суток. Обычно результат получают с точностью 1% от определяемого возраста.

Значение радиоуглеродного датирования особенно возрастает в случае отсутствия каких-либо исторических данных. В Европе, Африке и Азии ранние следы первобытного человека выходят за пределы времени, поддающегося радиоуглеродному датированию, т.е. оказываются старше 50 000 лет. Однако в рамки радиоуглеродного датирования попадают начальные этапы организации общества и первые постоянные поселения, а также возникновение древнейших городов и государств.

Радиоуглеродное датирование оказалось особенно успешным при разработке хронологической шкалы многих древних культур. Благодаря этому теперь возможно сравнивать ход развития культур и общества и устанавливать, какие группы людей первыми освоили те или иные орудия труда, создали новый тип поселений либо проложили новый торговый путь.

Определение возраста по радиоуглероду приобрело универсальный характер. После образования в верхних слоях атмосферы радионуклиды 14 С проникают в разные среды. Воздушные потоки и турбулентность в нижних слоях атмосферы обеспечивают глобальное распространение радиоуглерода. Проходя в воздушных потоках над океаном, 14 С попадает сначала в поверхностный слой воды, а затем проникает и в глубинные слои. Над материками дождь и снег приносят 14 С на земную поверхность, где он постепенно накапливается в реках и озерах, а также в ледниках, где может сохраняться на протяжении тысячелетий. Изучение концентрации радиоуглерода в этих средах пополняет наши знания о кругообороте воды в Мировом океане и о климате прошлых эпох, включая последний ледниковый период. Радиоуглеродный анализ остатков деревьев, поваленных наступавшим ледником, показал, что самый последний холодный период на Земле завершился примерно 11 000 лет назад.

Растения ежегодно усваивают диоксид углерода из атмосферы в период вегетации, и изотопы 12 С, 13 С и 14 С присутствуют в клетках растений примерно в той же пропорции, в какой они представлены в атмосфере. Атомы 12 С и 13 С содержатся в атмосфере в почти постоянной пропорции, но количество изотопа 14 С колеблется в зависимости от интенсивности его образования. Слои годового прироста, называемые древесными кольцами, отражают эти различия. Непрерывная последовательность годовых колец одного дерева может охватывать 500 лет у дуба и более 2000 лет у секвойи и остистой сосны. В аридных горных районах на северо-западе США и в торфяных болотах Ирландии и Германии были обнаружены горизонты со стволами мертвых деревьев разных возрастов. Эти находки позволяют объединить сведения о колебаниях концентрации 14 С в атмосфере на протяжении почти 10 000 лет. Правильность определения возраста образцов в ходе лабораторных исследований зависит от знания концентрации 14 С во время жизни организма. Для последних 10 000 лет такие данные собраны и обычно представляются в виде калибровочной кривой, показывающей разницу между уровнем атмосферного 14 С в 1950 и в прошлом. Расхождение между радиоуглеродной и калиброванной датами не превышает ±150 лет для интервала между 1950 н.э. и 500 до н.э. Для более древних времен это расхождение увеличивается и при радиоуглеродном возрасте в 6000 лет достигает 800 лет. См. также АРХЕОЛОГИЯ

Природа,1992, № 12, стр. 59-65.

Радиоактивный углерод

И.Я.Василенко, В.А.Осипов, В.П.Рублевский

Иван Яковлевич Василенко, доктор медицинских наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, ведущий научный сотрудник Института биофизики Минздрава Российское Федерации. Область научных интересов - токсикология продуктов ядерного деления, радиационная гигиена.

Вячеслав Александрович Осипов, кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник того же института, специалист по токсикологии. Занимается исследованием кинетики обмена и биологической эффективности радионуклидов в организме млеко-питающих.

Владимир Петрович Рублевский, кандидат технических наук, старший научный сотрудник того же института. Основные научные интересы связаны с экологией, охраной окружающей среды и радиационной безопасностью ядерной энергетики.

ИЗ ВСЕХ природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль - он составляет структурную основу органических соединений, в том числе тех, которые входят в состав живых организмов.

Природный углерод - это смесь двух стабильных изотопов: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108 %). Из четырех радиоактивных изотопов (10 С, 11 С, 14 С и 15 С) только долгоживущмй углерод-14 (период полураспада 5730 лет) представляет практический интерес, поскольку участвует в круговороте углерода биосферы. Этот чистый низкоэнергетический вета-излучатель с максимальной энергией частиц 156 кэВ относится к числу глобальных радионуклидов. Образуется он как в естественных, так и в искусственных условиях в результате нескольких ядерных реакций. Повышение концентрации антропогенного 14 С во внешней среде, а его источники - ядерные взрывы и выбросы предприятий ядерной энергетики) представляет большую гигиеническую и экологическую проблему.

ИСТОЧНИКИ РАДИОУГЛЕРОДА

Природный нуклид образуется главным образом при взаимодействии вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции 14 N (n, р) 14 С. Роль других реакций - 15 N (n, a) 14 С; 16 О (р, Зр) 14 С; 17 О (n,а) 14 С; 13 C (n.у) 14 С - в образовании природного углерода-14 незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов.

Средняя интенсивность образования этого нуклида в атмосфере (в основном в стратосфере) равна 2,28 атом/с на 1 см2 земной поверхности, что составляет 9,7 x 10 \23 атом/сут. По массе это примерно 22,5 г/сут, а по активности-около 2,8 ТБк/сут или 1 ПБк/год. Среднее содержание природного нуклида в атмосфере и биосфере остается постоянным: 227 ± 1 Бк/кг углерода.

Антрогюгеиный углерод-14 образуется в основном подобно природному, т.е. нейтроны (возникающие в большом количестве при взрыве ядерных бомб) поглощаются ядрами азота-14. Количество нуклида зависит от типа бомбы (атомная или термоядерная), ее конструкции (используемые материалы) и мощности (плотность потока нейтронов). Величина выхода 14 С при взрывах по реакции синтеза принята равной 0,65 ПБк/Мт, по реакции деления - почти в пять раз меньше (0,12 ПБк/Мт). Подсчитано, что со времени взрыва первой атомной бомбы в 1945 г. до 1980 г. образовалось 249,2 ПБк углерода-14 (табл. 1).

С 1981 г. испытания ядерного оружия в атмосфере прекратились, и предприятия ядерно-топливного цикла оказались единственным мощным источником антропоген-ного нуклида, способным заметно влиять на повышение его концентрации в атмосфере и биосфере Земли. Этот нуклид образуется в активной зоне атомных реакторов любого типа, где существуют мощные потоки нейтронов, которые взаимодействуют с материалами конструкций реактора, с веществом теплоносителя, замедлителя, топлива и имеющимися в них примесями: 14 N (п, р) 14 С; 17 O (n.a) 14 С; 13 C (n.y) 14 С; 235 U (n.f) 14 C (тройное деление урана-235 в топливе).

В зависимости от типа и особенностей конструкции реактора вклад каждой из этих реакций в образование нуклида может меняться очень значительно. Согласно расчетам, его удельный выход при облучении тепловыми нейтронами некоторых веществ, применяемых в качестве замедлителя или теплоносителя по реакции (n,р), в газообразном азоте и воздухе примерно на четыре порядка выше, чем по реакции (n,а) в воде, углекислом газе или кислороде воздуха благодаря большому сечению взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами азота (а = 1750 мбарн) и его высокому содержанию в воздухе (78%). Выход 14С по реакции (n,у) в графите, детолилметане, газойле и терфениле еще на порядок ниже, чем по реакции (n, а).

Скорость образования углерода-14 в топливе зависит главным образом от концентрации примеси азота: при обычном его содержании (0,001-0,002%) скорость составляет примерно 0,4-2,5 ТБк/(ГВт/год), а в воде теплоносителя-замедлителя находится в пределах 0,2-0,5 ТБк/(ГВтэ/год) .

В действующих АЭС бывшего СССР используются в основном водо-водяные реакторы (ВВЭР-440 и ВВЭР-1000), водо-графит-ные (РБМК-1000 и РБМК-1500) и реакторы на быстрых нейтронах (БН-350 и БН-600). Первые и третьи реакторы аналогичны соответствующим типам зарубежных реакторов (PWR и PBR) по скорости генерации 14 С и его выходу в окружающую среду.

Реакторы РБМК с кипящей водой под давлением в качестве теплоносителя и графитом в качестве замедлителя не имеют аналогов в зарубежной практике реакторостроения. Их основная особенность - наличие большого количества азота в активной зоне, используемого в смеси с гелием для охлаждения замедлителя, и большой массы углерода самого замедлителя. Это приводит к большей скорости генерации 14 С до величины 2- 3 ТБк/ (ГВтэ/год), что примерно на порядок больше, чем в реакторах типа ВВЭР .

Углерод-14, образующийся в теплоносителе и замедлителе, частично или полностью выбрасывается в окружающую среду в виде газоаэрозолей, а из топлива реакторов - с радиоактивными отходами заводов по его переработке (регенерации).

МИГРАЦИЯ ВО ВНЕШНЕЙ СРЕДЕ

Радиоуглерод высоко подвижен. С мест выбросов в результате атмосферных процессов нуклид переносится на большие расстояния и, окисляясь до 14 СО2, вступает в естественный круговорот углерода.

Известно, что весь земной углерод сосредоточен в двух бассейнах - «осадочном» и «обменном». Углерод первого бассейна (органический и неорганический углерод осадочных пород, уголь, нефть и другие ископаемые) практически не участвует в естественных обменных процессах, он вступает в круговорот только после сжигания органического топлива. Углерод второго бассейна, в котором находится около 0,17% всего земного количества углерода, причем более 90% его - в глубинных водах Мирового океана, участвует в круговороте отдельными его резервуарами: атмосферой, биосферой, гидросферой и др.

Модель глобальной циркуляции углерода-14, поступающего в атмосферу с выбросами предприятий ядерно-топливного цикла (1) и со сбросами (2). Коэффициенты обмена приведены в отн. ед./год.

Круговорот углерода в природе состоит как бы из двух циклов, проходящих параллельно в наземной и морской частях биосферы и связанных атмосферой. Из множества моделей, описывающих поведение углерода в «обменном» бассейне, НКДАР использует для расчетов 8-резервуарную, в которой учитываются все основные процессы, проходящие в природном цикле углерода Земли.

Скорость обмена углерода между резервуарами «обменного» бассейна различна: среднее время пребывания молекулы CO2 в атмосфере до ее перехода в воду океана составляет несколько лет, из его глубин в атмосферу - до нескольких сотен лет, а из осадочных пород в атмосферу даже несколько миллионов лет. Таким образом, осадочные породы являются как бы «могильником» радиоуглерода (естественного и искусственного), в котором он практически распадается и выходит из природного круговорота.

КИНЕТИКА ОБМЕНА

Окисленный во внешней среде, до 14 СО2 углерод-14 за счет фотосинтеза накапливается в растениях (в незначительных количествах поглощается и из почвы), а затем по пищевым цепочкам поступает животным и человеку. Коэффициент перехода в цепочке «атмосферный углерод - углерод растений» равен единице, а равновесие устанавливается в течение двух-трех месяцев За время интенсивных испытаний ядерного оружия (1963-1964 гг.) содержание 14 C в растительных продуктах, молоке, мясе повысилось примерно в два раза по сравнению с природным фоном. Заметим, период полуочищения продуктов питания составляет около шести лет .

В организм человека радиоуглерод поступает в форме различных органических и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и жиров. Аэрогенное поступление незначительно - лишь 1% от пищевого. Чтобы понять, какое действие оказывает на организм. 14 C, поступающий в виде органических и неорганических соединений, мы в опытах на крысах исследовали кинетику обмена. Выяснилось, что обмен неорганических соединений (На2 14 СОз, NaH 14 CO3, К2 14 СОз) характеризуется высокой интенсивностью; радиоуглерод обнаруживается в крови животных уже с первых минут поступления в организм, через 15 мин. его содержание достигает максимума - нескольких процентов от введенного количества. Образуя в крови непрочные бикарбонатмые соединения, радиоуглерод быстро выводится. В органах и тканях накапливается лишь незначительная часть введенного количества нуклида, причем распределяется он достаточно равномерно: вначале - в печени, почках, селезенке, а затем - в скелетной и жировой ткани. При длительном поступлении активность нуклида медленно накапливается - от 1,7% на вторые сутки до 7,7 на 32-е от ежедневно вводимого количества Na2 14 CO3. Можно считать, что к концу месяца опытов устанавливается равновесное состояние между поступлением нуклида и его содержанием в организме крыс, при этом кратность накопления примерно равна 0,07.

В экспериментах по изучению обмена 14 C в форме органических соединений мы использовали содержащие нуклид глюкозу, янтарную кислоту, глицин, валин, трипто-фан, глицерин, пальмитиновую и стеариновую кислоты, метиловый и этиловый спирты, т. е. соединения, входящие в состав важнейших классов: углеводов, белков, жиров и спиртов. Поступив в организм, высокомолекулярные соединения расщепляются до низкомолекулярных, углерод которых в конце концов окисляется до углекислоты. Одновременно синтезируются аминокислоты, жирные кислоты, гексозы и другие важные метаболиты, используемые организмом как энергетический и пластический материал. Таким образом, радионуклид проникает во все структуры и ткани живых организмов.

Динамика его накопления при хроническом поступлении в виде органических соединений зависит от формы соединения. Равновесное содержание 14 С-глюкозы наступает к концу третьего месяца (кратность накопления равна трем), 14 С-глицина и 14 С-пальмитиновой кислоты - к концу четвертого (кратность накопления соответственно 12 и 13) .

Скорость выведения из организма нуклида органических соединений в определенной мере тоже зависит от их класса: нуклид углеводов выводится интенсивнее, чем поступивший в форме аминокислот и жирных кислот, а введенный в составе спиртов задерживается дольше «углеводного», Со временем скорость выведения постепенно замедляется, видимо за счет того, что поступивший в организм нуклид используется как пластический материал. Радиоуглерод выводится в основном через органы дыхания, значительно меньше - через почки и кишечник, причем соотношение тоже зависит от формы соединения.

Известно, что конечные метаболиты углеводов, жиров и спиртов - углекислота и вода, а белков - еще и мочевина, мочевая кислота, креатинин (последние и выводятся из организма почками и кишечником). Часть нуклида спиртов выдыхается в неизмененном виде.

Результаты исследований на крысах мы использовали для оценки обмена углерода-14, поступающего в организм человека с пищей. Поскольку в стандартный рацион взрослого человека входит около 500 г углеводов, по 100 г жиров и белков, а доля углерода в них составляет соответственно 50, 75 и 54%, то с пищей мы получаем за день около 70, 20 и 10% углерода.

Если учесть, что кратность накопления нуклида, поступающего в составе этих соединений, равна 15, 65 и 60, то в стандартном рационе она окажется равной примерно 31. Это значение близко к кратности накопления у человека стабильного углерода и нуклида естественного происхождения. Наступление равновесного состояния будет определять радиоуглерод, поступающий с жирами и белками, и, памятуя различия в интенсивности обмена у крысы и человека, можно ожидать, что у последнего оно наступит примерно через 1,5 года после начала поступления нуклида в организм .

Таким образом, обмен радиоуглерода зависит от формы его соединения, что сказывается на величинах формируемых доз внутреннего облучения (табл. 2). Поглощенные дозы содержащих его органических веществ с момента поступления в организм до образования конечных метаболитов не одинаковы: в силу различий их метаболизма, но в среднем они в десятки-сотни раз больше, чем неорганических. Особенности метаболизма различных соединений радиоуглерода сказываются и на их токсичности.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

Эффект облучения, как известно, зависит от величины поглощенной, дозы, ее мощности, объема облучаемых тканей и органов и вида излучения. В основе повреждающего действия лежит комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов - ионизация и возбуждение атомов и молекул дают начало образованию высокоактивных радикалов, вступающих во взаимодействие с различными биологическими структурами клеток. Важноe значение имеет внутри- и межмолекулярная передача энергии возбуждения, а также возможные разрывы связей в молекулах за счет непосредственного действия радиации. Физико-химические процессы, протекающие на начальном этапе, принято считать первичными, пусковыми. В последующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении функций органов и их систем.

Особую опасность представляют радионуклиды, которые, накапливаясь в органах и тканях, становятся источником длительного внутреннего облучения. Характер его зависит от физико-химических свойств радионуклидов, среди них особое место, как отмечено, занимает углерод-14, поскольку является изотопом основного биогенного элемента. Биологическое действие его связывают не только с радиационными, но и трансмутационными эффектами, которые возникают при превращении атомов 14 С в атомы 14 N в результате (бета-распада. Особую опасность эти процессы могут приобрести при включении радиоуглерсда в ДНК и РНК половых клеток, так как даже единичные акты его распада ведут к неустранимым организмом точковым мутациям.

Многие специалисты считают, что биологическая эффективность нуклида за счет трансмутационного действия должна существенно повыситься. Но результаты экспериментов оказались противоречивыми. Значение относительной биологической эффективности 14 C, установленное разными исследователями7 по показателям генных мутаций (фаг, дрожжи, дрозофила), хромосомных аберраций (корешки лука и проростки бобов) и репродуктивной гибели клеток (культура ткани и бактерии), колеблется от 1 до 20. Видимо, это связано с разными условиями опытов, разнообразием тестов и условий облучения. Материалы исследований на теплокровных животных нам неизвестны.

Мы изучали биологическое действие остропоражающих доз радиоуглеродв на мышей, используя органические соединения, которые могут моделировать поступление нуклида в составе белков (14 С-глицин), жиров (14 С-стеариновая кислота), а также 14 С-янтарную кислоту, соединение, образующееся в организме в результате окисления углеводов, белков и жиров (т. е. всех основных пищевых продуктов) и их взаимных превращений в клетках. Состояние животных оценивали по клиническим, гематологическим, физиологическим, биохимическим, иммунологическим и патологоанатомическим показателям.

Облучение животных было длительным, относительно равномерным. Различие в поглощенных дозах (их оценивали по данным специальных радиометрических исследований) в органах и тканях, за исключением жировой, дозы облучения которой были выше среднетканевых примерно в два-три раза, не превышало 1,5. К концу первого месяца дозы формировались примерно на 50%, а в течение трех-шести месяцев (в зависимости от соединения) - на 90%. Отмеченные особенности облучения имеют принципиальное значение в оценке биологической эффективности радиоуглерода, который характеризуется сравнительно невысокой радиотоксичностью, определяемой формой соединения. Для глицина доза, вызывающая гибель 50% животных за 30 сут (СД 50/30), равна 6,3 МБк/г массы тела. К моменту гибели 50% мышей (средняя продолжительность жизни 17,5 ± ± 1,5 сут) cреднетканевая доза составила 8-1 Гр при мощности 0,08-0,02 сГр/мин. Тяжелые радиационные поражения мышей со смертельным исходом в течение первого месяца при введении 14 С-стеариновой кислоты (2,2 МБк/г) связаны с тем, что на единицу введенной активности формируются более высокие дозы внутреннего облучения.

Па результатам исследований биологического действия 14 С-глицина, с учетом особенностей метаболизма и формируемых величин поглощенных доз на единицу введенной активности, мы оценили токсичность и других соединений радиоуглерода. Оказалось, что токсичность 14 С-карбоната и бикарбоната натрия в 130 раз ниже, чем 14 С-глицина, 14 С-карбонатов калия и кальция - соответственно в 85 и 30 раз, 14 С-глю-козы, 14 С-глюкозамина и 14 С-янтарной кислоты - примерно в четыре-раза, 14 С-валина, 14 С-этилового и 14 С-метилового спиртов - почти такая же, как токсичность 14 С-глицина, а 14 С-триптофана, и 14 С-пальмитиновой кислоты - примерно в четыре-пять раз выше. Учитывая содержание углеводов, белков и жиров в суточном рационе, мышей, мы рассчитали, что доза нуклида, вызывающая гибель 50% животных за 30 сут, приблизительно равна 15 МБк/г массы тела.

Содержание радиоуглерода в организме крыс при однократном введении в форме: 14 С-бикарбоната натрия (1), 14 С-карбонатов натрия (2), калия (3); и кальция (4); 14 С-янтарной кислоты (5), 14 С-глюкозамина (6), 14 С-глюкозы (7), 14 С-этилового (8) и метилового (9) спиртов, 14 С-валина (10), 14 С-глицерина (11), 14 С-стеариновой кислоты (12), 14 С-глицина (13), 14 C-триптофана (14) и 14 С-пальмитиновои кислоты (15).

В клиническом течении острых поражений нуклидом, поступающим с пищей, не было существенных отличий от лучевой болезни, вызванной внешним гамма-облучением, так же выделялись известные периоды: скрытый, выраженных проявлений болезни и восстановительный (выздоровление или переход болезни в хроническую форму). Изменения показателей крови, по которым обычно судят о тяжести болезни, были типичными, нарушение обмена проявлялось в ожирении животных, отчетливо фиксировалось бластомогенное (опухолеродное) действие нуклида. При остром поражении они резко теряли свою массу и погибали на фоне глубокой лейкопении (низком содержании лейкоцитов в периферической крови). Тяжелые и средней тяжести поражения перешли в хроническую форму, медленно восстанавливались показатели крови. Выздоровление крайне затянулось. Продолжительность жизни (в зависимости от тяжести поражения) была существенно ниже, чем у контрольных мышей.

Концепция беспорогового действия ионизирующей радиации поставила проблему малых доз. Опасность доз на уровне естественного облучения связывают в основном с индуцированием мутаций (их число определяется величиной поглощенной дозы) в соматических: » половых клетках. Мутации в соматических клетках приводят к росту злокачественных новообразований и другим нарушениям, в половых-к снижению воспроизводительной функции, отклонению нормального развития и наследственным болезням. При воздействии малых доз возможны медленно развивающиеся нарушения с широким индивидуальным разбросом, зависящим от исходного состояния организма и его наследственных особенностей.

Биологическое действие малых доз углерода-14 в условиях хронического поступления мы исследовали в опытах на крысах. Животные восьми групп получали его ежедневно с питьевой водой в форме 14С-глюкозы в течение всей жизни в количестве 92,5; 18,3; 13; 1,9; 1,3; 0,2; 0,1 и 0,01 кБк/г массы тела. Среднетканевые поглощенные дозы составили соответственно 233; 47; 11,5; 1; 0,5; 0,1 и 0,01 мГр в год. Состояние крыс оценивалось клиническими, гематологическими, физиологическими, биохимическими, иммунологически-ми и морфологическими показателями.

В начальный период состояние подопытных и контрольных животных существенно не отличалось, но в последующем выявились функциональные изменения, которые можно оценить как реакцию на облучение. И в конце опытов (в основном в трех первых группах) обнаружилась морфологическая патология в легких, почках и печени, снизилась воспроизводительная функция. Видимо, в начальный период организму удается компенсировать нарушения, но затем, по мере накопления радиационных повреждений сказывается недостаточность механизмов репарации и адаптивных реакций. В результате снижаются устойчивость организма к другим неблагоприятным факторам внешней среды и продолжительность жизни.

Состояние крыс, облученных меньшими дозами (четвертая - восьмая группы), оставалось без существенных изменений в течение всего опыта, хотя и проявлялась тенденция к более раннему появлению опухолей молочных желез по сравнению с контрольными животными. Количественные различия, однако, оказались статистически недостоверными.

Генетические эффекты действия радиоуглерода мы изучали (совместно с сотрудниками Института общей генетики РАН В.А. Шевченко, М.Д. Померанцевой и Л.К. Рамайя) на разных стадиях сперматогенеза у мышей при однократном, длительном и хроническом введении самцам 14 С-глюкозы. Через три месяца после однократного введения нуклида дозы облучения составили 0,22; 0,5; и 1,01 Гр, при длительном-0,74 и 1,47 (к концу опыта) и хроническом - 0,066 и 0,013 Гр/год.

Мы сопоставили частоту доминантных летальных мутаций в пост- и премейотических половых клетках, частоту реципрок-ных транслокаций (обмена двумя участками между гомологическими хромосомами) в сперматогониях и частоту встречаемости аномальных головок спермиев с этими же показателями при действии внешнего гамма-излучения. Выяснилось, что относительная генетическая эффективность радиоуглерода составляет примерно 1-2, причем трансмутационные последствия не выявляются - видимо, 14 С-глюкоза не проникает в ДНК половых клеток. Наши выводы вряд ли следует считать окончательными, радиационное действие на живой организм требует множества специальных исследований.

Итак, мы имеем некоторые экспериментальные результаты по действию разных доз радиоуглерода на животных. Можно ли на основании этого оценить соматические и генетические последствия в человеческой популяции при повышении концентрации нуклида? Мы попытались сделать это (табл. 3), приняв во внимание, что при происходящем глобальном загрязнении окружающей среды радиоуглеродом устанавливается равновесие в цепи «атмосфера - продукты питания - человек» с коэффициентом дискриминации во всей цепочке, равным 1 ;

ядерные испытания в атмосфере прекращены;

существует беспороговое линейное соотношение доза/эффект.

При генетической эффективности нуклида, равной 1 (без трансмутаций), можно ожидать, что число онкогенных заболеваний со смертельным исходом в популяции из 10 6 человек и среди 10 6 новорожденных при облучении в дозе 10 6 чел.-Гр составит 124 и 40 случаев соответственно. Для сравнения отметим: смертность от новообразований различной этиологии и локализации (без учета действия ионизирующего облучения) достигает 1500-2000 случаев в год в такой же популяции людей, а естественная частота генетических нарушений - 60 тыс. случаев на 10 млн. детей, причем 16 тыс. - тяжелые дефекты.

Итак, воздействию глобального радионуклида - углерода-14 - подвергаются все представители растительного и животного мира. Не исключено, что в экосистемах существуют менее устойчивые объекты, чем человек, потому повышение концентрации радиоуглерода во внешней среде представляет не только гигиеническую, но и экологическую проблему... Отсутствие явного генетического груза как результата облучения естественным радиоуглеродом, видимо, связано с выработкой в ходе эволюции защитных механизмов, которые устраняют мутационные повреждения на разных стадиях развития организмов. Но с увеличением доз облучения эти механизмы могут оказаться недостаточно эффективными.

1. Былкин Б. К., Рублевский В.П., Хрулев А. А, Т и щ е н к о В. А. // Атом. техника за рубежом. 1988. № 1. С. 17-20. 2. Рублевский В. П., Голенецкий С, П., К и р д и н Г. С. Радиоактивный углерод в биосфере. М., 1979.

3. Б о л и н Б. Круговорот углерода // Биосфера. М., 1982. С. 91--104.

4. Broeker W. S., WaHon A.//Science. 1959. V. 130. N 3371. P. 309-314.

5. Василенко И. Я., Бугры шее П. Ф., Истомина А. Г., Т у р о в а В. И. // Журн. гигиены, эпидемиологии, микробиологии и иммунологии (Прага). 1982. Вып. 26. № 1. С. 18-27.

6. В а с и л е н к о И. Я., О с и 11 о в В. А., Л я г и н-с к а я А. М. и др. Кинетика обмена и биологическое действие радиоактивного углерода (^С). Пре-принт ЦНИИатоминформ-ОН-4-88. М., 1988. С. 28-29.

7. См., например; Кузин А. М., Исаев Б. М., Хвостов а Б. М. и др. Эффективность биологического действия ^С при его включении в живые структуры // Радиационная генетика. М., 1962. С.267- 273; Кузин А. М., Глембоцкий Я. Л., Л в п к и н Ю. А.//Радиобиология. 1964. Т. 4. № 6. С. 804-809; Александров С. Н., П о п о в Д. К., Стрельникова Н. К.//Гигиена и санитария. 1971. № 3. С. 63-66; Apelgot S. Effect lйtal de la dйsintйgration d"atomes radioacfivs [ "H, "C, "Pi incorpores dons Lactous//Biological effects of transmutation and decay of incorporated radioiiotops. Vienna, 1968. P. 147-163.

Возможно, будет полезно почитать: