В далеком 1898 году, в сумрачной парижской лаборатории, молодая Мари Склодовская-Кюри вместе со своим мужем Пьером совершила открытие, которое навсегда изменило наше понимание материи и энергии. Среди тонн урановой руды, известной как уранинит, они выделили элемент, который светился зловещим голубоватым сиянием и излучал энергию, казалось, из ниоткуда. Они назвали его радием, от латинского radius — «луч». Мир был очарован, но истинное величие и опасность этого элемента открывались постепенно.
Радий знаменит прежде всего своей ошеломляющей радиоактивностью: он по праву считается одним из самых радиоактивных долгоживущих веществ на свете, при этом уровень облучения от всего лишь одного грамма радия сопоставим с тем, что исходит от целой тонны урана. Однако его уникальность не ограничивается только мощностью излучения. Еще первооткрыватели, Пьер и Мария Кюри, заметили необычное явление: если образец радия держать в герметично закрытом сосуде, его радиоактивность со временем не ослабевает, а, напротив, многократно возрастает.
Причина этого удивительного феномена, как позже объяснил британский физик Эрнест Резерфорд, кроется в природе радиоактивного распада. Радий, распадаясь, порождает целую цепочку из короткоживущих изотопов самых разных химических элементов, каждый из которых тоже радиоактивен. Например, самый долгоживущий изотоп радия, радий-226 с периодом полураспада в 1600 лет, распадается следующим образом: сначала образуется радон-222 с периодом полураспада 3,8 суток, затем полоний-218 (3,1 минуты), свинец-214 (26,8 минуты), висмут-214 (19,9 минуты), полоний-214 (164 микросекунды), после чего цепочка продолжается свинцом-210 (22,3 года), висмутом-210 (5 суток), полонием-210 (138 суток) и, наконец, заканчивается стабильным изотопом свинца-206.
Как видно, первым в этой сложной цепочке стоит радон — радиоактивный газ. Если он не улетучится, то в замкнутом объеме разнообразие радиоактивных веществ и их совокупная активность возрастают многократно. Благодаря этим продуктам распада радий в конечном итоге становится универсальным излучателем: он испускает и гамма-лучи, и альфа-частицы, и бета-электроны, что делает его крайне опасным для живых организмов.
В природе радий не берется из ниоткуда; он является продуктом распада более тяжелых радиоактивных элементов, таких как уран и торий. Так, уран-238 в своей цепочке распада дает долгоживущий радий-226, уран-235 — радий-223 с периодом полураспада 11,4 суток, а торий-232 — радий-228 (5,75 лет) и радий-224 (3,7 суток). Именно поэтому радий всегда встречается в минералах, содержащих уран и торий.
В то же время, обладая прекрасной растворимостью в воде, радий способен вымываться из этих руд и мигрировать в водные системы. Накапливаясь в некоторых организмах, он может обогащать ископаемые углеводороды. Поскольку извлечение радия из руды — процесс чрезвычайно дорогостоящий и трудоемкий, некоторые его изотопы можно получать искусственным путем с помощью ускорителей частиц. Например, бомбардируя протонами с энергией 800 МэВ мишень из природного тория, получают актиний-225 и радий-223. Последний также образуется в результате распада актиния-227, который используется в актиний-бериллиевых генераторах нейтронов, откуда радий может быть извлечен, а очищенный актиний вновь использован.
Именно огромная радиоактивность радия и стала ключом к его открытию. До его обнаружения было известно, что «урановые лучи», открытые французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, испускают уран и торий. Однако исследование нескольких содержащих их минералов, проведенное супругами Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри, выявило интригующее несоответствие: радиоактивность некоторых образцов значительно отличалась от расчетной. После длительных и кропотливых попыток в 1898 году при помощи французского химика Гюстава Бемона они выделили препарат радия, который оказался в 900 раз активнее урана.
За этим последовала еще более масштабная работа: Мария Склодовская-Кюри вручную переработала несколько тонн отходов, оставшихся от извлечения урана из смоляной руды, добытой в Богемии, в местечке Йохимшталь (уран в те времена использовался стеклодувами для окрашивания богемского стекла). Из одной тонны этих отходов удавалось получить лишь около 0,1 грамма хлорида радия, но его радиоактивность в миллион раз превышала радиоактивность урана, поражая воображение ученых и общественности.
На заре XX века радий воспринимался как панацея, его чудодейственные свойства приписывали всему: от лечения артрита до омоложения кожи. Косметика с радием, шоколад, зубная паста, вода и даже свечи — рынок был наводнен продуктами, обещающими здоровье и вечную молодость благодаря «живительному» излучению. Радий светился сам по себе, и это свойство быстро нашло применение в производстве светящихся красок для часовых циферблатов, приборных панелей и выключателей.
Влияние радия на живые существа оказалось сложным и сильно зависит от дозы. В очень малых дозах радий, подобно некоторым другим радиоактивным элементам, может проявлять стимулирующее действие. Например, при подкормке экспериментальных растений дозой порядка 10-11 грамм радия на литр воды сухой вес урожая увеличивался в два-три раза. Подобные эффекты во время Первой мировой войны привели к мысли, что отходами от переработки руды, содержащими следовые количества радия (а также уран и торий, которые тогда еще не ценились), следует удобрять поля, что и было сделано.
Радий также неизбежно попадает на поля с фосфорными удобрениями, хотя растения забирают из почвы не более 1% радия. В любом случае, если речь не идет о почвах в районах урановых месторождений или буровых установок, концентрации природных радиоактивных элементов в растениях обычно значительно меньше безопасной нормы. Стимулирующее действие радия в малых дозах наблюдалось не только у растений, но и, например, у дрожжей — были идеи использовать его для ускорения спиртового брожения. Обширная литература посвящена также стимулирующему действию радиоактивных радоновых ванн или минеральной воды на человека.
В больших же дозах радий вызывает радиационные ожоги и лучевую болезнь, для которой характерны неврологические нарушения, расстройство кровообращения и кроветворения, инфекционные процессы, симптомы поражения стенок кишечника и кожи. То обстоятельство, что при распаде радия образуется целый спектр сильно радиоактивных веществ, значительно усиливает его негативное действие. Иллюзия безопасности рухнула, когда стало понятно, что радий не просто светится; он испускает альфа-частицы, тяжелые, высокоэнергетичные снаряды, способные разрушать живые ткани.
Его коварство заключалось в удивительном химическом сходстве с кальцием — основным строительным материалом костей. Попадая в организм, радий не выводится, а ошибочно усваивается костной тканью, где он оседает на долгие годы, беспрерывно облучая окружающие клетки. Это постоянное внутреннее бомбардирование вызывает необратимые повреждения ДНК, приводя к саркомам костей, анемии и другим формам онкологических заболеваний. Так, в 1930-х годах мир был потрясен трагедией «радиевых девушек», работниц часовой фабрики США, которые вручную наносили светящуюся краску и часто смачивали кисточки губами. Их героический иск заложил основы современной охраны труда.
Период полураспада самого распространенного изотопа, радия-226, составляет около 1600 лет, что означает, что, попав однажды в среду или живой организм, он будет представлять опасность на протяжении многих человеческих поколений.
Помимо прямого биологического воздействия, радий порождает еще одну угрозу — радон. Радон-222, продукт распада радия, является радиоактивным газом, который поднимается из почвы и горных пород, скапливаясь в плохо вентилируемых помещениях, особенно в подвалах. Именно радон, а не сам радий, считается вторым по значимости источником облучения для человека после медицинских процедур и основной причиной рака легких у некурящих. Его вездесущность, обусловленная естественным присутствием радия в земной коре (который, в свою очередь, является продуктом распада урана), делает его невидимым, но мощным экологическим фактором риска.
Радий в нашем окружении: скрытые источники и риски
Радий может присутствовать в строительных материалах, окружающих нас в повседневной жизни. Строго говоря, основным природным радиоактивным элементом вокруг нас является калий-40 с периодом полураспада 1,3 миллиарда лет. Ему принадлежат двенадцать из каждой тысячи атомов калия. Несмотря на его слабую радиоактивность (на пять порядков ниже, чем у радия), калий вносит основной вклад в естественный фон из-за своего огромного количества. Однако калий и его соли — это твердые вещества.
Радий же при распаде дает радон — газ, который неизбежно просачивается из стен и накапливается в помещениях. Там он превращается в металл полоний, оседает на частицах пыли и продолжает распадаться на другие радиоактивные элементы, облучая помещение. Считается, что безопасную дозу радона, выделяющегося из стен здания, обеспечивает эффективная доза радия порядка 10 Бк/кг (сюда также включается торий, который сопутствует радию и тоже дает радон). Отнюдь не все строительные материалы соответствуют этим требованиям. Недавнее исследование мрамора и гранита, применяемых при строительстве в Египте, показало, что у трети образцов доза радия была более 200 Бк/кг, а у двух — более 300 Бк/кг; доза калия-40 при этом составляла 4–1958 Бк/кг (согласно Radiation Protection Dosimetry, 2012).
Радий неизбежно попадает и на свалки, особенно те, куда выбрасывают авиационные приборы со светящимися циферблатами или оборудование из клиник, где применялись радиоактивные материалы. Он также может оказаться в металлоломе, если такие приборы не были отобраны при сортировке. Тогда на ближайшие тысячелетия (вспомним период полураспада радия-226 в 1600 лет) полученный из такого лома металл станет источником излучения, интенсивность которого будет зависеть от количества попавшего туда радия.
С радием можно столкнуться и в совершенно неожиданных местах. Так, рассказывают, что однажды в Москве появились радиоактивные фонарные столбы: для их изготовления использовали старые трубы с нефтепромыслов. Вода на таких приисках бывает обогащена радием, который оседает на внутренних стенках труб. Вообще, земли в районах добычи нефти и газа, где случаются разливы воды из скважин, всегда имеют повышенную концентрацию природных радиоактивных элементов — радия, урана и тория. Поскольку добыча сланцевого газа и нефти неизбежно ведет к излияниям таких вод в больших количествах, в густонаселенных районах это может привести к неприятным последствиям: доза радия в грунтовых водах и почве легко превысит порог, за которым действие радиации на организмы из стимулирующего становится угнетающим. Все зависит от содержания радия в водах конкретного месторождения.
Для измерения этой невероятной активности в 1910 году Мария Склодовская-Кюри по просьбе коллег изготовила международный радиевый эталон радиоактивности. На его основе были созданы национальные эталоны, переданные во многие страны, а число распадов в секунду, которые дает грамм радия-226, было названо «одним кюри». Важно понимать, что один кюри — это чрезвычайно высокая доза радиации, поэтому для практических целей в качестве единицы измерения была введена гораздо меньшая величина — беккерель, равный одному распаду в секунду. Один кюри эквивалентен 3,7×10^10 беккерелей, и именно в беккерелях сегодня меряют содержание радиоактивных веществ, что позволяет более точно оценивать их присутствие и потенциальную опасность в окружающей среде и различных материалах.
Места бывших урановых рудников, старые промышленные объекты, где обрабатывались радиевые соединения, и даже полигоны с бытовыми отходами, содержащими радиоактивные материалы, становятся очагами загрязнения. Радий, медленно выщелачиваясь из пород и почвы, попадает в грунтовые воды, реки и озера, затем поглощается растениями и животными, проникая в пищевые цепи. Рыба, обитающая в загрязненных водоемах, может накапливать радий в костях и мышцах, а сельскохозяйственные культуры — из зараженной почвы, что потенциально представляет угрозу для человека. Долгосрочное воздействие малых доз радия на экосистемы — тема для непрекращающихся исследований, но уже очевидно, что биоаккумуляция и биомагнификация этого элемента могут приводить к серьезным нарушениям в животном мире, затрагивая репродуктивные функции, вызывая мутации и повышая онкологические риски у самых разных организмов.
Сегодня радий практически не используется в промышленности или медицине из-за своей радиотоксичности, однако он по-прежнему представляет интерес для учёных, изучающих радиоактивные материалы и их влияние на окружающую среду. Ввиду высокой стоимости и опасности радия его заменили более доступные и безопасные радиоактивные изотопы, такие как кобальт-60, используемый в лучевой терапии и стерилизации оборудования, цезий-137, применяемый в промышленных и медицинских приборах, и америций-241, используемый в детекторах дыма.
Добыча радия в чистом виде, как, например, золота или железа, практически прекращена, поскольку он не встречается в дикой природе в чистом виде, а извлекается как побочный продукт при переработке урановых и ториевых руд. Основные его источники связаны с месторождениями урана, поскольку радий образуется, в основном, в результате радиоактивного распада урана-238. Его можно найти в урановых рудах, таких как уранинит (настуран) и карнотит, добываемых в различных странах мира, включая Канаду (например, провинция Саскачеван), Австралию (месторождение Олимпик Дам), Казахстан, Намибию, Россию и США.
Радий также может образовываться в меньших количествах в результате распада тория-232, поэтому следы радия встречаются в ториевых рудах, таких как монацит, добываемых в Индии, Бразилии, Австралии и других странах, где Индия обладает одними из крупнейших запасов монацитовых песков. В прошлом, когда радий активно использовался, его также извлекали из отходов переработки урановых руд; сегодня такие отходы могут служить вторичным источником, хотя его добыча из них экономически нецелесообразна из-за высокой стоимости и опасности.
Процесс извлечения радия из руд является сложным и дорогостоящим, требующим высокой осторожности из-за радиоактивности радия. Он включает несколько этапов: добыча урановой руды открытым или шахтным способом; последующая переработка руды, при которой она дробится и обрабатывается химическими реагентами для извлечения урана, а радий остаётся в отходах. Затем радий отделяют от других элементов с помощью химических реакций, таких как осаждение или экстракция. Полученный радий очищают от примесей для получения чистого соединения, например, хлорида радия (RaCl₂).
Стоимость радия — это сложный вопрос, поскольку этот металл является крайне редким, опасным материалом, жёстко регулируемым законодательством многих стран. Радий имеет значительную историческую и научную ценность, что также влияет на его стоимость в коллекционных или исследовательских целях. Он не продаётся на открытых рынках, как драгоценные металлы или другие товары, и его цена зависит от множества факторов.
В первую очередь, это редкость: радий встречается в природе в очень небольших количествах, образуясь в результате радиоактивного распада урана и тория, при этом его концентрация в урановых рудах крайне низка (около 0,14 грамма радия на тонну урановой руды). Во-вторых, это сложность добычи и очистки, которая требует специального дорогостоящего оборудования и строгих мер безопасности для работы с радиоактивными материалами. В-третьих, из-за высокой радиоактивности, производство и продажа радия строго регулируются юридическими ограничениями, что делает его недоступным для свободной продажи. Наконец, стоимость также зависит от формы радия (металл или соединение, например, хлорид радия, RaCl₂) и его чистоты; соединения радия могут стоить меньше, чем чистый металл, но их цена все равно остаётся крайне высокой из-за сложности получения и обработки.
Исторически, в начале XX века, когда радий активно использовался, его цена была чрезвычайно высокой: например, в 1910-х годах 1 грамм радия стоил около $120 тысяч, что эквивалентно нескольким миллионам долларов США в сегодняшних ценах. В настоящее время радий практически не продаётся на открытых рынках, но его стоимость оценивается в десятки тысяч долларов за грамм или даже выше. По некоторым оценкам, цена 1 грамма радия-226 может достигать сегодня $100 тысяч и более.
Для предотвращения современного загрязнения окружающей среды радием существуют строгие международные и национальные регулятивные меры. Например, деятельность по обращению с радиоактивными материалами регламентируется Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), которое разрабатывает комплексные стандарты безопасности, такие как Базовые стандарты безопасности (BSS), обязательные для государств-членов. Во многих странах действуют свои национальные органы, например, Комиссия по ядерному регулированию (NRC) и Агентство по охране окружающей среды (EPA) в США, которые устанавливают лимиты на выбросы и концентрации радия, а также правила обращения с природными радиоактивными материалами (NORM — Naturally Occurring Radioactive Materials).
В Европейском Союзе директивы Euratom регулируют вопросы радиационной защиты, включая защиту от радона и управление радиоактивными отходами. Эти регламенты требуют получения специальных лицензий, постоянного мониторинга, а также строгого учета и безопасного хранения всех радиоактивных материалов. Современные хвостохранилища проектируются с многоуровневой герметизацией, системами водоотведения и мониторинга, а также обязательной долгосрочной рекультивацией. Отработанные радиевые источники и загрязненные материалы классифицируются как радиоактивные отходы и требуют специализированного захоронения в геологически стабильных хранилищах. Загрязненные исторические участки подвергаются тщательной дезактивации и ремедиации, что включает удаление радиоактивно загрязненной почвы и материалов.
Наш опыт с радием — это мощный урок об опасностях не до конца изученных технологий и последствиях человеческой халатности. От очарования его таинственного свечения до горького осознания его смертоносных свойств, радий остается напоминанием о том, что даже самые революционные открытия требуют глубокого этического осмысления и тщательного изучения долгосрочных экологических и биологических рисков.
Москва
