Мария и Пьер Кюри

Полоний (Polonium), Po

    Радиоактивный элемент VI группы периодической системы Менделеева. Полоний был открыт в 1898 г. Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри. Название получил в честь Польши.
    М. Кюри установила, что некоторые образцы урановой смоляной руды более радиоактивны, чем сам уран. Следовательно в этой руде должны были содержаться вещества более радиоактивные, чем уран. Эти вещества (элементы) были выделены. Сначала полоний, а затем радий.
    Наиболее долгоживущий из природных изотопов ²¹⁰Po. Период полураспада ²¹⁰Po 138.376 дней [1], т.е. за это время первоначальное количество ²¹⁰Po уменьшается вдвое. Через это время половина ядер ²¹⁰Po превращаются в ядра стабильного изотопа свинца ²⁰⁶Pb. Превращение ²¹⁰Po в ²⁰⁶Pb происходит в результате α-распада

²¹⁰Po → ²⁰⁶Pb + α.

Рис. 1. Схема распада 210Po.

Т.е. кроме ядер свинца (²⁰⁶Pb) при распаде ²¹⁰Po образуются также ядра гелия ⁴He, которые обычно называют α (альфа)-частицами. Причем ²¹⁰Po является практически чистым α-излучателем. Альфа-распад, если он происходит не на основное или не только на основное состояние конечного ядра, сопровождается гамма-излучением. В подавляющем количестве случаев ²¹⁰Po распадается на основное состояние ²⁰⁶Pb с испусканием альфа-частиц с энергией 5.3 МэВ, и только ничтожная доля (0.00122%) ядер ²¹⁰Po распадается на возбужденное (803 кэВ) состояние ²⁰⁶Pb, которое распадается с испусканием гамма-квантов [1]. Обнаружить сопутствующее такому альфа-распаду  гамма-излучение можно только в прецизионном эксперименте.
    Изотоп ²¹⁰Po является не только самым долгоживущим среди естественных, т.е. существующих на Земле, а не полученных искусственным путем, изотопов полония, но и самым распространенным. Он постоянно образуется за счет цепочки распадов изотопов, которая начинается с ²³⁸U и кончается ²⁰⁶Pb.

²³⁸U → ²³⁴Th → ²³⁴Pa → ²³⁴U → ²³⁰Th → ²²⁸Ra → ²²²Rn → ²¹⁸Po → ²¹⁴Pb → ²¹⁴Bi → ²¹⁴Po → ²¹⁰Pb → ²¹⁰Bi → ²¹⁰Po → ²⁰⁶Pb.

    Период полураспада (T_1/2) ²³⁸U 4.5 миллиарда лет. В естественной урановой смеси ²³⁸U более 99%. Для количества ядер (N) изотопов урана (²³⁸U) и полония (²¹⁰Po) в естественной смеси и их периодами полураспада (T_1/2) справедливо соотношение

 N(²³⁸U)/N(²¹⁰Po) = T_1/2(²³⁸U)/T_1/2(²¹⁰Po).

Аналогичные соотношения справедливы для всех изотопов цепочки последовательных распадов, т.к. они находятся в так называемом вековом равновесии, когда количество распадов в единицу времени у всех изотопов одинаковое. Сколько в результате предшествующего распада в единицу времени образуется ядер изотопа столько же их и распадается. Таким образом в 1 тонне урановой руды содержится только около 100 микрограмм полония [2]. В основном это ²¹⁰Po. Всех других естественных изотопов полония еще меньше (и на много). Полоний можно выделить из урановых руд при обработке отходов уранового производства. Однако для для того, чтобы получить заметное количество полония, пришлось бы обработать немыслимое количество таких отходов. ²¹⁰Po получают в ядерных реакторах при облучении нейтронами висмута в результате реакции

²⁰⁹Bi(n,γ)²¹⁰Bi.

²¹⁰Bi испытывает бета-распад и превращается в ²¹⁰Po. Период полураспада ²¹⁰Bi 5.013 дней [1].
    Кроме ²¹⁰Po еще два искусственно-радиоактивных изотопа полония имеют относительно большие периоды полураспада - это ²⁰⁸Po (T_1/2  =  2.898 г) и ²⁰⁹Po (T_1/2  = 102 г). Эти изотопы можно получить, используя бомбардировку ускоренными в циклотроне пучками альфа-частиц, протонов или дейтронов мишеней из свинца или висмута [3]. ²⁰⁹Po можно приобрести в Ок Риджской национальной лаборатории с разрешения Комиссии за по атомной энергии (A.E.C.) США по цене приблизительно $3200 за 1 мкКи (микрокюри)* [2]. В таком источнике будет 6·10^-8 г ²⁰⁹Po. Все остальные изотопы полония имеют периоды полураспада от 8.8 дней (²⁰⁶Po) до долей микросекунды (см. табл.1. [1]).

Рис. 2. Иллюстрация проникающих способностей различных типов излучений

    Различные типы ионизирующих излучений (α,β,γ) имеют заметно отличные проникающие способности. Альфа-частицы от радиоактивных изотопов пролетая через вещество легко подхватывают электроны и превращаются в атомы гелия. Так для того, чтобы превратиться в гелий, альфа-частицам ²¹⁰Po достаточно пролететь в воздухе меньше 4 см, в биологической ткани - меньше 50 мкм, в алюминии - меньше 30 мкм.  Таким образом, альфа-излучение от радиоактивных источников не может быть зафиксировано обычными дозиметрами, в которых используются счетчики Гейгера. Альфа-частицы таких энергий не пройдут через корпус счетчика, даже если альфа-радиоактивным изотопом измазать его поверхность. Достаточно поместить чистый α-излучатель в герметичную упаковку со стенками не толще, чем лист бумаги (главное, чтобы радиоактивный препарат из него "не высыпался"), обнаружить его излучение не смогут и более чувствительные устройства, такие, например, как полупроводниковые или сцинтилляционные детекторы. Последние могут помочь зафиксировать альфа-излучение, если они будут находится в непосредственной близости от "открытого" источника радиоактивного загрязнения.

Рис. 3. Минимальное обнаруживаемое загрязнение и минимальная обнаруживаемая активность при использовании LB 124 SCINT. Время измерения фона 200 с.

На рис. 2 приведены характеристики сцинтилляционного детектора загрязнений LB 124 SCINT, выпускаемое фирмой BERTHOLD TECHNOLOGIES GmbH & Co  [4].
    Радиоактивные источники ²¹⁰Po используются как в научных исследованиях, так и в технике. Во время работы над Манхеттенским проектом полоний-бериллиевый нейтронный источник предполагалось использовать в качестве запала атомной бомбы. Нейтроны в таком источнике получаются в результате взаимодействия альфа-частиц от распада ²¹⁰Po с бериллием, реакция ⁹Be(α,n). Однако в последствии от такого решения отказались [5]. Удельное энерговыделение полония велико - 140  Ватт/г. Капсула содержащая 0.5 г полония нагревается до 500^оС [2]. Это свойство используется для создания на его основе термоэлектрических источников, которые в частности применяются в космических аппаратах. Полоний также используется в устройствах для снятия статического электричества. В некоторых устройствах такого рода может содержаться полоний с активностью до 500 мкКи (около 0.1 микрограмм). Этого количества теоретически достаточно, чтобы убить 5000 человек. Однако, этот полоний надежно упакован, и для того, чтобы извлечь его для использования во вредоносных целях необходимы изощренные технологии и глубокие знания [6]. Как правило,  активность предлагаемых на рынке источников невелика. Так можно приобрести источник ²¹⁰Po с активностью 0.1 мкКи (микрокюри) за $69. Источник с такой активностью испускает 3700 частиц в секунду. Масса же ²¹⁰Po в таком источнике около 2·10^-11 г.
    Альфа-излучение от радиоактивных источников не может проникнуть сквозь кожные покровы, Однако, альфа-излучающие нуклиды представляют большую опасность при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, открытые раны и ожоговые поверхности, и не только за счет ионизирующего излучения, но и просто как ядовитые вещества. Максимальная допустимая дозовая нагрузка на организм при попадании ²¹⁰Po внутрь всего 0.03 мкКи (6.8^.10^-12 г). При одинаковом весе ²¹⁰Po приблизительно в 2.5^.10¹¹ раз токсичнее, чем синильная кислота [3]. Попав в организм человека, полоний через ток крови распространяется по тканям. Полоний выводится из организма в основном вместе с калом и мочой. Больше всего его выводится в первые несколько дней. За 50 дней выводится около половины попавшего в организм полония. Наличие полония у зараженных им людей идентифицируется по слабому гамма-излучению выделений [7]. Попадание внутрь организма человека одной стотысячной миллиграмма полония в 50% случаев приводит к летальному исходу [5]. Полоний весьма летучий металл, на воздухе за 45 часов 50% его испаряется при температуре 55^оС.

* Единицы активности - 1 Ки (Кюри) = 3.7^.10¹⁰ распадов в секунду, 1 Ки = 10³ мКи = 10⁶ мкКи. 1 Бк = 1 распад в секунду.

Изотопы полония
A	T1/2	Мода распада	Радиоактивный ряд
190	2.53 мс	α, ЭЗ 0.1%
191	22 мс	α
192	33.2 мс	α99.5%,ЭЗ0.5%
194	0.392 c	α
195	4.64 c	α75%,ЭЗ 25%
196	5.8 c	α98%,ЭЗ2%
197	1.4 м	ЭЗ 56%, α44%
198	1.87 м	α57%,ЭЗ 43%
199	4.58 м	ЭЗ 92.5%, α7.5%
200	10.9 м	ЭЗ 88.9%, α11.1%
201	15.3 м	ЭЗ 98.4%, α1.6%
202	44.7 м	ЭЗ 98.08%, α1.92%
203	36.7 м	ЭЗ 99.89%, α0.11%
204	3.53 ч	ЭЗ 99.34%, α0.66%
205	1.66 ч	ЭЗ 99.96%, α0.04%
206	8.8 д	ЭЗ 94.55%, α5.45%
207	5.80 ч	ЭЗ 99.98%, α0.02%
208	2.898 г	α, ЭЗ
209	102 г	α99.52%,ЭЗ 0.48%
210	138.376 д	α	238U
211	0.516 c	α	235U
212	0.299 мкс	α	236U
213	3.65 мкс	α	237Np
214	164.3 мкс	α	238U
215	1.781 мс	α,β- 0.00023%	235U
216	0.145 c	α	236U
217	1.47 c	α>95%,β-<5%	237Np
218	3.10 м	α99.98%,β- 0.02%	238U
219	2 м	α?,β-?

Литература

1. CDFE (http://cdfe.sinp.msu.ru)
2. It's Elemental - The Element Polonium (http://education.jlab.org/itselemental/ele084.html)
3. Handbook of Chemistry and Physics, 67th edition, CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida.
4. Alfred Klett. Polonium: Detection and Measurement of Po-210 Contamination.  (http://www.bertholdtech.com/ww/en/pub/strahlenschutz/applikationen/polonium__detection_and_measur.cfm, (http://www.berthold.com/downloadfiles/rp/en_technical_note_304_po-210_detection_2006-12-04.pdf)
5. Polonium (www.globalsecurity.org/wmd/intro/polonium.html)
6. Medical News Today - Polonium-210. (www.medicalnewstoday.com/medicalnews.php?newsid=58088)
7. Mind & body magazine. Radiation update. (http://www.nhsdirect.nhs.uk/articles/article.aspx?articleId=2086)
8. IAEA Publications, Factsheets & FAQs,Polonium-210. (http://www.iaea.org/Publications/Factsheets/English/polonium210.html)
9. IAEA reviews polonium risk. (http://uk.news.yahoo.com/13122006/325/iaea-reviews-polonium-risk.html)
10. Популярная библиотека химических элементов. Полоний. ( http://n-t.ru/ri/ps/pb084.htm)
11. nuxpert. (http://nuxpert.livejournal.com/tag/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B9-210)
12. Борис Жуйков. Зачем был нужен полоний?