Полоний

Полоний — химический элемент с атомным номером 84 в периодической системе, обозначается символом Po ( Polonium), радиоактивный полуметалл серебристо-белого цвета. Не имеет стабильных изотопов.

Элемент открыт в 1898 году супругами Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри в смоляной обманке — урановой руде. Первый образец полония, содержащий 0,1 мг этого элемента, был выделен в 1910 г.

Элемент назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши (Polonia).

Свойства полония

Полоний — мягкий серебристо-белый радиоактивный металл.

Металлический полоний быстро окисляется на воздухе. Известны диоксид полония (РоО₂)_x и монооксид полония РоО. С галогенами образует тетрагалогениды. При действии кислот переходит в раствор с образованием катионов Ро²⁺ розового цвета:

Ро + 2HCl → PoCl₂ + Н₂↑.

При растворении полония в соляной кислоте в присутствии магния образуется полоноводород:

Ро + Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂Po,

который при комнатной температуре находится в жидком состоянии (от −36,1 до 35,3 °C)

В индикаторных количествах получены кислотный триоксид полония РоО₃ и соли полониевой кислоты, не существующей в свободном состоянии — полонаты К₂РоО₄. Известен также диоксид полония PoO₂. Образует галогениды состава PoX₂, PoX₄ и PoX₆. Подобно теллуру полоний способен с рядом металлов образовывать химические соединения — полониды.

Полоний является единственным химическим элементом, который при низкой температуре образует одноатомную простую кубическую кристаллическую решётку.

Изотопы полония

На начало 2006 года известны 33 изотопа полония в диапазоне массовых чисел от 188 до 220. Кроме того, известны 10 метастабильных возбуждённых состояний изотопов полония. Наиболее долгоживущий изотоп, 209Po и 208Po имеют периоды полураспада 102 и 2,9 года соответственно. Некоторые изотопы полония, входящие в радиоактивные ряды урана и тория, имеют собственные наименования, которые сейчас в основном рассматриваются как устаревшие:

Нахождение в природе

Радионуклиды полония входят в состав естественных радиоактивных рядов:

²¹⁰Po (Т_1/2 = 138,376 суток), ²¹⁸Po (Т_1/2 = 3,10 мин) и ²¹⁴Po (Т_1/2 = 1,643·10⁻⁴ с) — в ряд ²³⁸U;

²¹⁶Po (Т_1/2 = 0,145 с) и ²¹²Po (Т_1/2 = 2,99·10⁻⁷ с) — в ряд Th;

²¹⁵Po (Т_1/2 = 1,781·10⁻³ с) и ²¹¹Po(Т_1/2 = 0,516 с) — в ряд ²³⁵U.

Поэтому полоний всегда присутствует в урановых и ториевых минералах. Равновесное содержание полония в земной коре 2·10⁻¹⁴% по массе.

Полоний-210 содержится также в табаке и табачном дыме. «Производители табака обнаружили этот элемент более 40 лет назад, попытки изъять его были безуспешны» — говорится в статье, исследователей из американского Стэнфордского университета и клиники Майо в Рочестере^]

Получение

На практике в граммовых количествах нуклид полония ²¹⁰Ро синтезируют искусственно, облучая металлический ²⁰⁹Bi нейтронами в ядерных реакторах. Получившийся ²¹⁰Bi за счет β-распада превращается в ²¹⁰Po. При облучении того же изотопа висмута протонами по реакции

²⁰⁹Bi + p → ²⁰⁹Po + n

образуется самый долгоживущий изотоп полония ²⁰⁹Po.

Микроколичества полония извлекают из отходов переработки урановых руд. Выделяют полоний экстракцией, ионным обменом, хроматографией и возгонкой.

Металлический Po получают термическим разложением в вакууме сульфида PoS или диоксида (PoO2)x при 500 °C.

Применение

Полоний-210 в сплавах с бериллием и бором применяется для изготовления компактных и очень мощных нейтронных источников, практически не создающих γ-излучения (но, к сожалению, короткоживущих, ввиду малого времени жизни ²¹⁰Po: Т_1/2 = 138,376 суток). Альфа-частицы полония-210 рождают нейтроны на ядрах бериллия или бора в (α, n)-реакции. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе и очень надежны. Например, латунная ампула диаметром два и высотой четыре сантиметра ежесекундно дает до 90 миллионов нейтронов.

Полоний также применялся в электродных сплавах автомобильных свечей зажигания для уменьшения напряжения возникновения искры.

Важной областью применения полония является его использование в виде сплавов со свинцом, иттрием или самостоятельно для производства мощных и весьма компактных источников тепла для автономных установок, например космических. Один кубический сантиметр полония-210 выделяет около 1320 Вт тепла. Эта мощность весьма велика, она легко приводит полоний в расплавленное состояние, поэтому его сплавляют, например, со свинцом. Хотя эти сплавы имеют заметно меньшую энергоплотность (150 Вт/см³), тем не менее они более удобны к применению и безопасны, так как полоний-210 испускает альфа-частицы, проникающая способность и длина пробега которых минимальны. Например, у советского лунохода для обогрева приборного отсека применялся полониевый обогреватель.

Также следует указать, что полоний-210 может послужить в сплаве с легким изотопом лития (⁶Li) веществом, которое способно существенно снизить критическую массу ядерного заряда и послужить своего рода ядерным детонатором. Поэтому полоний является стратегическим металлом, должен очень строго учитываться, и его хранение должно быть под контролем государства ввиду угрозы ядерного терроризма.

Биологическая роль

Полоний-210 высокотоксичен, имеет период полураспада 138 дней и 9 часов. Его удельная активность (166 ТБк/г) настолько велика, что, хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Он опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц, так как его соединения саморазогреваются и переходят в аэрозольное состояние. ПДК в водоемах и в воздухе рабочих помещений 11,1·10⁻³ Бк/л и 7,41·10⁻³ Бк/м³. Поэтому работают с полонием-210 лишь в герметичных боксах.

Точных сведений о воздействии радиационного отравления полонием на человека не существуют, так как опыты на человеке не проводились (проводились, однако, измерения кинетики малых доз полония в организме человека, а также наблюдения нескольких известных случаев острого или хронического отравления полонием). По оценке специалистов, опубликованной в научном журнале Journal of Radiological Protection и основанной на математической модели радиационного отравления, разработанной на основе данных по опытам над животными, летальная доза полония-210 для взрослого человека оценивается в пределах от 0,1-0,3 ГБк (0,6-2 мкг), при попадании изотопа в организм через лёгкие, до 1-3 ГБк (6-18 мкг), при попадании в организм через пищеварительный тракт.

Более долгоживущие полоний-208 (период полураспада 2,898 года) и полоний-209 (период полураспада 103 года) обладают несколько меньшей радиотоксичностью на единицу веса, обратно пропорционально периоду полураспада. Сведений о радиотоксичности других, короткоживущих изотопов полония мало. В организме человека полоний ведет себя подобно своим химическим гомологам, селену и теллуру, концентрируется в печени, почках, селезёнке и костном мозге. Период полувыведения из организма − от 30 до 50 дней, выделяется в основном через почки. Есть сообщения об успешном использовании 2,3-димеркаптопропанола для выведения полония из организма крыс — 90 % животных, которым внутривенно вводилась смертельная доза полония-210 (9 нг/кг веса), выжили, тогда как в контрольной группе все крысы погибли в течение полутора месяцев.

Периодическая система химических элементов Менделеева: