II.4. Влияние деятельности человека на состав и свойства геосфер

(содержание IV учебного модуля)

Источники излучений, их энергетическая характеристика и классификация. Воздействие источников излучения на объекты окружающей среды. Классификация ионизирующих излучений и их характеристики. Первичные процессы при действии ионизирующих излучений на биологические объекты. Действие излучений на человека. Дозовые пределы облучения. Естественные источники ионизирующих излучений. Общие закономерности радиоактивного распада. Распространенность радиоактивных элементов и изотопов в природе. Основные типы ядерных реакций. Естественная радиоактивность воздуха, растительного и животного мира. Основные антропогенные источники ионизирующих излучений и их влияние на ОС. Проблема Kr-85 и других радиоактивных изотопов инертных газов.

Источники поступления и трансформация в окружающей среде особо опасных отходов хозяйственной деятельности человека: тяжелые металлы, полихлорированные бифенилы, диоксины, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (бенз-а-пирен).

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ К IV УЧЕБНОМУ МОДУЛЮ

Ионизирующим излучением называют любое излучение, взаимо­действие которого с веществом (средой) приводит к образованию ионных пар (электрических зарядов разных знаков).

Для большинства видов излучений высокой энергии, имеющих практический интерес, вся поглощенная в конечном итоге энергия расходуется на высвобождение быстрых (первичных) электронов. Именно взаимодействие последних с атомами или молекулами вещест­ва и представляет наиболее общий способ их возбуждения и иониза­ции в радиационной химии. Движение быстрого электрона через кон­денсированное вещество прерывается большим числом четко разгра­ниченных в пространстве последовательных актов возбуждения, каж­дый из которых представляет собой один индивидуальный молекуляр­ный процесс или группу процессов. Таким образом, частица (элект­рон) замедляется, а ее энергия постепенно передается среде. Схе­ма первичных актов при радиолизе может быть представлена следую­щей общей схемой: (таблица 2.10).

Изменения, происходящие в веществе под действием излучений, зависят от количества поглощенной энергии, мерой которой является величина поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D_п) - отношение энергии, переданной излуче­нием веществу (dE) в бесконечно малом объеме к массе этого объема (dm):

D_п = dE/dm (Гр - Грэй).

1 Гр = 1 Дж/кг. До 1982 года применялась единица Рад (radiation absorbed dose).

1 Рад = 0.01 Гр = 100 эрг/г. Отметим, что 1 Гр = 6.24 эВ/г.

Мощность поглощенной дозы - первая производная поглощенной дозы по времени:

P_п = dD_п/dt.

Величина биологического эффекта зависит от плотности иониза­ции, создаваемой в тканях ионизирующим излучением, поэтому для характеристики излучения по эффекту ионизации применяется экспо­зиционная доза. Экспозиционная доза (D_э) - отношение полного за­ряда ионов одного знака (dQ), возникающих в бесконечно малом объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме (dm):

D_э = dQ/dm (К/кг).

Внесистемной единицей D_э является Рентген (Р). Рентген - экспо­зиционная доза, которая создает в 1 см³ воздуха при нормальных условиях ионы, несущие заряд в

Таблица 2.10

Схема первичных актов при радиолизе.

Процесс	Схема реакции	Время, с
	Первичные процессы
Сверхвозбуждение	RH  RH**	10-17 - 10-16
Возбуждение	RH  RH*	---//---
Прямая ионизация	RH  RH+ + e	---//---
Автоионизация	RH**  RH+ + e	10-14 - 10-12
Основные	вторичные	процессы
Диссоциация	RH+  R+ + H (R1 + R2+)
Распад возбужденных	RH*  R’ + H (R1’ + R2’)	Ri’ - радикал
молекул	RH  OL + H2	OL-соединение с
Нейтрализация	RH+ + e  RH*	двойной связью
Ион-молекулярные реакции	RH+ + R1H  RH + R1H+
Захват электрона	RX+ + e  R+ + X-
Реакции радикалов	RH + H  R’ + H2
	R1’ + R2’  R1R2

1 электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

1 Р = 1 СГСЭ = n q,

где n - число ионов,

q - заряд иона (q = 4,810^-10 СГСЭ или 1,610^-19 К).

Тогда, n = 1/q = 2,0810⁹ пар ионов/см³ или 6,2410¹⁸ пар ионов/кг.

Отметим, что 1 Р ~ 33,85 Гр.

Для биологических тканей существенна не только мощность до­зы, но и качественная характеристика излучения, то есть разные виды излучений при одинаковой дозе вызывают различные биологи­ческие эффекты. Относительной биологической эффективностью (ОБЭ) называют отношение поглощенных доз разного "качества", вызываю­щих одинаковый биологический эффект. "Качество" излучения опре­деляется величиной ЛПЭ (линейная передача энергии). Значение ОБЭ отражается в коэффициенте "качества" излучения Q, на который должна быть умножена величина поглощенной дозы Dп рассматриваемого вида излучения, для получе­ния эквивалентной дозы данного излучения:

D_экв = D_п  Q.

В поле ионизирующих излучений произвольного состава Dэкв опреде­ляется:

D_экв = (Q_iD_пi).

Внесистемной единицей Dэкв является "бэр" (биологический эквива­лент рентгена) - поглощенная доза любого вида излучения, которая имеет такую же биологическую эффективность, как 1 Рад рентгенов­ского.

1 бэр = (100 эрг/Г)/Q = 0.01 Гр/Q.

Сейчас мерой D_экв является Зиверт (Зв).

1 Зв = 1 Гр/Q = 100 Рад/Q = 100 бэр.

Величины коэффициентов Q для некоторых видов излучений даны ниже (табл. 2.11).

Таблица 2.11

Коэффициенты «качества» некоторых видов излучений

Вид излучения	Значение Q
Ренгеновское и  - излучения	1
 - излучение	1
Протоны с энергией < 10 МэВ	10
 - излучение с энергией < 10 МэВ	20
Нейтроны с энергией < 20 КэВ	3
Нейтроны с энергией 0,1 - 10 МэВ	10
Тяжелые ядра отдачи	20

Для оценки стохастических эффектов воздействия ионизирующих излучений на население применяется понятие мощность коллективной эквивалентной дозы:

P_экв = dD_экв/dt, следовательно,

P_{кол.экв} =  N(P_экв)  dP_экв; Звчел/год,

где N(P_экв) dP_экв - количество лиц (человек), подвергающихся воздействию мощности эквивалентной дозы в пределах от Р_экв до Р_экв + dP_экв.

Опыт показывает, что распад всех радиоактивных веществ про­исходит по экспоненциальному закону.

В общем случае можно запи­сать:

A  B +  E + частицы (,, ).

(ядро) (ядро)

Процесс распада описывается реакцией первого порядка. Если  - константа скорости (1/c) или постоянная радиоактивного распада, то ско­рость реакции в общем виде равна:

- (dN/dt) =  N,

где N- концентрация распадающихся ядер атомов сорта А.

Учитывая, что при t = 0, N = 0, после интегрирования получим:

N = N_о exp(- t).

Это выражение и есть закон радиоактивного распада.

Время T , по истечению которого начальное число (N_о) атомов актив­ного вещества уменьшается в 2 раза, называется периодом полурас­пада. Если t = T, то по определению T получим, что N = N_о/2. Следовательно,

(N_о/2) = N_о exp(- T), или T = (0,693/ ).

Графически это выглядит следующим образом.

N/No

t

Рис. 2.4. Кинетика процесса радиоактивного распада.

Закон распада можно преобразовать к более удобному для рас­четов виду:

N = N_оехр(-ln2t/T),

или учитывая, что exp(-ln2) = 1/2 , окончательно получим:

N = N_о/(2^t/T).

При распаде ядер продукты деления вылетают с большой ско­ростью. Воздействие продуктов деления в том числе и излучения на какой-либо объект будет тем больше, чем больше распадов происхо­дит в единицу времени. Для характеристики числа распадов (ско­рости ядерных превращений) вводится понятие активности.

Активностью (А) радиоактивного образца называется величина, равная числу распадов в единицу времени.

A = - dN/dt или A = dN_i/dt_i.

Таким образом, А - это скорость изменения числа радиоактивных атомов. За единицу активности радиоактивного вещества принят Беккерель (Бк) - одно превращение в секунду. Внесистемная едини­ца - Кюри (Ku) - активность препарата данного изотопа, в котором в 1 с происходит 3,710¹⁰ ядерных превращений (1Ku = 3,710¹⁰ Бк). Один грамм радия как раз и претерпевает 3,710¹⁰ распадов в секунду.