1.4. Радиоактивное загрязнение атмосферы

К опасным, факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность.

Радиоактивностью называется, самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, α-частиц).

Промежуток времени, в течение которого разлагается половина первоначального количества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада.

К основным видам радиоактивного распада относятся α-распад, β-распад, электронный захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием γ-лучей, т.е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного из­учения.

При α -распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия ⁴₂He ; это приводит к уменьшению заряда исходного радиоактивного ядра на 2, а его массового числа на 4.

Таким образом, в результате α -распада образуется атом элемента, смещенного на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы.

Возможность β -распада связана с тем, что, по современным представлениям, протон и нейтрон представляют собой два состояния одной и той же элементарной частицы - нуклона (от латинского nucleus - ядро). При некоторых условиях (например, когда избыток нейтронов в ядре приводит к его неустойчивости) нейтрон может превращаться в протон, одновременно «рождая» электрон. Этот про­цесс можно изобразить схемой:

Нейтрон = протон + электрон

или п = р + ẽ

Таким образом, при β-распаде один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон; возникающий при этом электрон вылетает из ядра, положительный заряд которого на единицу возрас­тает.

Изменение заряда ядра при β-распаде приводит к тому, что при β-распаде образуется атом элемента, смещенного на одно место от исходного радиоактивного элемента к концу периодической сис­темы.

Элементы, расположенные в конце периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радио­активному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и так далее до тех пор, пока не полу­чаются атомы устойчивого изотопа. Ряд элементов, образующийся подобным образом один из другого, называется радиоактивным ря­дом. Примером может служить приводимый ниже ряд урана - после­довательность продуктов превращения изотопа ²³⁸U, составляющего преобладающую часть природного урана.

Естественная радиоактивность атмосферы — это закономерное явление, обусловленное двумя причинами: наличием в атмосфере радона ²²²Rn и продуктов его распада, а также воздействием космических лучей. Сам радон, полураспад которого равен 3,8 дня, а также его изотопы первоначально образуются в земной коре за счет радиоактивного распада урана и тория (над стрелкой - тип радиоактивного распада; под стрелкой - период полураспада):

Образуясь в грунте, радон затем через поры почвы проникает в приземный слой атмосферы, вследствие его захвата естественными аэрозолями переносится в самые верхние плоскости тропосферы, a его долгоживущие продукты распада, такие, как ²¹⁰₈₂Pb, ²¹⁰₈₃Bi и ²¹⁰₈₄Po, обнаруживаются и в стратосфере. Атмосферный круговорот радов включает его легкую вымываемость осадками и осаждение на земную поверхность под действием силы тяжести.

Космические лучи, проникающие на Землю из мирового пространства, обычно подразделяют на первичные и вторичные. В состав первичных космических лучей входят, главным образом, положительно заряженные частицы (преимущественно протоны). Они обладают огромными энергиями и несутся в мировом пространстве с колоссальными скоростями. Проникая в земную атмосферу, первичные лучи уже на высоте около 50 км начинают взаимодействовал с ядрами встречных атомов, что ведет к образованию элементарных частиц, называемых пионами (П). Масса пионов - порядка 0,15 а.е.м. заряд их может быть и отрицательным, и положительным, и ней­тральным, время жизни – 10^-8 с. В слое атмосферы от 50 до 20 км почти все первичные космические лучи расходуют свою энергию, которая передается вызванному ими вторичному космическому излучению. Последнее слагается в основном из мюонов (μ), представ­ляющих собой частицы с массами порядка 0,11 а.е.м., несущие поло­жительный или отрицательный заряд и живущие не более 2*10^-6 с, а также электронов, позитронов и γ-лучей. Вторичные космические лучи, доходящие до поверхности Земли, подразделяются на «мягкие» и «жесткие», первые из которых поглощаются толщей свинца и состоят в основном из электронов и позитронов, а вторые — это мюоны, обладающие большой проникающей способностью.

Возникновение радиоактивных изотопов объясняется тем, что космические лучи, проникающие в атмосферу со скоростями, близкими к скорости света, сталкиваются с ядрами компонентов воздуха, движущихся со сравнительно небольшими скоростями (порядка 0,5- 1 км/с), вызывают ядерные реакции превращения одного вещества в другое. Главными радиационными частицами, обусловливающими радиоактивный фон атмосферы под влиянием космических лучей являются тритий (³₁Н) и радиоуглерод (⁴₆С). Образование трития происходит за счет взаимодействия атмосферного азота с нейтрона (¹₀п):

¹⁴₇N + ¹₀n = ¹²₆C +³₁H (1.34)

Имеются, однако, и другие пути образования трития, в частности за счет взаимодействия атмосферного азота с протонами высоких энергий и атмосферного кислорода и нуклонами. В свою очередь, распад трития приводит к образованию гелия:

³₁H = ³₂He + ẽ (1.35)

Общее количество трития на земном шаре оценивается величиной 12 кг. Образование радиоуглерода (¹⁴₆С) вызвано таким взаимодействием атмосферного азота с нейтронами, в процессе которого возникает неустойчивый радиоактивный азот (¹⁵₇N) генерирующий (¹⁴₆С) и протон (¹₁р):

¹⁴₇N + ¹₀n = ¹⁵₇N → ¹⁴₆С+ ¹₁р (1.36)

Характерно при этом, что распад ¹⁴₆С вновь приводит к образованию стабильного азота:

¹⁴₆С = ¹⁴₇N + ẽ, (1.37)

предопределяя тем самым обратимость процесса. По имеющимся данным, равновесная концентрация радиоуглерода ¹⁴₆С на земном шаре оценивается на сегодня величиной 8-10⁴ кг.

Обращает на себя внимание, что содержание трития и радиоуглерода в стратосфере значительно больше, чем в тропосфере. Это говорит о том, что указанные радиоизотопы возникают именно действием космических лучей. Кроме того, образование и концен­трация, в атмосфере указанных изотопов имеют минимум у экватора и растут по направлению к магнитным полюсам Земли, подобно тому, как это отмечается и для распределения космических лучей. Это также служит подтверждением того, что радиоизотопы водорода и углерода возникают в атмосфере под действием космических луч. Их влияние обусловливает появление и других радиоизотопов, вносящих свой вклад в радиоактивный фон атмосферы. Так, под действием космических лучей на атмосферный аргон образуется радиоизотоп хлора (³⁹₁₇Cl):

⁴⁰₁₈Ar + μ = ³⁹₁₇Cl + ¹₀n + v, (1.38)

( где v - элементарная частица, называемая нейтрино), а также изотоп самого аргона:

⁴⁰₁₈Ar + ¹₀n = ⁴¹₁₈Ar

⁴¹₁₈Ar →⁴¹₁₉К + ẽ

Наличие в атмосфере рассмотренных выше радиоизотопов обусловлено в целом так называемой «естественной» радиоактивность, к которой живые элементы биосферы хорошо адаптировались в процессе эволюции. Что касается антропогенных радиоактивных факторов, опасных по своим последствиям, то они связаны главным образом с «искусственной» радиоактивностью. При ядерных взрывах большая часть изотопов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Известно, что через несколько десятков секунд после взрыва образуется примерно 100 различных изотопов, двадцать девять из которых вносят наибольший вклад в радиоактивность атмосферы через час, двадцать - через двое суток, а три – через 100 лет. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в атмосфере в результате ядерных взрывов, приведены в табл. 5

Таблица 5