Природный радиационный фон

Открытие Беккерелем излучения урана в 1896 году стало первым в

ряду открытий, показавших постоянное присутствие в окружающем мире

радиационного фона, непрерывно воздействующего на природу Земли.

Последующие три десятилетия исследований предоставили данные о со-

держании радионуклидов в земных породах, в атмосферном воздухе, в во-

де океанов, морей, озер, рек. Важным было обнаружение свойства субъек-

тов органического мира – растений, животных и человека – накапливать в

себе радиоактивные вещества. Наличие в метеоритах радиоактивных эле-

ментов показало, что явление радиоактивности не ограничивается Землей,

но присуще и другим объектам Вселенной. Современная геофизика счита-

ет, что радиоактивный распад был причиной разогрева земных недр и дал

начало тектоническим и горообразовательным процессам на нашей плане-

те, при этом на поверхности Земли в местах разломов коры образовыва-

лись области с аномально повышенным уровнем радиации. Установлено,

что первичный уровень радиоактивности на поверхности Земли был в 5 –

10 раз выше современного, затем он постепенно снижался за счет распада

короткоживущих радионуклидов [1].

Доза облучения от природных источников носит название природного,

или естественного, радиационного фона.

Несмотря на малую величину естественного радиационного фона, интерес к нему велик и объясняется он увеличением областей применения атомной энергии, радиоактивных изотопов и источников ионизирующего излучения. Расширение добычи минерального сырья связано с подъемом на поверхность Земли большой массы

горных пород, в том числе и с повышенным уровнем радиоактивности, что

сопровождается антропогенным загрязнением естественными радионукли-

дами больших территорий. Все указанное является причиной увеличения

круга людей (не только специалистов, но и населения), подвергающихся

воздействию возрастающих доз радиации, и интерес к радиационному фо-

ну связан, прежде всего, с решением вопроса: какие дозы облучения безо-

пасны для человека и какие представляют реальную опасность? Разумеет-

ся, радиоактивные элементы на Земле возникли задолго до появления на

ней живых существ, и, следовательно, все живые существа, включая чело-

века, с самого их зарождения непрерывно подвергались воздействию при-

родного радиационного фона и на протяжении своего длительного разви-

тия сумели приспособиться к воздействию радиации в определенном диапазоне доз.

Внешнее и внутреннее облучение человека

Природный радиационный фон обусловлен источниками облучения,

находящимися как вне, так и внутри человека [28].

Источниками внешнего облучения человека являются радиоактивные

вещества, содержащиеся в почве, горных породах, воздухе, воде, строи-

тельных материалах, а также космические лучи. Внешнее облучение явля-

ется следствием воздействия двух факторов, зависящих от места, а также от условий проживания и вида деятельности человека.

К первому фактору можно отнести облучение:

-от радиоактивных веществ земной коры с учетом местности проживания людей, от радиоактивных веществ, содержащихся в строительных материалах, из которых построены объекты жилищного, производственного и культурно-бытового назначения; от космического излучения, связанного с высотой местности над уровнем моря (сильная зависимость) и с географической широтой (более слабая зависимость).

Облучение данного типа слабо меняется во времени, но зависит от местоположения.

Действие второго фактора определяется различными условиями жиз-

ни и видом деятельности людей, что приводит к большому диапазону доз

облучения. Ко второму фактору относится и облучение от вдыхаемого с

воздухом радона, которое зависит от геологических условий местности,

типа, этажности и вентиляции помещений, а также от характера труда

(внутри помещения или на открытом воздухе), условий на рабочем месте и

т. д. (в соответствие с нормативными документами радон не представляет опасности при внутреннем облучении и рассматривается как источник внешнего облучения).

Радиоактивные вещества, находящиеся вне организма человека, явля-

ются источниками всех трех основных видов радиоактивных излучений:

альфа-, бета- и гамма-лучей. Малая проникающая способность альфа- и

бета-излучений приводит к тому, что их основная часть поглощается воз-

духом, органическими веществами на поверхности Земли, одеждой чело-

века, внешними слоями строительных материалов и только незначительная

часть их попадает на тело человека, но и она поглощается поверхностным

слоем кожи. Поэтому при определении дозы в расчет принимается только

гамма-компонента, обладающая наибольшей проникающей способностью.

Известно, что за счет радиоактивных веществ, содержащихся в грунте и в

горных породах, человек получает в среднем дозу 1–2,4 мрад_в неделю или 50–130 мрад в год (0,5 – 1,3 мЗв/год).

Меньшие значения доз получены над уровнем моря, большие – над горными породами вулканического происхождения. Зимой

эта величина меньше, чем летом, так как слой снега в 30 см уже вдвое

снижает интенсивность γ-излучения [18].

Значительную часть жизни (более 80 % времени) люди проводят

внутри помещений. Соотношение между поглощенной в воздухе дозой

внутри и вне помещений зависит от типа здания, этажа и других факторов.

Наименее поглощают γ-излучение стены деревянных домов. Поглощение

наружного излучения наиболее сильное в домах из камня, бетона, кирпича,

и радиационный фон в таких помещениях определяется в основном излу-

чениями радионуклидов, содержащихся в строительных материалах. Из-

мерение радиационного фона внутри помещений показало, что в деревян-

ных домах мощность дозы несколько меньше, а в кирпичных и бетонных

несколько больше, чем на открытом воздухе. Наибольшим фоном облада-

ют помещения, построенные из материалов, содержащих гранит.

В атмосферном воздухе всегда присутствует небольшое количество

радиоактивных веществ γ-излучателей: радиоактивные аэрозоли, обра-

зующиеся при выветривании горных пород, и радиоактивные изотопы, об-

разующиеся в воздухе при воздействии космических лучей. Доза радиа-

ции, создаваемая в воздухе всеми источниками, невелика и составляет в

среднем около 0,013 мрад в неделю.

За счет космических лучей для местности, расположенной в средних

широтах (широта 500), доза радиации составляет около 50 мрад в год на

уровне моря, значительно возрастая с высотой. На высоте 1 км над уров-

нем моря она возрастает до 90 мрад в год, а на высоте 5 км – 800 мрад

в год [5, 7].

Внутреннее облучение не зависит от вида деятельности человека, по-

стоянно во времени и в пространстве и вызвано радиоактивными вещест-

вами, которые с воздухом, водой или пищей попадают внутрь человече-

ского организма, усваиваются им, входят в его состав и облучают его из-

нутри. Основную часть эффективной эквивалентной дозы внутреннего об-

лучения дают источники земного происхождения и лишь небольшую

часть – космогенные радионуклиды.

К источникам внутреннего облучения относятся калий-40, содержа-

щийся, в основном, в нервной и мышечной ткани, радий, откладывающийся в костной ткани, продукты распада радона, накапливающиеся в дыхательных путях, и радиоактивные изотопы углерода-14, рубидия-87, полония-210.

В табл. 1 [3] представлено содержание радиоактивных изотопов в те-

ле человека (среднее значение для человека весом 75 кг).

Таблица 1

Содержание естественных радиоизотопов в теле человека

(среднее значение для тела человека массой в 75 кг)

Радиоактивный изотоп	Места преимущественного накопления		Содержание радиоактивного изотопа (без стабильного) носителя, г		Радиоактивность, кюри
Тритий-3	Весь организм		8_10-15		7,6_10-11
Углерод-14	Жировая ткань		2_10-3		8,9_10-8
Калий-40	Нервная и мышечная ткань		8,3_10-2		6_10-7
Рубидий-87	Мышечная ткань		7_10-3		4,6_10-19
Торий-232	Костная ткань		7_10-5		7,9_10-12
Уран-235	Весь организм		7_10-6		1_10-11
Уран-238	Костная ткань	7_10-4		2,4_10-10
Радий-226	Костная ткань	0,4–3,7_10-10		1,1_10-10

К характерным особенностям внутреннего облучения относятся:

1) при внутреннем облучении основное действие оказывают альфа- и

бета-излучения, непосредственно действующие на жизненно важные внут-

ренние органы и ткани человека;

2) большинство радиоактивных изотопов накапливается в определен-

ных тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей

организма;

3) внутреннее облучение действует все время, пока радиоактивные ве-

щества находятся внутри организма.

Различные органы и ткани человеческого организма обладают раз-

личной чувствительностью к облучению. Наиболее чувствительными яв-

ляются гонады – половые железы и органы кроветворения. Поэтому, по-

мимо общей дозы облучения, получаемой человеком, определяют эталон-

ную (реперную) дозу, получаемую гонадами. В табл. 4 представлены мощ-

ности доз внешнего и внутреннего облучения от естественных источников

районах с нормальным фоном радиоактивности. В таблице отдельно

представлена доза, полученная за счет альфа-частиц и нейтронов, обла-

дающих большей биологической эффективностью, чем гамма-лучи и бета-

частицы [6].

Таблица 4 Годичные дозы, получаемые организмом человека в результатевнешнего и внутреннего облучения от естественных источников

Источники облучения	Гонады, мрад/год	Клетки, выстилающие поверхность кости, мрад/год	Костный мозг, мрад/год
Внешнее облучение: космические лучи излучение Земли (и воздуха)	28 50	28 50	28 50
Внутреннее облучение: калий-40 рубидий-87 углерод-14 радий-226 радий-223 полоний-210 радон-222	20 0,3 0,7 – – 0,3 0,3	15 0,3 1,6 0,6 0,7 2,1 0,3	15 0,3 1,6 0,03 0,03 0,3 0,3
Итого % альфа-частиц и нейтронов	100 1,3	99 4,4	96 1,4

Установлено, что вклад внутреннего облучения (1,34 мЗв/год) в мощ-

ность эффективной эквивалентной дозы примерно в 2 раза превышает вклад

внешнего облучения (0,65 мЗв/год). Среди радионуклидов, дающих наи-

больший вклад в мощность дозы внутреннего облучения, на первом месте

стоят короткоживущие продукты распада радона-222 (около 60 %). Далее

идут калий-40 (13 %), радон-220 (13 %), и свинец-210 → полоний-210 (8 %).

Мощности доз, обусловленные космическим излучением и внешним облу-

чением радионуклидами, примерно равны.

Для населения умеренных широт годовая эффективная эквивалент-

ная доза равна примерно 2,2 мЗв/год за счет повышенного облучения насе-

ления продуктами распада радона и торона (около 1,5 мЗв/год при среднем

значении по земному шару 1,3 мЗв/год). Следует отметить, что фон внутри

помещения не вполне соответствует естественному фону. Это измененный

человеком естественный фон, который им регулируется. Он может быть

существенно снижен радиационным контролем и выбором строительных

материалов, а также эффективным использованием вентиляционных сис-

тем. В «чистом» виде годовая эффективная доза естественного фона со-

ставляет 0,74 мЗв/год [5].

Источники естественного радиоактивного фона

За естественную принимают радиоактивность неантропогенного ха-

рактера (не связанную с деятельностью человека), т. е. не связанную с ра-

диоактивными веществами, возникшими вследствие испытаний атомного

оружия, катастроф на объектах ядерной энергетики, развития атомной

промышленности и т. д.

Естественные радиоактивные вещества содержатся в малых количе-

ствах во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека име-

ют радиоактивные элементы биосферы – земной оболочки, где обитают

растения, животные и человек. В биосфере радиоактивные элементы рас-

сеяны и только изредка встречаются в сколь-нибудь значительных количе-

ствах. Их возникновение связывают с образованием Земли. В период,

предшествующий образованию нашей планеты, существовали условия,

благоприятствующие возникновению радиоактивных элементов в веществе

Земли. В этот период времени и возникла основная масса радиоактивных

изотопов, в том числе долгоживущие, которые сохранились до настоящего

времени, и короткоживущие, к настоящему времени полностью распав-

шиеся.

В зависимости от происхождения все естественные радиоактив-

ные элементы Земли делятся на три группы [2, 13, 16].

К первой группе относятся элементы, объединенные в три радиоак-

тивных семейства. Кроме долгоживущих родоначальников этих семейств –

урана, тория и актиноурана, сюда входят продукты их распада, в том числе

и относительно короткоживущие – радий, радон и др. Количество радиоак-

тивных элементов этой группы постепенно уменьшается в соответствии с

законом радиоактивного распада. Наиболее распространенным элементом

этой группы является уран. Природный уран является смесью трех изото-

пов – урана-238 (99,2 %), урана-235 (0,71 %) и урана-234 (0,006 %). Уран-238

и уран-235 являются родоначальниками двух радиоактивных семейств.

Один из продуктов распада урана-238 – радий-226. Несмотря на

сравнительно малый период полураспада (Т1/2 = 1600 лет), содержание ра-

дия в земной коре стабильно из-за его возобновления при распаде урана.

Радон-222 имеет малый период полураспада (Т1/2 = 3,8 дня) – радио-

активный газ, образующийся при распаде радия.

Торий-232 – один из самых долгоживущих радиоактивных изотопов

(Т1/2 = 10 млрд лет), имеет большее распространение в природе, чем уран,

родоначальник радиоактивного семейства [10, 11].

Вторую группу радиоактивных элементов Земли составляют радио-

активные элементы, не входящие в состав радиоактивных семейств. Их

возникновение относят к периоду образования Земли. Количество данных

элементов на Земле постепенно снижается за счет радиоактивного распада.

К этой группе относится калий, являющийся одним из самых распро-

страненных элементов (более 1,1 % всех атомов, образующих земную кору).

Калий необходим для нормального развития растений и является неотъем-

лемой составной частью живых организмов и человека. Количество радио-

активного изотопа калия (калий-40) в природной смеси составляет

0,0119 %, а 1 г природного калия имеет активность около 30 Бк. Несмотря

на меньшую активность, чем у радия и урана, роль калия в природе из-за

его распространенности весьма велика.

Из других элементов этой группы интересен рубидий-87, имеющий

свойство накапливаться в некоторых растениях (1 л виноградного сока со-

держит 1 мг рубидия). Однако активность рубидия намного меньше, чем

калия-40.

В общем во вторую группу входит 11 долгоживущих радионуклидов с периодом полураспада от 10⁷ до 10¹⁵ лет ( ⁴⁰K, ⁸⁷Rb, ⁹⁰V, ¹¹⁵In,. ¹²³Te, ¹³⁵La, ¹⁴²Ce, ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁷Sn, ¹⁵²Gd, ¹⁷⁰Lu).

К третьей группе естественно-радиоактивных веществ относятся

радиоактивные изотопы, которые возникают в атмосфере под действием

космических лучей. К таким изотопам относятся радиоактивный углерод-14,

фосфор-32 и некоторые другие. Количество этих изотопов в природе отно-

сительно невелико, и их активность не имеет существенного значения.

Естественный радиоактивный фон в основном формируется радио-

нуклидами, содержащимся в горных породах, составляющих земную кору.

К ним относятся: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств: урана-238 и тория-232.

Космические излучения

Космические лучи были открыты немецким физиком В. Гессом

(1912) при исследовании роста радиоактивного фона с высотою над по-

верхностью Земли (барометрический эффект).

Космическое излучение включает излучение частиц, захваченных

магнитным полем Земли, галактическое космическое излучение и излуче-

ние Солнца [19].

Частицы, захваченные магнитным полем Земли, состоят в основном

из протонов и электронов. Захваченные частицы создают два радиацион-

ных пояса по обе стороны сферы радиусом, равным 2,8 радиуса Земли.

Верхний пояс имеет большую интенсивность и энергию излучения, чем

нижний. Энергия частиц: у электронов – до единиц МэВ, у протонов – до

нескольких сот МэВ. Различие в энергиях частиц определяется силой Ло-

ренца, удерживающей частицы в радиационных поясах Земли, зависящей

от скорости частиц. При одинаковых скоростях более массивные протоны

имеют большую энергию. Захваченные частицы доз на поверхности Земли

не создают.

Галактическое космическое излучение в основном состоит из попа-

дающих на Землю из Космоса протонов (79 %) и альфа-частиц (20 %) и не-

большого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых

ядер, наибольшее значение из которых имеют ионы железа с относительно

высокими интенсивностью и атомным числом. Источниками галактиче-

ского космического излучения являются процессы, проходящие в дальнем

Космосе: звездные вспышки, взрывы сверхновых звезд и галактических

ядер, пульсарное ускорение и т. д. Диапазон энергий частиц галактическо-

го излучения составляет от 102 до 105 МэВ.

Входя в атмосферу, излучение взаимодействует с атомами азота, ки-

слорода, аргона. Взаимодействие с электронами атомов происходит чаще,

чем с ядрами, но при этом высокоэнергетичные частицы теряют мало

энергии. При столкновении с ядрами частицы выбывают из потока пер-

вичного излучения, поэтому ослабление первичного потока обусловлено

ядерными реакциями.

Вторичные частицы сами обладают высокими энергиями и вызыва-

ют такие же ядерные реакции, т. е. формируется каскад реакций с образо-

ванием широких атмосферных ливней, являющихся вторичным кос-

мическим излучением, которое проникает в нижние слои атмосферы. Одна

первичная частица с высокой энергией (более 100 ТэВ) может вызвать ли-

вень, включающий до десяти поколений реакций, сопровождающихся ро-

ждением миллионов новых частиц.

Таким образом, на высоте 25–30 км и выше (в стратосфере) преоб-

ладает первичное космическое излучение, а ниже в тропосфере (высота

10–15 км) – в основном вторичное.

Образование новых ядер и нуклонов происходит чаще всего в верх-

них слоях атмосферы. В нижних слоях поток ядер и протонов сильно ос-

лабляется за счет ядерных взаимодействий и последующей ионизации. В

общей дозе на уровне моря этот поток весьма мал (единицы %).

Преобладание в ливневых потоках -мезонов (около 80 %, осталь-

ное – К-мезоны) сопровождается быстрым распадом нейтральных пионов на

два гамма-кванта с последующим образованием электрон-позитронных пар,

комптоновских электронов и далее с рождением новых гамма-квантов.

При достижении вторичными электронами критической энергии (77 МэВ) и

преобладании ионизационных потерь процесс каскадных распадов прекра-

щается. Заряженные пионы могут участвовать в столкновениях с ядрами, в

противном случае они распадаются с испусканием заряженных -мезонов.

-мезоны имеют большое время жизни, как лептоны, не участвуют в силь-

ных взаимодействиях, рождаются с большими энергиями (0,2–20 ГэВ), об-

ладают малыми сечениями взаимодействия с ядрами и малыми радиацион-

ными и ионизационными потерями. Поэтому основная часть образовав-

шихся -мезонов достигает поверхности Земли и составляет на уровне мо-

ря основную часть космического излучения.

Мощность вторичного космического излучения у поверхности Земли

изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря: чем выше распо-

ложена территория, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соот-

ветственно, выше мощность вторичного космического излучения. Это яв-

ление называется барометрическим эффектом. По данным Э.Дж. Холла,

население Земли, проживающее на уровне моря, получает от космического

излучения эффективную эквивалентную дозу порядка 300 мкЗв в год, жи-

вущие на высоте выше 2000 м – в несколько раз больше. Еще более интен-

сивному, хотя и непродолжительному облучению подвергаются экипажи и

пассажиры самолетов [2].

Изменение мощности вторичного космического излучения происходит

и при удалении от экватора, т. к. уменьшается толщина тропосферы и ее эк-

ранирующее действие. Кроме того, траектория заряженных частиц космиче-

ского излучения больше искривляется геомагнитным полем Земли в области

экватора, поэтому здесь к поверхности могут проникать только высокоэнер-

гетичные частицы, а в полярных областях – и частицы сравнительно невысо-

кой энергии. Это явление носит название широтного эффекта. Излучение

Солнца по своему составу аналогично галактическому излучению. Частицы

малых энергий генерируются на Солнце постоянно. В периоды вспышек ге-

нерируются мощные потоки более энергетичных (1–100 МэВ) частиц. В пе-

риоды солнечной активности интенсивность солнечного излучения превы-

шает интенсивность галактического излучения. В этот период возросшее

магнитное поле Солнца отклоняет низкоэнергетическую компоненту га-

лактического потока. В основном энергия солнечных частиц мала для про-

хождения через магнитное поле Земли, поэтому их вклад в излучение в ат-

осфере меньше галактического даже в периоды солнечной активности

Космогенные радионуклиды

Другой составляющей естественного радиоактивного фона являются

возникающие в атмосфере и частично в литосфере в результате ядерных

реакций под действием космического излучения космогенные радионукли-

ды, которых известно около 20. Однако из них наибольший вклад в облу-

чение вносят бета-активные изотопы: тритий (Т1/2 = 12 лет), который пре-

вращается, в основном, в тритированную воду и с осадками выпадает на

земную поверхность, участвуя в круговороте воды; углерод-14 (Т1/2 = 5730

лет) – вместе с обычным углекислым газом вовлекается в биотический

круговорот через фотосинтез; бериллий-7 (Т1/2 = 53 суток) – с дождевой во-

дой поступает в растения и далее с зелеными овощами – в организм жи-

вотных и человека; натрий-22 (Т1/2 = 2,6 лет) присутствует в биосфере в

значительно меньшем объеме.

Таблица 7

Годовые поступления космогенных радионуклидов человеку создаваемые ими дозы

Нуклид	Поступление, Бк/год	Годовая эффективная доза, мкЗв
Тритий	250	0,004
Бериллий-7	50	0,002
Углерод-14	20000	12
Натрий-22	50	0,15

Облучение населения от естественных радиационных

источников

Основную дозу облучения от источников естественной радиации че-

ловек получает за счет земных источников (более 80 % годовой эффектив-

ной эквивалентной дозы). Причем большая ее часть приходится на внут-

реннее облучение. Внешнее облучение происходит в основном за счет

космического излучения. У живущих на высоте свыше 2 тыс. метров над

уровнем моря эта доза в несколько раз выше, чем у жителей низменных

участков. Еще большему облучению подвергаются экипажи и пассажиры

самолетов: мощность эффективной дозы на высоте 8 тыс. метров составля-

ет 2 мкЗв/час, что в 62 раза больше, чем на уровне моря [1, 20].

Таблица 8Дозы, образуемые космическим излучением, в различных районах мира [15]

Место	Высота над уров- нем моря, м	Ионизирующее облучение, мкЗв	Нейтроны, мкЗв	Суммарная, мкЗв
Ла Пас, Боливия	3900	1120	600	1720
Мехико	2240	530	190	720
Тегеран	1180	330	70	400
Уровень моря	0	240	20	260
Среднемировая доза		300	55	355

Уровень ионизирующего излучения, обусловленный земными источ-

никами, неодинаков для разных районов земного шара. Например, при-

мерно 95 % населения Франции, Германии, Италии, Японии и США живет

в местах с повышенным радиационным фоном. Мощность дозы облучения населения в этих странах составляет 0,3–0,6 мЗв/год.

Существуют области, где уровень естественной радиации значитель-

но превышает средние значения. Например, эквивалентная доза, получае-

мая двенадцатитысячным населением курортного города Гуапари (Брази-

лия), достигает 175 мЗв/год, вблизи города Посус-ди-Калдас эта доза в

800 раз превосходит средний уровень и достигает 250 мЗв/год. На юго-

западе Индии (штаты Керала и Мадрас) расположена коса шириной в не-

сколько сотен метров и длиной около 200 км, покрытая монацитовыми

песками с большим содержанием тория. Население этой территории со-

ставляет около 100 тыс. человек и получает эффективную эквивалентную

дозу в 50 раз больше средней годовой дозы внешнего облучения от земных

источников. В Иране близ города Рамсер, где много ручьев с большим со-

держанием радия, уровни радиации достигают 400 мЗв/год. Известны мес-

та с аномально высоким уровнем ионизирующего излучения во Франции,

Нигерии, России, на Мадагаскаре [1, 20].

Примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы внутреннего облу-

чения, получаемой человеком от естественных источников радиации, обу-

словливают радиоактивные вещества, попадающие в организм с пищей,

водой и воздухом. Небольшая часть этой дозы приходится на космоген-

ные радионуклиды (углерод-14 и тритий), основная ее часть – на источ-

ники земного происхождения (калий-40).

Относительный вклад различных составляющих естественного

радиоактивного фона в облучение населения:

-излучение радона и торона -42,5%;

-гамма-излучение земного происхождения -21,9%;

-космическое излучение -16,1%;

-внутренне облучение -19,5%.

Цезий-137

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 апреля 2013; проверки требуют 5 правок.

Перейти к: навигация, поиск

Цезий-137
Схема распада цезия-137 Таблица нуклидов
Общие сведения
Название, символ	Цезий-137, 137Cs
Альтернативные названия	радиоце́зий
Нейтронов	82
Протонов	55
Свойства нуклида
Атомная масса	136,9070895(5)[1] а. е. м.
Избыток массы	−86 545,6(5)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	8 388,956(3)[1] кэВ
Период полураспада	30,1671(13)[2] лет
Продукты распада	137Ba
Родительские изотопы	137Xe (β−)
Спин и чётность ядра	7/2+[2]
Канал распада	Энергия распада
β−	1,17563(17)[1] МэВ

Це́зий-137, известен также как радиоце́зий — радиоактивный нуклид химического элемента цезия с атомным номером 55 и массовым числом 137. Образуется преимущественно при делении ядер в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Цезий-137 — один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления ¹³⁷Cs наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных ¹³⁷Cs накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и североамериканских водоплавающих птиц. Накапливается в грибах, ряд которых (маслята, моховики, свинушка, горькушка, польский гриб) считается «аккумуляторами» радиоцезия^[3].

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 3,2 ТБк.

Содержание

Образование и распад

Цезий

-137 является дочерним продуктом β⁻-распада нуклида ¹³⁷Xe (период полураспада составляет 3,818(13)^[2] мин):

.

Цезий-137 претерпевает бета-распад (период полураспада 30,17 лет), в результате которого образуется стабильный изотоп бария ¹³⁷Ba:

.

В 94,4^[4] % случаев распад происходит c промежуточным образованием ядерного изомера бария-137 ¹³⁷Ba^m (его период полураспада составляет 2,55 мин), который в свою очередь переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта с энергией 661,7 кэВ (или конверсионного электрона с энергией 661,7 кэВ, уменьшенной на величину энергии связи электрона). Суммарная энергия, выделяющаяся при бета-распаде одного ядра цезия-137, составляет 1175,63 ± 0,17^[1] кэВ.

Цезий-137 в окружающей среде

Карта радиационного загрязнения цезием-137 территорий, граничащих с Чернобыльской зоной отчуждения (на 1996 г.)

Выброс цезия-137 в окружающую среду происходит в основном в результате ядерных испытаний и аварий на предприятиях атомной энергетики.

Ядерные испытания

Радиационные аварииПри аварии на Южном Урале в 1957 г. произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, в результате которого в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0,2 ПБк ¹³⁷Cs^[5].

• При аварии на реакторе в Уиндскейле в Великобритании в 1957 г. произошел выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк ¹³⁷Cs^[5].

• Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия «Маяк» на Южном Урале в р. Течу в 1950 г. составил 102 ПБк, в том числе ¹³⁷Cs 12,4 ПБк^[5].

• Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз. Карачай на Южном Урале в 1967 г. составил 30 ТБк. На долю ¹³⁷Cs пришлось 0,4 ТБк^[5].

• В целях глубинного зондирования земной коры по заказу министерства геологии произведён подземный ядерный взрыв 19 сентября 1971 г. около д. Галкино в Ивановской области. На 18 минуте после взрыва в метре от скважины с зарядом образовался фонтан из воды и грязи. В настоящее время мощность излучения составляет порядка 3 тысяч микрорентген в час, изотопы цезий-137 и стронций-90 продолжают выходить на поверхность.

• В 1986 г. во время аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. На Украине, в Белоруссии и Центральном экономическом районе Российской Федерации выпало более половины от общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ. Среднегодовая концентрация цезия-137 в приземном слое воздуха на территории СССР в 1986 году повысилась до уровня 1963 года (в 1963 г. наблюдалось повышение концентрации радиоцезия в результате проведения серии атмосферных ядерных взрывов в 1961—1962 гг.)^[6]

• В 2011 г. во время аварии на АЭС Фукусима-1 из разрушенного реактора было выброшено значительное количество цезия-137 (агентство по атомной безопасности считает, что выброс радиоактивного цезия-137 из трех реакторов составил 770 ПБк, оценки ТЕРСО в два раза ниже^[7]). Распространение, в основном, происходит через воды Тихого океана.

Локальные заражения

Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников цезия-137 для медицинских и технологических целей. Наиболее известным в этом отношении является инцидент в Гоянии, когда мародерами из заброшенной больницы была похищена деталь из установки для радиотерапии, содержащая цезий-137. В течение более чем двух недель с порошкообразным цезием контактировали все новые люди, и никто из них не знал о связанной с ним опасности. Радиоактивному заражению подверглись приблизительно 250 человек, четверо из них умерли.

На территории СССР инцидент с длительным облучением жителей одного из домов цезием-137 произошёл в 1980-х годах в Краматорске.

Биологическое действие

Внутрь живых организмов цезий-137 в основном проникает через органы дыхания и пищеварения. Хорошей защитной функцией обладает кожа (через неповрежденную поверхность кожи проникает только 0,007 % нанесенного препарата цезия, через обожженную — 20 %; при нанесении препарата цезия на рану всасывание 50 % препарата наблюдается в течение первых 10 мин, 90 % всасывается только через 3 часа). Около 80 % попавшего в организм цезия накапливается в мышцах, 8 % — в скелете, оставшиеся 12 % распределяются равномерно по другим тканям^[5].

Накопление цезия в органах и тканях происходит до определенного предела (при условии его постоянного поступления), при этом интенсивная фаза накопления сменяется равновесным состоянием, когда содержание цезия в организме остается постоянным. Время достижения равновесного состояния зависит от возраста и вида животных. Равновесное состояние у сельскохозяйственных животных наступает примерно через 10-30 дней, у человека приблизительно через 430 суток^[5].

Цезий-137 выводится в основном через почки и кишечник. Через месяц после прекращения поступления цезия из организма выводится примерно 80 % введенного количества, однако при этом следует отметить, что в процессе выведения значительные количества цезия повторно всасываются в кровь в нижних отделах кишечника^[5].

Биологический период полувыведения накопленного цезия-137 для человека принято считать равным 70 суткам (согласно данным Международной комиссии по радиологической защите)^[5][8]. Тем не менее, скорость выведения цезия зависит от многих факторов - физиологического состояния, питания и др. (например, приводятся данные о том, что период полувыведения для пяти облученных человек существенно различался и составлял 124, 61, 54, 36 и 36 суток)^[5].

При равномерном распределении цезия-137 в организме человека с удельной активностью 1 Бк/кг мощность поглощенной дозы, по данным различных авторов, варьирует от 2,14 до 3,16 мкГр/год^[5].

При внешнем и внутреннем облучении биологическая эффективность цезия-137 практически одинакова (при сопоставимых поглощенных дозах). Вследствие относительно равномерного распределения этого нуклида в организме органы и ткани облучаются равномерно. Этому также способствует высокая проникающая способность гамма-излучения нуклида ¹³⁷Ba^m, образующегося при распаде цезия-137: длина пробега гамма-квантов в мягких тканях человека достигает 12 см^[5].

Развитие радиационных поражений у человека можно ожидать при поглощении дозы примерно в 2 Гр и более. Симптомы во многом схожи с острой лучевой болезнью при гамма-облучении: угнетённое состояние и слабость, диарея, снижение массы тела, внутренние кровоизлияния. Характерны типичные для острой лучевой болезни изменения в картине крови^[5]. Дозам в 148, 370 и 740 МБк соответствуют лёгкая, средняя и тяжелая степени поражения, однако лучевая реакция отмечается уже при единицах МБк^[5].

Помощь при радиационном поражении цезием-137 должна быть направлена на выведение нуклида из организма и включает в себя дезактивацию кожных покровов, промывание желудка, назначение различных сорбентов (например, сернокислого бария, альгината натрия, полисурмина), а также рвотных, слабительных и мочегонных средств. Эффективным средством для уменьшения всасывания цезия в кишечнике является сорбент ферроцианид, который связывает нуклид в неусваиваемую форму. Кроме того, для ускорения выведения нуклида стимулируют естественные выделительные процессы, используют различные комплексообразователи (ДТПА, ЭДТА и др.)^[5].

Получение

Из растворов, полученных при переработке радиоактивных отходов ядерных реакторов, ¹³⁷Cs извлекается методами соосаждения с гексацианоферратами железа, никеля, цинка или фторовольфраматом аммония. Используют также ионный обмен и экстракцию^[9].

Применение

Цезий-137 используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, для радиационной стерилизации пищевых продуктов, медицинских препаратов и лекарств, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Также цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде хлорида цезия (плотность 3,9 г/см³, энерговыделение около 1,27 Вт/см³). Цезий-137 используется в датчиках предельных уровней сыпучих веществ (уровнемерах) в непрозрачных бункерах.

Цезий-137 имеет определенные преимущества перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада и менее жесткое гамма-излучение. В связи с этим приборы на основе ¹³⁷Cs долговечнее, а защита от излучения менее громоздка. Однако, эти преимущества становятся реальными лишь при отсутствии примеси ¹³⁴Cs с более коротким периодом полураспада и более жестким гамма-излучением^[10].