Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
ядерного полигона (на Новой Земле) и других. В особых случаях
в поверхностных водах могут встретиться и продукты активации,
например, в водоемах, куда сбрасываются неочищенные сточные
воды промышленных объектов, исследовательских и иных учреждений, применяющих радиоактивные вещества и нарушающих
режим их использования. В морской воде концентрация Sr
137
Сs
ниже, чем в речной, но выше, чем в океанах. Имеются раз-
личия и в соотношении содержания Сs
137
и Sr90 в морской воде по
90
и
сравнению с пресной. Например, в Черном море оно составляет
примерно 1,8 в сторону преобладания Сs
137
, а в Северном море —
1,4. Озера, водохранилища и мелиоративные системы характеризуются высокими уровнями накопления Сs
137
в донных отложениях (до 49 кБк/кг в гидрографической сети 30-километровой зоны
вокруг ЧАЭС).
По существу морская вода является концентрированным раствором, в котором в виде следов и примесей находятся различные
химические элементы, в том числе и радиоактивные. Основные
компоненты этого раствора находятся в постоянных концентрациях, но для большинства микроэлементов характерны пространственные и временные колебания их абсолютного и относительного содержания. Это связано со специфическим сложным
поведением микроколичеств вещества в растворе, а также влиянием растворимого и коллоидного органического вещества, бактерий, гидробионтов и различных взвесей. Взвешенное вещество
морей и океанов включает планктон, минеральные частицы терригенного и вулканического происхождения, детрит (тонкие минеральные и органические остатки отмерших организмов). Удельная поверхность взвеси и коллоидов в морской воде исключительно велика — при среднем содержании взвеси в океане 1 г/см
удельная ее поверхность составляет 10,40 м
2
/г. На границе раздела
3
взвесь—раствор непрерывно происходят обменные процессы адсорбционного накопления ионов и атомов, изоморфного их замещения и другие физико-химические процессы. Хотя адсорбция на
поверхности живых организмов существенно ниже адсорбции на
неорганической взвеси, ее влияние на геохимию океана исключительно велико из-за высокой избирательной способности гидробионтов к поглощению отдельных элементов и накоплению их
в количествах, существенно больших их содержания в растворе.
В результате этих и других процессов многие параметры морской
среды тесно связаны с биомассой морских организмов, их жизнедеятельностью, составом и миграцией.
111
Вода служит средой обитаний громадного числа видов — растительных и животных гидробионтов, которые образуют сложные
экосистемы. Исходным в водных кормовых цепях является планктон (фито- и зоопланктон). Планктон, абсорбируя взвешенные
или растворенные в воде радионуклиды — природные и искусственные – и накапливая их в себе, выполняет роль биоконцентратора. Поэтому природная и искусственная радиоактивность планктона всегда выше, чем активность окружающей его воды.
Пресноводная флора и фауна также кумулируют различные радионуклиды, содержащиеся в водоемах, и их концентрации находятся в прямой зависимости от степени радиоактивного загрязнения. В пресноводных водоемах решающее влияние на кратность
накопления рыбой радионуклидов имеет насыщенность водоема
кормом — в олиготрофных (бедных кормом) озерах она выше, чем
в эвтотрофных (богатых кормом). Имеет значение и сезон года,
точнее, температура воды, которая влияет на темпы обмена: при
+15°С Т
для Сs
эфф
137
у пресноводных рыб составляет примерно
50 дней, а в более холодной воде этот период удлиняется практически в 2 раза. Концентрация радионуклидов в рыбах пресных водоемов (как и в планктоне) всегда выше, чем у морских видов еще
и по другой причине. Здесь сказываются различия экологически
обусловленной направленности минерального обмена и осморегуляции. Пресноводные виды для поддержания в себе нужного
осмотического давления, гипертоничного по отношению к окружающей пресной воде, поглощают из нее соли, а морские для
осморегуляции, наоборот, их выделяют.
При сбросе радионуклидов в гидрографическую сеть они переносятся речным потоком вниз по течению и распределяются
между взвешенными в воде частицами и донными отложениями,
причем содержание радионуклидов в донных отложениях пропорционально их содержанию во взвешенном состоянии. Распределение радионуклидов от места сброса ниже по течению зависит
от скорости потока, его глубины, периода полураспада радионуклида и других факторов. Вообще, между водой и дном (жидкой и
твердой фазами) в водоемах устанавливается определенное сорбционное равновесие.
Геохимическая роль донных отложений двояка. Они могут как
депонировать радионуклиды (и тем способствовать самоочищению воды), так и десорбировать их (вторично загрязнять водную
среду). Для большинства радионуклидов донные отложения являются накопителем и играют важную роль в процессах самоочи-
112
щения водных систем. Например, донные отложения являются
226, 228
основным источником радионуклидов радия (Ra
) в воде.
Избыток радия в осадках и недостаток его в морской воде является результатом соосаждения и седиментации с гидроокислами
железа и марганца материнского элемента радия-иония. Установлено также значительное накопление в донных отложениях Сs
137
.
В пресноводном водоеме его активность распределяется между
компонентами следующим образом: в биомассе (0,1% по массе) —
4%, в воде (85% по массе) — 6%, в грунте (14,9% по массе) — 90%
активности Сs
137
. В данной биофильтрации Сs
137
важную роль играют заросли прибрежной растительности (от нитчатых водорослей до макрофагов), при отмирании которых накопленный в их
тканях радионуклид переходит в грунт.
Таким образом, накопление радионуклидов в донных отложе-
ниях водоемов происходит в результате следующих процессов:
– реакций гидролиза и обмена между соединениями, содержащими радионуклиды, с образованием малорастворимых соединений, осаждающихся в конечном итоге на дно водоема;
– сорбции на взвешенных в воде частицах с последующим
осаждением на дно водоема;
– сорбции непосредственно на материале донных отложений
(особо важный механизм для мелководных водоемов);
– поглощение, переработка и перенос на дно с гидробионтами
(особо важный механизм для пресноводных мелководных водоемов);
– вынос из рек с обломочным материалом с последующим
осаждением на дно или в растворимой форме с последующим
действием вышеперечисленных процессов.
113
Часть III
РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
10. ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
10.1. Общая характеристика
радиоактивного распада
Радиоактивный распад как природных, так и искусственных
радионуклидов совершается самопроизвольно, без вмешательства извне, и не может быть прекращен или усилен химическими
реакциями или воздействием физических видов энергии (механической, термической, световой, электрической), примененных
в обычных пределах. Распад обычно сопровождается выделением энергии и всегда — изменением заряда исходного ядра. При
этом новое дочернее ядро энергетически упрочивается, получает
устойчивую комбинацию числа протонов и нейтронов, хотя в некоторых случаях это состояние достигается не сразу, а через два
или больше последовательных акта распада.
Таким образом, способность некоторых неустойчивых ядер
химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра
других элементов с испусканием различных видов радиационных
излучений определяется как радиоактивность.
Активность (А) — физическая величина, характеризующая число
радиоактивных распадов в единицу времени:
dN
A
где dN — ожидаемое число спонтанных ядерных превращений из
данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времени dt.
Единицей активности в СИ является обратная секунда
называемая беккерель (Бк). Согласно нормам радиационной безопасности НРБ-2000 дополнительно введены еще несколько
единиц активности: минимально значимая активность (МЗА), ми-
нимально значимая удельная активность (МЗУА), удельная (объемная) активность, эквивалентная равновесная объемная активность
(ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона Rn
ледние преимущественно используются при решении радиоэкологических и дозиметрических задач. Внесистемной единицей
,
=
dt
(с–1
),
222
и Rn
220
. Пос-
114
активности служит кюри (Кu). Кюри — активность такого коли-
чества радиоактивного изотопа, в котором за секунду распадается
10
37 млрд ядер (3,7 · 10
расп/с).
Активность радионуклида характеризует абсолютную скорость его радиоактивного распада и пропорциональна количеству радионуклида: зависит от скорости распада и в связи с этим
уменьшается со временем. Но не все ядра в общем количестве
радионуклида распадаются одновременно. Поэтому невозможно
заранее предвидеть точный момент распада ядра каждого атома,
определить, когда оно будет распадаться — через секунду или через 100 лет. Вместе с тем в каждую секунду распадается в среднем
какая-то определенная их доля, и рано или поздно каждый атом
радионуклида претерпевает превращение. Поэтому говорят, что
распад любого радионуклида подчиняется статистическим закономерностям, что этот процесс носит вероятностный характер и
может быть математически определен и охарактеризован лишь
для большого числа радиоактивных атомов. Скорость распада выражается взаимосвязанными величинами: периодом полураспада
(Т или Т
1
/2) и постоянной (константой) распада (λ).
Период полураспад — промежуток времени, в течение которого
распадается половина начального числа атомов данного радионуклида.
Постоянная, или константа радиоактивного распада (λ) — доля
радиоактивных атомов, распадающихся в секунду.
Независимо от количества радионуклида число его атомов в течение одного периода полураспада убывает наполовину. Чем короче
период полураспада, тем быстрее идет распад, таким образом Т об-
ратно пропорционально скорости распада. Величина периода полураспада для каждого радионуклида строго специфична (от 10
10
10
лет и более) и указывается в специальных таблицах (табл. 1).
Периоды полураспада и постоянные распада некоторых радионуклидов
–13
с до
Таблица 1
Радионуклид Т λ, с
238
U
Ra
Cs
Co
Sr
14
C
226
137
90
60
32
P
11
C
4,5 · 109 лет 4,38 · 10
5570 лет 3,92 · 10
1622 года 1,36 · 10
30 лет 7,32 · 10
28,4 года 7,83 · 10
5,24 года 4,14 · 10
14,3 дня 5,61·10
20,4 мин 5,63·10
–1
–18
–12
–11
–10
–10
–9
-7
-3
115
Громадным периодом полураспада (миллионы и даже миллиарды лет) обладают долгоживущие радионуклиды — это многие
природные радионуклиды. Радионуклиды, период полураспада
которых определяется секундами, минутами, часами, днями и
месяцами, называются короткоживущими радионуклидами. Чем
короче период полураспада радионуклида, тем выше его радиоактивность. Небольшое весовое количество короткоживущего радионуклида может иметь более высокую активность, чем большое
количество долгоживущего радионуклида, или, другими словами,
равные весовые количества разных по периоду полураспада радионуклидов имеют разную активность.
В вербальном своем выражении закон радиоактивного распада звучит так: количество ядерных превращений в 1 секунду прямо
пропорционально количеству радиоактивных атомов в начале реакции или, другими словами, количество ядер dN, распадающихся за
промежуток времени dt, прямо пропорционально количеству нераспавшихся (dN/dt = N
).
0
Закон радиоактивного распада можно выразить также графически и математически. Графически он выражается показательной (экспоненциальной) кривой, где по оси абсцисс указываются
периоды полураспада, по оси ординат — число нераспавшихся
атомов: с течением времени число нераспавшихся атомов убывает
за каждый Т в 2 раза, постепенно приближаясь к нулю (рис. 5).
Рис. 5. График уменьшения числа распадающихся ядер от времени в перио-
дах полураспада
116
Математически закон радиоактивного распада выражается уравнением:
=⋅
NNe
−0λ
t
,
где N — число атомов, существующих в момент t; N
— число ато-
0
мов в начальный момент наблюдения; t — время, прошедшее от
начального момента до данного момента и выраженное в тех же
единицах времени, что и период полураспада; е — основание натуральных логарифмов, равное 2,718328.
10.2. Виды радиоактивного распада
Известно несколько типов радиоактивного распада, каждый из
которых имеет собственные особенности, но вместе с тем и ряд
общих свойств (рис. 6).
Альфа-распад (α-распад) — процесс распада ядер нестабильных
атомов с испусканием α-частиц. Характерен для частиц с большим
массовым числом и атомным номером (для тяжелых элементов А >
200 и Z > 82), причем энергия α-частиц растет с ростом Z ядра. Исключениями являются несколько ядер редкоземельных элементов
(например,
дионуклиды с большим недостатком нейтронов. Известно более
160 α-активных ядер. Период полураспада различных α-излучателей колеблется от 0,3 · 10
62
Sm
146
и 78Pt
190
), а также некоторые искусственные ра-
–6
с (Ро
212
) до 1,39 · 1010 лет (Тh
282
).
Рис. 6. Разновидности ядерных распадов и испускания ионизирующих
частиц, квантов
117
При радиоактивном распаде с выделением α-частиц согласно правилу смещения заряд ядра атома распадающегося элемента
уменьшается на две единицы (на 2 протона соответственно), а
массовое число — на 4 единицы (2 протона и 2 нейтрона соответственно). Таким образом, в результате α-распада образуется атом
элемента, смещенный на два места левее, к началу от исходного
материнского радиоактивного элемента в таблице периодической
системы Д.И. Менделеева (сдвиг влево):
Z–2
A–4
Y
+ 2He4 (α-частица) + Е,
222
+ 2He4 (α-частица) + Е,
216
+2He4+ Е.
например,
87
88
Rn
Fr
XA→
Z
226
220
→ 86 Rn
→ 85At
Большинство α-излучателей испускают α-частицы с энергией
в пределах от 5 до 8 МэВ, что допускает пробег от 3,5 до 7,3 см
по воздуху и 35–80 мк в воде и мягких тканях. Пробег α-частицы прямо пропорционален ее энергии и обратно пропорционален
плотности среды. Так как α-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, то полет их прямолинеен. Энергия,
высвобождаемая при α-распаде, распределяется между продуктами распада обратно пропорционально их массам. Например, в
указанном выше случае распада радиоактивного франция общая
энергия, равная 6,81 МэВ, распределяется для атома астата в количестве 0,124 МэВ, а для α-частицы – 6,69 МэВ. Как видно, подавляющую часть энергии уносит α-частица, и лишь незначительная
ее доля (~2% для тяжелых α-радиоактивных ядер) приходится на
ядро-продукт. Если же исходное материнское ядро имеет избыток энергии, то при α-распаде он выделяется в виде кинетической
энергии, выносимой γ-квантом (γ-излучением), как, например,
при α-распаде U
234
.
Одной из важнейших характеристик α-распада при его определении является дискретность спектра α-частиц. α-Излучатели,
испускающие α-частицы со строго однозначной кинетической
энергией, называются моноэнергетическими излучателями (например, U
236
Еα = 4,50 МэВ, Ка
221
Еα = 6,71 МэВ). Испускаемые ими
частицы имеют равную дальность пробега. Другие α-излучатели,
испускающие α-частицы с двумя или более значениями энергий,
причем каждый «сорт» частиц составляет строго определенную
долю в излучении, называются полиэнергетическими излучателями
с линейчатым энергетическим спектром (например, Рu
кает α-частицы с Е
(11%); Rа
228
испускает пять «сортов» α-частиц с Еα = 5,75 (11%);
= 5,15 МэВ (72%), 5,13 МэВ (17%) и 5,1 МэВ
α
238
испус-
118
5,72 (53 %); 5,61 (25%); 5,54 (9 %) и 5,43 МэВ (2 %)). Какие именно
α-частицы (однородные или разнородные) будут образовываться
при α-распаде, зависит от энергетического состояния дочернего
ядра.
Бета-распад (β-распад) — процесс самопроизвольного превращения
нестабильного ядра в ядро-изобар с зарядом, отличным на ΔZ = ±1 в
результате испускания электрона (позитрона). К настоящему вре-
мени известно около 900 β-радиоактивных изотопов, из них только около 20 являются природными (С
14
, К40 и др.), а остальные
получены искусственным путем (генерацией ядерных реакций
в бетатронах, циклотронах). Тенденция к β-распаду возникает
вследствие избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем
количеством, которое отвечает максимальной устойчивости ядра.
При этом в каждом акте β-распада испускается одна β-частица. Период полураспада β-радиоактивных ядер меняется от 3 · 10
до 2 · 10
15
лет (In
115
). Энергия β-распада заключена в пределах от
–2
(В12) с
18 кэВ до 16,6 МэВ.
Под понятием β-распад объединяют три самостоятельных вида
ядерных превращений:
электронный или β
–
-распад — выбрасывание электрона и ан-
тинейтрино;
позитронный или β
+
-распад — выбрасывание позитрона и
нейтрино;
электронный захват или К-захват — поглощение одним из
протонов ядра атома электрона с ближайшей электронной оболочки.
Электронный или β
–
-распад происходит тогда, когда имеется
переизбыток в ядре атома нейтронов, нарушающий энергетическое равновесие стабильного ядра. Избыточная энергия при этом
стимулирует превращение одного из нейтронов в протон с выбросом из атома электрона (β
–
-частицы) и антинейтрино. Выбрасываемый из атома электрон обладает значительной кинетической
энергией и представляет опасность для биологических объектов.
При электронном β
–
-распаде заряд ядра возрастает на одну единицу за счет появления еще одного протона, а массовое число не
меняется (общая сумма протонов и нейтронов остается прежней),
получающийся новый атом смещается правее исходного элемента
на одну клетку в таблице периодической системы Д.И. Менделеева (сдвиг вправо):
−
β
A
Z
→+
A
0
Z
+−11
eXY
(β–-частица) + ν– (антинейтрино) + Е,
119
40
К
например,
15
Позитронный или β
→ 20Са40 + –1е0 + ν– + E,
19
32
P
→ 16S
32
+ –1е0 + ν– + E.
+
-распад происходит тогда, когда имеется
дефицит нейтронов, нарушающий энергетическое равновесие
стабильного ядра, и сопровождается образованием в атомном ядре
нейтрона из протона с выбросом позитрона и нейтрино. Разумеется, превращение нейтрона в протон надо понимать условно, так
как масса протона меньше массы нейтрона, вследствие чего позитронный распад свободного протона невозможен. Однако для
протона, связанного в ядре, подобное превращение возможно,
так как недостающая энергия восполняется ядром. Источником
позитронов являются лишь некоторые искусственные радионуклиды, имеющие избыток протонов, например С
11
, в ядре которого при 5 нейтронах содержится 6 протонов. «Лишний» протон
исходного ядра испускает позитрон и нейтрино и превращается
в нейтрон. При позитронном β
+
-распаде заряд ядра уменьшается на одну единицу за счет убывания одного протона, а массовое
число не меняется (общая сумма протонов и нейтронов остается
прежней), получающийся новый атом смещается левее исходного элемента на одну клетку в таблице периодической системы
Д.И. Менделеева (сдвиг влево):
Aβ+
X
→
Z
например,
7
11
С
6
N
YA + +1е0 (β+-частица) + ν(нейтрино),
Z–1
11
→ 5В
13
→ 6С13 + +1е0 + ν.
+ +1е0 + ν,
Выбрасываемый из ядра позитрон обладает значительной
кинетической энергией: немедленно срывает с оболочки атома
«лишний» электрон, образуя при этом пару «позитрон-электрон»,
которая мгновенно превращается в γ-квант, после чего дочернее
ядро становится электрически нейтральным.
Электронный захват или К-захват заключается в захвате ядром
электрона из ближайшей электронной оболочки (К-оболочки)
собственного атома. Природа К-захвата была раскрыта при изу-
чении сопровождающего его рентгеновского излучения. Оказалось, что оно соответствует переходу электронов на освободившееся место в электронной оболочке образующегося после К-захвата атома (A, Z – 1). Радионуклиды таким образом избавляются
от избыточных протонов, в случае, когда в ядре нет достаточной
энергии для позитронного β
+
-распада. В силу этого, ядро обычно
захватывает электрон из ближайшего К-слоя, а избыточный про-
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]