Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология. Учебное пособие-1
.pdf
Относительный (сравнительный) метод. Этот метод основан на срав-
нении активности исследуемого препарата с активностью стандартного
препарата (эталона), содержащего известное количество изотопа. Пре-
имущество относительных измерений в их простоте, оперативности и
удовлетворительной достоверности.
Благодаря этому относительный метод широко применяют в прак-
тической радиометрии и в научных исследованиях с использованием
радиоактивных изотопов.
Для правильного проведения измерений относительной активности
исследуемых препаратов необходимо, чтобы схема распада, вид и энергия
излучения эталона существенно не отличались от исследуемого радио-
нуклида. Идеальным эталоном был бы радиоизотоп, одноименный с
изотопом, содержащимся в измеряемом препарате.
Желательно иметь в качестве эталона долгоживущий радиоактивный
изотоп, так как его можно использовать длительное время без внесения
поправок на распад. При определении суммарной бета-активности в объек-
тах ветнадзора в качестве эталона применяют 40К, 90Sr,
90
Y è äð.
Эталон и исследуемые препараты должны иметь одинаковую фор-
му, площадь и толщину активного слоя; их одинаково располагают
относительно счетчика. Подложки, на которые нанесены измеряемые
препараты и эталон, должны быть выполнены из одинакового матери-
ала и иметь одинаковую толщину. Все измерения надо проводить на
одной установке с одним и тем же счетчиком. Следует стремиться к
тому, чтобы измерения активности всех препаратов были выполнены
с одинаковой статистической точностью.
Измерив скорость счета частиц Nэ, от эталона и препарата Nïð,
рассчитывают активность препарата Àпр в беккерелях или в кюри по
формуле: Апр =АэNпр/ Nэ.
Спектрометрические методы. Их применяют для анализа проб без пред-
варительного выделения радионуклидов. Измеряя энергию и интенсив-
ность ионизирующего излучения, можно идентифицировать радионукли-
ды в анализируемых препаратах и достаточно точно определить их абсолют-
ную активность. Для решения этих задач применяют спектрометры.
Спектрометр состоит из детектора и регистрирующей аппаратуры, ко-
торая выполняет функции измерения энергии и числа частиц, или кван-
тов. В качестве детектора излучения в спектрометрах используют иониза-
ционные камеры, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики.
Различают альфа-, бета- и гамма-спектрометрические методы.
Альфа-спектрометрический метод используют для изучения изо-
топного состава естественных радиоактивных элементов, и в первую
61
очередь U, Th, Ra. Он основан на регистрации спектра альфа-частиц
после приготовления тонкослойных препаратов. В альфа-спектрометрах
широко применяют кремниевые полупроводниковые детекторы.
Бета-спектрометрические методы можно использовать при изуче-
нии обмена веществ в организме животных для анализа проб, содержа-
щих два радионуклида (или более), различающихся по энергии бета-
излучения минимум в четыре раза. При анализе проб объектов ветери-
нарного надзора бета-спектрометрические методы не используют из-за
сложности такого анализа.
Гамма-спектрометрические методы наиболее широко распростране-
ны в ветеринарной практике. В качестве детекторов излучения в гамма-
спектрометрах используют сцинтилляционные и полупроводниковые
счетчики [Белов А.Д., 1999].
4. Радиационно-экологическое районирование комплексом
геофизических методов
Для оценки интенсивности влияния природных, техногенных и ава-
рийных радиационных факторов на среду обитания и деятельности
человека проводится радиационно-экологическое районирование при-
родных и природно-техногенных комплексов на различных уровнях.
Задачами районирования являются выделение площадей и объектов с
неблагоприятной и весьма неблагоприятной радиационно-экологической
обстановкой, выяснение тенденции ее изменчивости во времени, опреде-
ление объектов радиационного мониторинга, а также разработка предуп-
редительных или защитных мер от негативных радиационных факторов.
Комплекс геофизических методов на различных уровнях решает свои
конкретные задачи. При региональном районировании предпочтение
отдается дистанционным аэрогамма-спектрометрическим съемкам с
определением в поверхностном слое почво-грунтов или горных пород
концентрации (удельной активности) урана (по радию), тория, ка-
лия-40 и искусственного изотопа цезия-137. На площадях с повышен-
ными концентрациями перечисленных радиоэлементов проводится их
увязка с типом почв, грунтов или подстилающих горных пород мето-
дами пешеходной гамма-спектрометрии, шпуровой и эманационной
съемок. Одновременно ведется анализ радиационного воздействия на
природные комплексы преобладающих в регионе техногенных систем
и объектов. На этом же уровне намечаются площади и крупные техно-
генные объекты с неблагоприятной обстановкой для последующего
радиационно-экологического мониторинга.
62
При территориальном районировании дополнительно в комплекс
вовлекаются лабораторные радиометрические, гамма-спектрометри-
ческие и другие физические методы по количественному определе-
нию тех или иных радионуклидов в пробах почв, грунтов, горных
пород, поверхностных и подземных вод, продукции и отходов техно-
генных систем и объектов, связанных с добычей и переработкой по-
лезных ископаемых, включая радиоактивные руды, строительные
материалы, энергетическое сырье, промышленные, питьевые, мине-
ральные и термальные воды и т. д.
На территориальном уровне предпочтение отдается исследованиям
площадей и объектов, выделенных на региональном уровне с небла-
гоприятной и весьма неблагоприятной радиационно-экологической
обстановкой.
При районировании городов и районов проводится комплекс площад-
ных радиометрических и дозиметрических методов с определением при-
родного и техногенного гамма-фона, концентрации радона в почвенном
воздухе, увязкой их между собой и с уровнями эквивалентной равно-
весной объемной активности радона в атмосфере жилых и производ-
ственных помещений. В первую очередь изучаются площади и объекты
с негативной радиационной обстановкой, выделенные на региональ-
ном и территориальном уровнях [Никифоров Ю.А., 2000].
Контрольные вопросы:
1. Какие существуют приборы и приспособления для обнаружения
и регистрации ионизирующих излучений? Дайте их краткую ха-
рактеристику.
2. Дайте характеристику основных методов измерения радиоактив-
ности.
3. В чем состоит цель радиационно-экологического районирования
и какими методами оно проводится?
63
Òåìà 3.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ
И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
И РАДИОНУКЛИДОВ
Все живые существа на Земле постоянно подвергаются воздействию
ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения от
естественных и искусственных источников ионизирующего излучения.
Радионуклиды естественного и искусственного происхождения широко
распространены в природе; они рассеяны в земной коре, воде, воздухе,
растениях и теле животных. При этом между ними нет принципиальных
различий, так как их свойства не зависят от способа образования.
Лекция 6.
Естественные источники
ионизирующих излучений и радионуклидов
1. Космическое излучение
2. Первичные радионуклиды земной коры
К радионуклидам естественного (или природного) происхождения
относят те, которые образовались на Земле без участия в этом человека.
Различают две группы естественных источников радиации: космоген-
ные источники и первичные радионуклиды земной коры. Первичные ра-
дионуклиды содержатся в естественной форме и концентрации во всех
объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организ-
мах и т. д. Ионизирующие излучения, исходящие от природных источ-
ников, называют природным радиационным фоном.
1. Космогенные источники
Космическое излучение условно можно разделить на две части:
а) первичное космическое излучение заряженные частицы высо-
кой энергии, приходящие из межзвездного пространства и из солнеч-
64
ной галактики, а также коротковолновое электромагнитное излуче-
íèå;
б) вторичное космическое излучение ионизирующее излучение,
образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия пер-
вичного космического излучения с атомами воздуха. Наиболее распро-
страненными продуктами космогенной активации являются: 3Н,
14
Ñ, 22Nà, 32Si,
32,33
P, 35S,
36,39
Cl.
7,10
Âå,
в) радиоактивные изотопы, попадающие на поверхность Земли и в
ее атмосферу из космического пространства вместе с космической пы-
лью и метеоритными частицами [Симак С.В. и др., 1998].
Первичное космическое излучение:
Галактическое излучение образуется вследствие извержения и испа-
рения материи с поверхности звезд и туманностей космического про-
странства. Оно состоит по большей части из заряженных частиц это
протоны высоких энергий (79 %87 %), атомные ядра (от водорода и
гелия до более тяжелых ядер лития, бериллия, бора, углерода, азота,
кислорода и др.) и позитроны. Небольшой процент составляют электро-
ны и гамма-лучи. Большинство заряженных частиц обладает очень высо-
кой энергией в интервале 315 ГэВ, а некоторые 10171018 эВ. Такие
большие энергии первичные космические частицы приобретают в ре-
зультате ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд,
многократного ускорения в магнитных полях облаков космической
пыли межзвездного пространства и в расширяющихся оболочках но-
вых и сверхновых звезд [Белов А.Д. и др., 1999].
Солнечный ветер. Солнце выбрасывает большое количество заря-
женных частиц, из которых образуется бесконечный поток, который
направляется к самым окраинным зонам Солнечной системы. Такие
потоки частиц получили название «Солнечный ветер».
Рядом с Землей у солнечного ветра скорость составляет приблизи-
тельно 400 км/с, а плотность 10 частиц на 1 см3 (в миллиард милли-
ардов раз ниже, чем плотность земной атмосферы).
Солнечный ветер состоит, главным образом, из электромагнитного
излучения (вплоть до рентгеновского диапазона), протонов и электро-
нов, но в нем присутствуют также ядра гелия и других элементов
[Рандзини Д., 2004].
Однако лишь немногие частицы достигают поверхности Земли, т. к.
они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вто-
ричного космического излучения. Поэтому основную массу космичес-
ких лучей, достигающих поверхности Земли, составляет вторичное
космическое излучение [Белов А.Д. и др., 1999].
65
Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех
известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. Ос-
новную массу их составляют µ
= 200 m
±
), π
-мезоны (70 %), электроны и позитроны (26 %), первич-
e
±
-мооны (тяжелый аналог электрона m
ные протоны (0,05 %), гамма-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейт-
роны. На пути к земной поверхности поглощается и это вторичное
излучение. До Земли оно почти не доходит. При бомбардировке верх-
них слоев атмосферы (примерно на высоте 1520 км от поверхности
Земли) космическими излучениями различной природы образуются
атомы других элементов, порой радиоактивных [Белов А.Д. и др., 1999].
Таким путем образуются тяжелый изотоп водорода тритий и радио-
активный углерод-14. Распадаясь, эти изотопы испускают β-частицы,
причем период полураспада у трития 12,3 года, а у радиоуглерода
5730 лет. В воздушном пространстве оба радиоизотопа возникают и
распадаются непрерывно, так что в природе всегда имеется некоторый
определенный «запас» трития и радиоуглерода. Равномерно перемеши-
ваясь с обычным углеродом и водородом, тритий и радиоуглерод по-
падают в воду, их потребляют растения и животные. Таким образом,
все живые существа содержат немного радиоактивных изотопов, обра-
зованных космическим излучением [Люцко А.М. и др., 1996].
Продукция таких изотопов максимальна в верхних слоях атмосфе-
ры в высоких широтах, т. е. там, где существует наибольший поток
частиц космических лучей.
Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:
интенсивности потока галактического излучения;
активности солнца;
географической широты;
высоты над уровнем моря [Белоус Д.А., 2004].
Полярное сияние. Свечение полярного сияния происходит из-за ис-
торгнутых Солнцем заряженных частиц: электронов, протонов, альфа-
частиц, которые взаимодействуют с земным магнитным полем и меж-
ду собой. Частицы, устремляющиеся к Земле, отклоняются ее магнит-
ным полем и ионизируют атомы атмосферы. Очень высокая энергия
заряженных частиц приводит к тому, что при их столкновении с ней-
тральными атомами атмосферы из них выбиваются один и больше
электронов. При соединении ионов кислорода с электронами у поляр-
ного сияния появляется зеленоватая окраска; когда замена электронов
происходит в молекуле азота, оно бывает красным. Полярные сияния
происходят на высоте не менее 100 или выше 400 км и наблюдать их
можно главным образом в высоких широтах, то есть, в полярных
областях. Причина этого в том, что именно туда частицы отклоняются
66
земным магнитным полем. Во время полярного сияния в ионосфере
(слой атмосферы на высоте 50500 км) происходят различные явле-
ния: пульсация магнитного поля Земли, выбросы рентгеновских лучей
и образование электрических потоков. Более того, энергия, выделяе-
мая полярным сиянием в невидимой части области электромагнитного
спектра, значительно больше, чем в его видимой части.
Космический фон практически постоянен и зависит лишь от высоты
местности (табл. 6.1). В нижней атмосфере интенсивность космического
излучения с высотой удваивается примерно каждые 1,5 км [Люцко А.М.
и др., 1996]. По мере увеличения высоты увеличивается интенсивность
космического излучения. Так, на уровне моря средняя поглощенная
доза этого излучения составляет 320 мкГр/год (0,030,04 Р/ч или
1,15.10
11
Гр/с), на высоте 2 км в 34 раза, а на высоте 3 км в 56 раз
выше [Симак С.В. и др., 1998].
Таблица 6.1
Зависимость космического фона от высоты над уровнем моря
Высота, км Мощность дозы, мкЗв/ч Среднегодовая доза, мЗв
0 0,035 0,3
4 0,2 1,75
8,848 (Эверест) 1,0 8
10 2,9 –
20 12,7 –
Таким образом, жители высокогорья, чабаны, пасущие скот, облу-
чаются сильнее, чем жители равнин и морских побережий. Еще силь-
нее космические лучи действуют на пассажиров самолета, поднимаю-
щегося на высоту 1012 км (облучение из космоса превышает есте-
ственный уровень более чем в сто раз). Правда в полете человек проводит
немного времени, и общая полученная им доза незначительна. Боль-
шую опасность космическое излучение представляет для экипажей воз-
душных судов, и особенно для космонавтов, так как последние лише-
ны защиты воздушно оболочки, а через тонкие стенки аппарата-спут-
ника частицы высокой энергии проникают без труда [Люцко А.М. и
äð., 1996].
2. Природные радиоактивные вещества
Их условно можно разделить на три группы. В первую группу входят
нуклиды радиоактивных семейств (рядов)
ми их распада. Ко второй группе относятся радиоизотопы, находящиеся в
земной коре и объектах внешней среды с момента образования Земли:
235
U,
238
232
U è
Th с продукта-
67
40
Ê, 87Rb, 48Ñà, 96Zn,
130
129
Te,
I è äð. К третьей группе принадлежат
радиоактивные изотопы 14C, 3H, 7Be, 10Be, образующиеся непрерывно
под действием космического излучения [Белов А.Д. и др., Радиобиоло-
ãèÿ. 1999].
В процессе формирования Земли в состав ее коры, наряду со ста-
бильными нуклидами, вошли и радионуклиды. Большая часть этих
радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам
(рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных
превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского
ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчи-
вое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который
не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и
биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родона-
чальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе
существует три родоночальника уран-235, уран-238 и торий: 232, и
соответственно три радиоактивных ряда два урановых и ториевый.
Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца. Радиоактив-
ный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радио-
нуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие,
но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые
быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени уста-
новилось равновесие («вековое равновесие») скорость распада каж-
дого радионуклида равна скорости его образования [Белоус Д.А., 2004].
Существуют радионуклиды, которые вошли в состав земной коры
в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урано-
вым и ториевому рядам. В природе концентрация естественных радио-
нуклидов варьирует в широких пределах. Больше всего в окружающей
87
среде
Rb и 40К. Радиоактивность 40К в земной коре превышает радио-
активность суммы всех других естественных радиоактивных элементов
за счет жесткого бета- и гамма-излучений. Радиоактивный калий со-
ставляет около 0,012 % всего природного калия или 2,5 % от всех
природных радионуклидов земной коры. Больше всего 40К содержится
в ископаемых калийных солях. Радиоактивный калий является основ-
ным радионуклидом, создающим природную активность кормов и сель-
скохозяйственной продукции в большинстве геохимических провин-
ций Земли [Анненков Б.Н. и др., 1991].
Земная кора и почва
Поскольку радионуклиды образуют в природе определенные соеди-
нения и в соответствии со своими химическими свойствами входят в
состав определенных минералов, то распределение естественных радио-
68
нуклидов в земной коре неравномерно. Весьма существенные различия
в концентрации радионуклидов отмечаются в почвах разных типов.
Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами,
чем песчаники и известняки за счет процессов сорбции. Чернозем за-
нимает промежуточное место [Симак С.В. и др., 1998; Белов А.Д. и др.,
1999; Анненков Б.Н. и др., 1991].
Радиоактивные тяжелые элементы (U, Th, Ra) содержатся пре-
имущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного
шара доза гамма-излучения разных земных пород у поверхности Зем-
ли колеблется в широких пределах 0,2611,5 мГр/год. Однако име-
ются районы (например, бразильский курорт Гуарапари; штат Керала
в Индии моноцитовые пески; Китай, Гуандон), где вследствие
выхода на поверхность Земли радиоактивных руд и пород, а также
значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона
составляет 0,120,7 Гр/год, что в 100500 раз выше среднемирового
фона [Белов А.Д. и др., 1999].
Природные воды
Естественные радионуклиды обнаруживаются во всех типах при-
родных вод. Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и
радий, образующие растворимые комплексные соединения, которые
вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их
радиоактивных превращений (
222
Rn è
220
Th). Концентрация радиоак-
тивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание
их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, клима-
тических факторов, рельефа местности и т. д. Концентрация урана,
радия и тория особенно высока в подземных водах. В южных реках с
высокой степенью минерализации содержание урана обычно выше,
чем в северных реках с относительно низкой минерализацией. Из дол-
гоживущих естественных радионуклидов в природных водах больше
всего 40К до 330 пКи/л (в морской воде). Концентрация радионукли-
дов в дождевой воде невелика, исключение составляет 3Н и 7Ве, кон-
центрация которых может достигать десятков пКи/л [Анненков Б.Н. и
др., 1991; Белов А.Д. и др., 1999].
Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радио-
активных веществ в газообразном состоянии (
14
С, 3Н) или в виде аэрозолей (40К, уран, радий и др.) [Белов А.Д. и
222
Rn è
220
Th (торон),
др., Радиобиология 1999]. Радионуклиды поступают в атмосферу раз-
личными путями. Некоторое количество радионуклидов попадает в воздух
в результате выветривания земных пород и разложения органических
веществ. Определенная доля радиоактивности атмосферы обусловлена
69
наличием в воздухе космогенных радионуклидов. Существенное значе-
ние имеет диффузия из почвы в приземные слои атмосферы радона
222
(
Rn) и торона (
пада соответственно
220
Th), являющихся продуктами радиоактивного рас-
226
Ra è
224
Ra [Анненков Б.Н. и др., 1991].
Радиоактивность атмосферного воздуха варьирует в широких пре-
делах 7,4.104 16,3.103 Бк/л (2.10
14
4,4.10
13
Ки/л) и зависит от
местоположения (в атмосферном воздухе над сушей концентрация ра-
дионуклидов выше, чем над океаном), содержания радионуклидов в
материнских земных породах, времени года, состояния атмосферы и т. д.
[Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991].
Во флоре и фауне концентрация естественных радионуклидов обыч-
но не велика, так как большинство из них не являются биогенами и
плохо усваиваются растительностью и животными. Исключение со-
ставляют 40К, 14С, 3Н, 18О и 22Na, которые усваиваются растениями и
животными весьма интенсивно [Анненков Б.Н. и др., 1991; Симак С.В.
è äð., 1998].
Таким образом, растения и животные подвергаются воздействию
внешних источников природного радиационного фона космическая ра-
диация и излучения естественных радионуклидов, рассеянных в почве,
воде, воздухе, строительных и других материалах, а также внутренних
источников природной радиации, содержащихся в самом организме и
поступающих в него с пищей, водой и воздухом.
Природный радиационный фон является одним из экологических
факторов, для всех живых организмов Земли. Действие его непрерывно
и отличается широкой вариабельностью. В ходе многих экспериментов
было доказано, что наличие природного радиационного фона необхо-
димо для нормального роста и развития всего живого на Земле. Кроме
того, природный радиационный фон является одним из поставщиков
материала для естественного отбора (мутации) и одним из факторов
видообразования.
Естественный радиационный фон в разных местах земного шара раз-
íûé. Это связано с тем, что с высотой над уровнем моря фон увеличи-
вается за счет космического излучения, в местах выхода на поверх-
ность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также
выше. Природные радионуклиды имеют способность избирательно на-
капливаться в определенных видах растений, животных, рыб. Это при-
водит к более высокому содержанию какого-либо из радионуклидов в
определенном продукте питания по сравнению с другими. В результате
жители, потребляющие в соответствии с традициями национальной
кухни данный продукт в больших количествах, получают и большие
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]