Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационная экология. Учебное пособие
.pdf
11
Химический
элемент
Обозначение
Порядковый
номер (Z)
Массовое
число (A)
Период
полураспада
209
2 ⋅ 1019 лет
210
3,04 ⋅ 106 лет
Берклий
Bk
97
247
1,38 ⋅ 103 лет
Углерод C 6
14
5 730 лет
Кадмий
Cd
48
113
9 ⋅ 1015 лет
Хлор
Cl
17
36
3 ⋅ 105 лет
38
38 мин
Кюрий
Cm
96
247
4 ⋅ 107 лет
Кобальт
Co
27
60
5,27 года
Цезий
Cs
55
137
30,1 года
Эйнштейний
Es
99
254
1,3 года
Фтор F 9
18
110 мин
Железо
Fe
26
59
45 дней
Франций
Fr
87
223
22 мин
Галлий
Ga
31
68
68 мин
Водород H 1
3
12,3 года
Йод
I
53
131
8 дней
Иридий
Ir
77
192
74 дня
Калий K 19
40
1,25 ⋅ 109 лет
Молибден
Mo
42
99
66 ч
Азот
N 7 13
10 мин
Натрий
Na
11
22
2,6 года
24
15 ч
Нептуний
Np
93
237
2,1 ⋅ 106 лет
Кислород O 8
15
124 с
Фосфор P 15
32
14,3 дня
Протактиний
Pa
91
231
3,3 ⋅ 104 лет
Полоний
Po
84
210
138,4 дня
214
0,16 с
Плутоний
Pu
94
238
87,7 года
239
2,44 ⋅ 104 лет
12
Химический
элемент
Обозначение
Порядковый
номер (Z)
Массовое
число (A)
Период
полураспада
242
3,3 ⋅ 105 лет
Радий
Ra
88
226
1,6 ⋅ 103 лет
Рубидий
Rb
37
82
76 с
87
49,7 ⋅ 109 лет
Радон
Rn
86
222
3,83 дня
Сера S 16
35
87 дней
Самарий
Sm
62
147
1,07 ⋅ 1011 лет
148
6,3 ⋅ 1015 лет
149
> 2 ⋅ 1015 лет
Стронций
Sr
38
89
50,5 дня
90
28,8 года
Технеций
Tc
43
99
2,1 ⋅ 105 лет
Теллур
Te
52
128
2 ⋅ 1024 лет
Торий
Th
90
232
1,4 ⋅ 1010 лет
Уран U 92
233
1,6 ⋅ 105 лет
234
2,5 ⋅ 105 лет
235
7,1 ⋅ 108 лет
238
4,5 ⋅ 109 лет
Ксенон
Xe
54
133
5,3 дня
Иттрий Y 39
90
64 ч
Из 300 известных радионуклидов радиэкологов интересуют около 20.
Различают природные (естественные) радионуклиды и искусственные, появление которых во внешней среде вызвано деятельностью человека.
Радиоактивное излучение как самопроизвольное испускание лучей ― это
естественный процесс, существовавший задолго до образования Земли. Радиоактивное излучение является частью более общего понятия ―ионизирующее
излучение.
Ионизирующее излучение ― это излучение, испускаемое в процессе рас-
пада. Состоит из потока частиц (α-частицы, электроны, протоны, нейтроны
и др.) и/или квантов электромагнитных излучений, т.е. электромагнитной энергии (рентгеновские, γ-лучи), которые, проходя через вещество, например, через
ткани, приводят к ионизации и возбуждению атомов. Подробнее: α-лучи ― это
13
ядра атома гелия, β-лучи представляют поток электронов, а γ-лучи ― это поток квантов с большой энергией. Рентгеновские лучи возникают при торможении быстрых электронов в рентгеновских трубках и ускорителях.
Протоны, альфа- (α-) и бета- (β-) частицы производят ионизацию
самостоятельно, их называют непосредственно ионизирующими частицами.
Нейтроны, гамма- (γ-) и рентгеновы лучи сами не вызывают ионизации,
но, возбуждая атомы веществ, заставляют их выделять непосредственно ионизирующие частицы. Поэтому нейтроны и электромагнитное излучение называют косвенно ионизирующим излучением.
Основными свойствами ионизирующих излучений являются проникаю-
щая и ионизирующая способности.
Проникающая способность характеризуется путем пробега частицы
в среде. Она максимальна для γ-лучей и минимальна для α-лучей.
Ионизирующая способность характеризует количество ионов,
образующихся при движении частицы в среде на единицу расстояния. Она,
напротив, максимальна для тяжелых α-частиц и минимальна для γ-излучения.
Различают пять видов радиоактивного распада [1]:
1. Радиоактивный (многоступенчатый) α-распад, характерный для урана, радия, тория ― «радиационных часов» планеты, отсчитывающих время ее
образования и эволюции. Например, радий (Ra), испуская α-частицы и
γ-(гамма) излучение, превращается в радон (Rn); затем образовавшийся радон
повторно излучает α-частицы, превращаясь в полоний, α-распад которого приводит к образованию стабильного свинца (Pb).
2. Электронный β-распад характерен для большинства естественных, а
также ряда искусственных радионуклидов, относящихся к группе ядерноэнергетических загрязнителей среды. Один из нейтронов, составляющих нестабильную нейтроно-нейтронную пару, выбрасывает (на примере 40К) электрон,
преобразуясь в протон и меняя тем самым массовое число вещества. Появившийся протон, взаимодействуя со свободным ядерным нейтроном, ведет к стабилизации ядра; ядро «остывающего» образовавшегося стабильного кальция
испускает γ-квант.
3. Позитронный β-распад, при котором массовое число остается неизменным, характерен для распространенного в лабораторной практике радиоактивного фосфора.
4. К-захват (захват орбитального электрона ядра) — превращение, характерное, как и в предыдущем случае, для лабораторных «университетских»
загрязнителей среды. Возбужденное, захватившее электрон ядро является здесь
источником рентгеновского излучения.
14
5. Деление ядер, характерное для радиоактивных элементов с большими
массовыми числами (урана, плутония и др.), происходит под воздействием медленных нейтронов. Естественное деление урана, судя по исследованиям в урановых рудниках в Габоне (Африка), происходило около 1,8 млрд лет назад при
концентрации
235
U порядка 3 % (вместо современных 0,7 %). При делении урана-
235 образуются стронций-88, цирконий-90. При делении ядра происходит вы-
брос громадных энергий всех спектров и образование осколков ядерного деления, которые с избыточным числом нейтронов в ядре претерпевают несколько
последовательных β-распадов до превращения в стабильный изотоп циркония.
Радиоактивный распад, независимо от его вида, вещества и состояния
среды, в которых происходят ядерные превращения (температуры, давления,
химических и биологических воздействий), подчиняется экспоненциальному за-
кону: число распадающихся в данный момент ядер пропорционально общему
количеству нестабильных ядер в веществе, что ведет к снижению скорости распада по мере снижения количества нестабильных ядер.
Интенсивность радиоактивного распада характеризуется активностью.
Радиоактивность, активность (А) ― мера радиоактивности какого-либо ко-
личества радионуклеотида; определяется количеством радиоактивных распадов
за определенный период времени по формле: А = dN / dt, где А ― активность
(распадов/мин); dN ― ожидаемое число спонтанных ядерных превращений за
время dt; dN зависит от числа ядер.
Современная единица радиоактивности в системе СИ — беккерель
(Бк) — названа в честь французского ученого А. Беккереля. 1 Бк — количество
радиоактивного вещества, в котором происходит одно ядерное превращение
в секунду: 1 Бк = 1 распад/с [3].
Внесистемной (но более распространенной) единицей, создаваемой 1 г
радия, является кюри (Ки), названная в честь супругов Пьера и Марии Кюри,
положивших начало цепи открытий радиоактивных элементов. 1 Ки — количество радиоактивного вещества, в котором происходит 3,7 · 1010 ядерных превращений в 1 с: 1 Ки = 3,7 · 1010 Бк, т.е. распадов/с [3].
Для обозначения больших либо меньших величин, производных от указанных единиц, используются следующие приставки:
103 кило
106 мега
109 гига
1012 тера
1015 пета
1018 экса
10−1 деци
10−2 санти
10−3 милли
10−6 микро
10−9 нано
10
−12
пико
10
−15
фемто
10
−18
атто
10
−21
зепто
10
−24
иокто
15
Связь между некоторыми системными (СИ) и внесистемными единицами
показана в табл. 2 [2, 3].
Таблица 2
Связь между некоторыми системными (СИ)
и внесистемными единицами
Величина
Наименование и обозначение
единицы измерения
Соотношения между
единицами
Внесистемные
Си
Активность
нуклида, А
Кюри (Ки, Ci)
Беккерель (Бк, Bq)
1 Ки = 3.7 · 10
10
Бк
1 Бк = 1 расп/с
1 Бк = 2.7 · 10
-11
Ки
Экспозиционная
доза, X
Рентген (Р, R)
Кулон/кг
(Кл/кг, C/kg)
1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг
1 Кл/кг = 3,88 · 103 Р
Поглощенная
доза, D
Рад (рад, rad)
Грей (Гр, Gy)
1 рад = 10-2 Гр
1 Гр = 1 Дж/кг
Эквивалентная
доза, Н
Бэр (бэр, rem)
Зиверт (Зв, Sv)
1 бэр = 10-2 Зв
1 Зв = 100 бэр
Интегральная
доза излучения
Рад-грамм (рад · г,
rad · g)
Грей-кг (Гр · кг, Gy · kg)
1 рад·г = 10-5 Гр · кг
1 Гр·кг = 105 рад · г
Радиоактивное загрязнение ― присутствие радиоактивных веществ на
поверхности, внутри материала, в воздухе, в теле человека или в другом месте в
количестве, превышающем уровни, установленные нормами и правилами.
Радиоактивное загрязнение может быть внутренним и поверхностным. При
этом поверхностное загрязнение может быть снимаемым (фиксированным) и
неснимаемым (нефиксированным). Неснимаемое вызывается радиоактивными
веществами, которые не переносятся при контакте на другие предметы и не
удаляются при дезинфекции.
Радиоактивное вещество ― вещество в любом агрегатном состоянии,
содержащее активные радионуклеотиды.
Облучение радиоактивное ― воздействие на человека ионизирующего
излучения. Может быть аварийное (в результате радиационной аварии), меди-
цинское (в результате медицинского обследования и лечения), производственное (облучение работников в процессе производственной деятельности), а так-
же в зависимости от источника может быть природное (обусловлено природными источниками излучения) и техногенное (облучение от техногенных ис-
точников как в нормальных, так и в аварийных условиях).
16
Мощность дозы ― доза излучения за единицу времени (с, мин, ч).
Источник (устройство) излучения ― радиоактивное вещество либо
устройство, способное испускать ионизирующее излучение.
Эффекты излучения ― это вредные биологические последствия, вы-
званные ионизирующим излучением. Эффекты могут быть детерминированные
и стохастические. В отношении детерминированных эффектов существует по-
рог, ниже которого эффект отсутствует, а выше ― тяжесть эффекта зависит от
дозы. Стохастические эффекты не имеют дозового порога возникновения, вероятность их возникновения пропорциональна дозе, а тяжесть появления не зависит от дозы.
Дезактивация ― это удаление или снижение радиоактивного излучения.
Радиационный фон Земли. История появления.
Космическое излучение
Примерно 2‒2,5 млрд лет назад биосфера Земли существовала в естественной бескислородной среде, отличалась низким разнообразием и отсутствием озонового слоя, в результате чего радиационный фон был более агрессивным, т.е. отличался повышенной радиацией, источником которой было как
космическое излучение, так и радионуклиды литосферы. Около 1‒1,2 млрд лет
назад (докембрийский период) в первичной биосфере Земли происходит появление фотосинтетиков и, следовательно, кислорода. Формирование кислородсодержащей атмосферы вызвало изменение радиационного фона благодаря
формированию озонового слоя, наземной флоры, фауны и почв, экранирующих
и перераспределяющих первичный радионуклидный состав литосферы [1].
Эпохи усиленного уранонакопления и повышения радиоактивности
мантии Земли: ранний карбон ― поздний девон (300 млн лет назад), граница
пермского и триасового периода, ― поздний пермский ― поздний юрский
период (200 млн лет) ― меловой период (100 млн лет).
Вместе с тем и в настоящее время существуют обитаемые территории
(расположенные на высоте 3‒5 тыс. м над уровнем моря), где спектр и дозы
внешнего космического излучения близки к докембрийскому. Постоянные изменения мантии Земли, столкновения плит земной коры, вулканические процессы привели к формированию территорий, радиоактивность которых резко
превышает фон, это так называемые аномальные естественные территории
повышенной радиоактивности [4].
17
Со второй половины XX в. в процесс радиоактивного изменения среды
включается человек, формирующий аномальные антропогенные территории с
резко повышенной радиоактивной загрязненностью среды. За исключением
аномальных естественных и антропогенных районов повышенной
радиоактивности, радиоактивные вещества (и естественные, и искусственные)
достаточно равномерно распределены в окружающей среде.
Всего в окружающей нас природной среде насчитывается около 300 радионуклидов, как естественных, так и получаемых человеком ― искусственных. В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов. При
работе реакторов образуется около 80, при ядерных взрывах ― около 200, промышленностью России выпускается более 140 радионуклидов. Большинство
радионуклидов техногенного происхождения являются искусственными.
Радиоактивный фон нашей планеты складывается из четырех основных компонентов [4]:
1) излучения, обусловленного космическими источниками;
2) излучения от рассеянных в окружающей среде первичных радионуклидов;
3) излучения от естественных радионуклидов, поступающих в окружающую
среду от производств, не предназначенных непосредственно для их получения;
4) излучения от искусственных радионуклидов, образованных при ядер-
ных взрывах и вследствие поступления отходов от ядерного топливного цикла
и других предприятий, использующих искусственные радионуклиды.
Первые два компонента определяют естественный радиационный фон.
Третий и четвертый компоненты определяются как техногенно-измененный или
антропогенный радиационный фон и формируются главным образом за счет вы-
бросов естественных радионуклидов при сжигании органического топлива, поступления их при использовании минеральных (в первую очередь фосфорных)
удобрений и их содержания в строительных конструкциях и материалах.
Один из компонентов естественного радиоактивного фона Земли ― космическое излучение. Космические излучения являются видоизмененными первич-
ным космическим (галактическим) (93 %) и солнечным потоками частиц высоких
энергий. Энергия потока частиц галактического происхождения составляет
100 МэВ, достигая 1014 МэВ, энергия частиц солнечного потока — 20 МэВ.
Первичные космические частицы представлены в основном протонами и
более тяжелыми протонно-нейронными обломками ядер, они проникают до высоты около 20 км над уровнем моря. Большая часть протонов огибает Землю
благодаря ее магнитным полям (защитная функция которых зависит от широты,
снижаясь к полюсам и возрастая к экватору). Помимо магнитных полей, потоки
18
космических излучений резко снижают радиационные протонные пояса планеты — относительно узкий экваториальный и более обширный, простираю-
щийся от экватора до широт 30‒60°.
В связи с этим суммарная доза космического излучения меняется соответственно от 35 мбэр на экваторе до 140‒800 мбэр на полюсах.
Первичные космические частицы образуют при взаимодействии с атмо-
сферой вторичное высокоэнергетическое излучение из нейтронов, протонов,
электронов, фотонов и т.п. Частицы вторичного космического излучения вызывают ряд взаимодействий с ядрами атомов азота и кислорода, при этом образуются космогенные радионуклиды, воздействию которых подвергается население
Земли. К этой категории относится 14 радионуклидов, из них основное значение с точки зрения внутреннего облучения населения имеют 3Н и 14С, внешнего ― 7Be, 23Na, 22Na.
Интенсивность космического излучения зависит от активности Солнца
и периодически меняется вследствие 11-летнего цикла солнечной активности,
возрастая в период всплеска солнечной активности в два-три раза и более. Также она зависит от географического расположения объекта и возрастает с высотой.
Существенный вклад в снижение дозы внешнего облучения вносят
строительные материалы жилищ, стены и крыши которых являются
эффективными экранами космического излучения. Вместе с тем в помещениях
вследствие усложнения геометрии излучателей (стен, пола, потолка) и роста
мощности потока фотонного излучения от современных строительных
материалов дозы могут резко возрастать, превышая естественный фон в 2‒6 раз.
1.2. Естественный радиационный фон Земли.
Естественные нуклиды и аномальные зоны
Естественный радиационный фон Земли. Аномальные зоны
повышенной естественной радиоактивности среды
Естественный радиационный фон Земли складывается из трех со-
ставляющих [4]:
1. Во-первых, из излучений от рассеянных в почве, воде, воздухе ради-
онуклидов, возраст которых совпадает с возрастом планеты. К таким радио-
нуклидам относятся калий-40 (40К), уран-238 (
238
U), торий-232 (
232
Th) и продук-
ты распада тория и урана, радона (
219-282
Rn), радия (
226
Ra). Первичным геоло-
19
гическим источником большинства радионуклидов фона являются верхние
слои литосферы (граниты, сланцы, песчаники и др.), постоянное преобразование которых под воздействием сапрофитной микрофлоры почв, воды, воздуха,
перепадов температур ведет к миграции излучателей в почву, растительность,
животный мир.
2. Второе место в формировании радиационного фона занимают внешние
радиационные воздействия, дополняющие стабильный спектр внутреннего
облучения. Они складываются из излучений космических, фотонных и корпускулярных (преимущественно нейтронных), а также от естественных радиоактивных γ-излучателей вне организма (стены жилья, скопившиеся инертные газы, почва). Космические мы рассматривали выше.
3. Незначительный вклад в метаболизм среды вносят радионуклиды, об-
разующиеся в верхних слоях атмосферы под воздействием потока нейтронов
космического происхождения, при взаимодействии газов стратосферы с потоком ядерных частиц высоких энергий из разных областей Вселенной.
В естественном радиационном фоне Земли выделяют аномальные тер-
ритории повышенной естественной радиоактивности среды. Они наблюдаются вследствие действия следующих факторов [4]:
1. С подъемом на высоту снижаются парциальные давления кислорода и
углекислоты — основных акцепторов энергий квантов и частиц, что ведет к росту плотности потока наиболее агрессивных компонентов фона, нейтронного
излучения, вторгающихся в атмосферу из космоса.
2. Тормозные (экранирующие) функции атмосферы снижаются и в
направлениях к северу, югу от экватора. Мощность геомагнитных полей,
замыкающихся на полюсах и экранирующих радиационных поясов, снижается с
удалением от экватора, что позволяет тяжелым заряженным частицам
(сверхбыстрым протонам, нейтронам, осколкам ядер высоких энергий)
достигать здесь поверхности планеты и взаимодействовать с составляющими
биосферы, растительностью, животным миром, населением. Таким образом,
экватор ― территория максимальной геомагнитной и экранирующей защиты.
В результате на территории с максимальной высотой над уровнем моря
и максимальной отдаленностью от экватора мощность радиационного
фактора может превышать естественную норму средних широт в десятки и
более раз.
Тем не менее в большинстве случаев такие районы не только обжиты, но и
считаются более здоровыми по сравнению с равнинными территориями средних
широт. В высокогорьях Памира, например, проводятся тренировки определенных
20
групп профессиональных спортсменов с последующим формированием высокой
стайерской выносливости. Территории Альпийского пояса, Карпат являются
зонами оздоровительного отдыха и отличаются, помимо характерных
экосистемных норм, более высокой детородной функцией коренных популяций.
Прирост населения здесь, как правило, высок, резко отличаясь от аналогичных
(отрицательных) характеристик здоровья населения западноевропейских стран.
Известно несколько территорий с повышенным фоном естественного
космического излучения: Западное Закавказье, Карпаты, Альпийский пояс, Памир, Гималаи, Заполярье.
3. На нашей планете существуют также территории с повышенной радиоак-
тивностью, обусловленной аномальной структурой земной коры, имеющей особенности строения горных пород из компонентов, содержащих большие количества естественных радиоактивных веществ, проникших в верхние слои литосферы, в том числе в почвенные покровы. Таковыми породами могут быть монацитовые и богатые торием пески, гранитные, сланцевые породы и ряд других.
Территориями с повышенной радиоактивностью являются монацитовые
районы штатов Керала и Мадера (Индия), где доза облучения населения достигает 3 924 мбэр/год, что в 30 раз выше дозы, получаемой населением средних
широт, принятой за норму; ряд районов Бразилии (штаты Рио-де-Жанейро, Минад-Энейрас, поселок Гуарапари) и остров Ниуэ (Тихий океан) с годовыми
дозами облучения населения, достигающими 1 150‒1 800 мбэр/год, что
в 8,5‒13 раз выше нормы. На указанных территориях проживают в общей
сложности около 500 тыс. человек.
К территориям повышенного радиоактивного фона в нашей стране следует отнести все горно-складчатые периферические области: Урал, Магнитогорск,
Нижний Тагил, Красноярск и др. (около 1‒1,5 млн человек) [4].
Источники излучений здесь не только формируют повышенные лучевые
нагрузки, но и включены в метаболизм всех звеньев экосистем, накапливаясь в
организме проживающих здесь жителей.
В отличие от районов средних широт с умеренным радиоактивным фоном, лучевые нагрузки на население здесь превышают естественный фон
в 10‒15 (порой в 30) раз. Не менее 30 % излучателей здесь представлены
α-активными радионуклидами группы урана-тория, формирующими преимущественные лучевые нагрузки на гонады, кроветворные ткани, мозг. Вместе с
тем это не меняет, а порой улучшает состояние здоровья местных жителей.
В эволюционном плане именно эти территории явились местами эффективного (конкурентного) видообразования современных сельскохозяйственных растений, животных, человека.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]