Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии учебное пособие - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Курс лекций по психиатрии и наркологии (учебное пособие) 11 4182.42kb.
Курс лекций по данной дисциплине. Учебное пособие издается в соответствии... 3 1052.59kb.
Учебное пособие Черемхово, 2013 ббк 86. 2(2) ф 34 7 2867.92kb.
Учебное пособие Третье издание, переработанное и дополненное Томск... 9 894.81kb.
Курс лекций учебное пособие Ижевск фгоу впо ижевская гсха 2009 (075. 4 1361.66kb.
Учебное пособие по литературе. Омск: Омгкпт, 2006 -74 с. Учебное... 5 1073.75kb.
В. И. Гинецинский характер гинецинский В. И. Пропедевтический курс... 1 124.91kb.
Учебное пособие для I курса факультетов иностранных языков Балашов... 14 1035.74kb.
Учебное пособие для студентов и преподавателей Биохимия. Краткий... 1 45.22kb.
Учебное пособие. Москва, Высшая школа, 2003 12 3953.59kb.
Учебное пособие для слушателей интенсивный курс обучения английскому... 2 784.05kb.
Баюров Л. И. Радиобиология 9 4104.19kb.
- 4 1234.94kb.
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии учебное пособие - страница №2/4


Лекция 3. Ядерные превращения
1. Типы ядерных превращений

2. Радиоактивные семейства

3. Ядерная реакция и ее сущность

4. Закон радиоактивного распада и единицы радиоактивности
1. Типы ядерных превращений
Ядра многих изотопов являются неустойчивыми из-за нарушения энергии связи между нуклонами. Обладая излишком энергии, такие ядра претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется их первоначальный состав. Ядро атома материнского элемента превращается в ядро другого (дочернего) атома, имеющего новые физико-химические свойства. Переход нестабильных ядер в устойчивое состояние сопровождается α-, β- и γ-излучениями.

Существует три типа ядерных превращений:

1). α-распад. Теория альфа-распада была разработана в 1928 г. независимо друг от друга советским (а затем американским) физиком Георгием (Джорджем) Гамовым, английским ученым Р. Гёрни и американским физиком Эдвардом Кондоном.

При этом типе происходит испускание лучей ядром нестабильного атома, представляющих собой поток α-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей 2p и 2n ядро материнского элемента превращается в ядро дочернего, в котором заряд (порядковый номер) уменьшается на 2, а массовое число - на 4 единицы.



Например: 88Ra226 ® 2He4+ 86Rn222 + Q

В результате α-распада может образоваться дочерний элемент с также неустойчивым ядром. В таком случае он вновь претерпевает либо α, либо другой тип распада.

В основном альфа-распад наблюдается у большинства тяжелых по массе элементов как естественного, так и искусственного происхождения. Известно более 200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за свинцом, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82.

2). β-распад. Этот тип встречается у легких и средних по массе ядер. При этом существуют β+ (позитронный) и β- (электронный) распады. Бета-распад имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возника-

ет вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравне-

нию с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости изотопа. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).



Позитронный распад происходит с ядрами тех элементов, в которых количество нейтронов меньше, чем в ядрах стабильных изотопов. При этом один из протонов превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается в ядре дочернего элемента, а позитрон и нейтрино вылетают из него.

Поэтому в новом ядре образованного при этом элемента будет на один протон меньше и на один нейтрон больше при равной атомной массе.



Например: 6C11® 5B11 + e+ +υ +Q

Данный тип распада наблюдается также у N13, O15, F18, Na22, Co56,58 и др.

Позитроны были открыты в 1932 г. в потоке космических лучей американским физиком Карлом Андерсоном (Нобелевская премия по физике, 1936).

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время из-за аннигиляции с электроном. Так, например, в свинце позитроны аннигилируют, в среднем, за 510-11 сек.

В физике термин «аннигиляция» буквально означающий «исчезновение», «уничтожение» (лат. annihilatio от ad - «к» и nihil - «ничто») принят для наименования процесса, в котором частица и отвечающая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение - фотоны или кванты физического поля иной природы. Так, при соударении электрона и его античастицы - позитрона - оба могут исчезнуть, образовав два фотона (γ-кванта).

Электронный распад наблюдается у изотопов тех элементов, в ядрах которых имеется большее число нейтронов в сравнении со стабильными изотопами. В этом случае один из нейтронов превращается в протон, электрон и антинейтрино. При этом протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино вылетают из него. Таким образом, в ядре нового элемента при той же атомной массе будет на один протон больше и на один нейтрон меньше, чем у материнского.

Например: 15P32® 16 S32 + e- +υ~ + Q

Такой тип распада присущ также радиоизотопам Be10, Mg27, Si31, Cl36, Zr86 и др.

3). электронный (K-, L-, М-) захват был открыт в 1937 г. американским физиком Луисом Альваресом (Нобелевская премия по физике, 1968), хотя был предсказан еще в 1935 г. японскими учеными Х.Юкавой и С.Сакатой.

Он происходит в том случае, когда масса (в единицах энергии) материнского атома больше массы дочернего атома на величину, большую энергии связи захватываемого электрона. Если это превышение больше, чем 2 mc2 =1,02 МэВ (где m - масса покоя электрона, а с - скорость света), то с электронным захватом начинает конкурировать позитронный, т.е. β+- распад.

При этом типе распада происходит захват ядром атома электрона с одной из ближайших орбит. К-захват происходит в 100 раз чаще, чем L. Захваченный ядром электрон, соединяясь с протоном, превращается в нейтрон, а из ядра вылетает нейтрино.

Освободившееся место на К-, L- или М- орбите сразу же заполняется электроном с более отдаленной от ядра орбиты, а сам атом дополнительно испускает квант характеристического рентгеновского излучения.



Например: 25Mn54 + e-K ® 24Cr54 +υ + C-квант + Q

Такой тип распад присущ также Na22, Al26, Ca41, Fe52, Zn62 и ряду др.

Ядра некоторых изотопов могут одновременно подвергаться нескольким

типам распада. Так, у самого распространенного на Земле радиоизотопа К40

наблюдаются электронный и позитронный распады:

19K40 ® 20Ca40 + υ~ + +Q или 19K40 ® 18Ar40 + e+ + υ + Q
2. Радиоактивные семейства
В природе постоянно происходят распады радиоизотопов. При этом образуются как стабильные, так и нестабильные ядра новых элементов. Нестабильные изотопы при этом вновь вступают в ядерные распады. Этот процесс может представлять собой очень длительное явление и проходить через ряд промежуточных элементов. Такая цепочка элементов, связанных между собой, называется радиоактивным семейством (рядом). Каждое из них носит название своего родоначальника.

Если изотоп принадлежит к естественному радиоактивному семейству, то он обязательно присутствует в природе, даже если скорость распада его ядер очень велика.

Связано это с тем, что в радиоактивных семействах с течением времени устанавли-

вается так называемое вековое равновесие.

Время достижения такого равновесия во всем ряду приблизительно равно 10 периодам полураспада самого долгоживущего промежуточного члена ряда. При веко-

вом равновесии скорости образования изотопа и его распада равны. Поэтому содер-

жание такого изотопа остаётся практически неизменным в течение столетий.

Некоторые изотопы радиоактивных семейств - распадаются не по одному, а по двум типам (- и -распады).

Всего существует три естественных и одно искусственное радиоактивные семейства:

1). семейство урана-238 (92U238). Иногда это семейство обозначается также как семейство урана - радия, т.к. наиболее важным его представителем является изотоп 88Ra226 .

Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом и назван им в честь одноименной планеты.

Кстати, это имя в древнегреческой мифологии носил бог неба, супруг Геи (Земли), отец титанов, циклопов и сторуких исполинов, который был свергнут собственным сыном Кроносом.

Более пятидесяти лет «уран Клапрота» считался металлом. И только в 1841 г. французский ученый Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, «уран Клапрота» не чистый элемент, а его окисел - UO2. В металлическом состоянии уран был получен Пелиго при восстановлении хлорида урана (UCl4) металлическим калием.

2). семейство урана-235 (92U235). Иногда используется еще одно название - семейство актиноурана (89Ac227).

3). семейство тория-232 (90Th232).Торий был открыт в 1828 г. шведским химиком Йенсом Берцелиусом в одном из редких минералов горных пород Норвегии. Свое название он получил в честь Тора - всемогущего древнескандинавского бога войны.

Кстати, именно Й.Берцелиус в 1813 г. предложил обозначать химические элементы начальной или начальной и одной из последующих букв их латинского названия. Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 г. другим известным шведским химиком Ларсом Нильсоном, ставшим также первооткрывателем скандия.

Следующее важное событие в истории элемента № 90 произошло в 1898 году, когда независимо друг от друга и практически одновременно Мария Склодовская-Кюри и немецкий ученый Герберт Шмидт обнаружили, что торий радиоактивен. Склодовская-Кюри отметила тогда же, что активность чистого тория даже выше активности урана.

Конечным продуктом распада во всех трех семействах является один из стабиль-

ных изотопов свинца: Pb206 - в семействе U238, Pb207 - в семействе U235 и Pb208 - в семействе Th232.

С момента получения искусственных радиоизотопов было выделено еще одно семейство. Его родоначальником является изотоп 93Np237.

Нептуний был первым из открытых трансурановых элементов и назван в честь планеты Нептун. В виде изотопа Np239 он впервые был получен Эдвином Макмилланом и Филиппом Эйблсоном (Абельсоном) в 1940 г. в Калифорнийском университете (г. Беркли) при бомбардировке ядер урана нейтронами.

Нептуний-237 получают как побочный продукт при производстве плутония

в ядерных реакторах. Конечным продуктом его распада является висмут-209 (83Bi209).


3. Ядерная реакция и ее сущность
В 1919 г. Эрнест Резерфорд впервые искусственным путем превратил один элемент в другой. Для этого он облучил атомы N14 α-лучами одного из изотопов полония. В результате этого образовались один из изотопов кислорода и ядро водорода (протон):

7N14 + 2He4 8O17 + 1H1

Эта реакция сопровождалась поглощением энергии, поскольку масса ее продуктов – кислорода и катиона водорода – несколько превышала массу компонентов, вступавших в реакцию.

В том же году в лаборатории Резерфорда была осуществлена другая ядерная реакция:

4Be9 + 2He46C12 + 0n1

Это привело к открытию нейтрона и последующему изучению его свойств (Дж.Чедвик, 1932-1935 г.г.). Физики всего мира занялись изучением свойств этой частицы. Предполагалось, что лишенный электрического заряда и не отталкиваемый положительно заряженным ядром, нейтрон будет с большей вероятностью вызывать ядерные реакции.

Более поздние результаты подтвердили эту гипотезу. В Риме Э.Ферми с сотрудни-

ками подвергли облучению нейтронами почти все элементы периодической системы и наблюдали ядерные реакции с образованием новых изотопов. Доказательством образования новых изотопов служила их искусственная радиоактивность в форме γ- и

β-излучений.

Процесс получения радиоактивного изотопа из стабильного был назван ядерной реакцией. Ее сущность состоит в следующем: ядра стабильных атомов при их бомбардировке элементарными частицами, сливаясь с ними, получают дополнительную энергию. В результате этого они переходят в возбужденное состояние, а их возвращение в стабильное состояние происходит за счет образования ионизирующих излучений различного вида.

Большой вклад в изучение ядерной реакции внес немецкий физик и радиохимик Отто Ган (Нобелевская премия по химии, 1944). Он впервые обнаружил явление ядерной изомерии у естественных радиоактивных элементов и применил радиоактивные методы для определения возраста геологических пород, процессов образования кристаллов и др.

В 1938 г. он совместно с немецким ученым Фритцем Штрассманом открыл деление ядер урана под действием нейтронов. Это открытие явилось первым шагом к использованию ядерной энергии.

В дальнейшем большой вклад в изучение механизма ядерных реакций внес выдающийся советский физик Георгий Николаевич Флёров, который в 1940 г. совместно с Л.И. Русиновым установил, что при делении ядра урана испускается более двух нейтронов, а совместно с К.А. Петржаком открыл спонтанное деление тяжёлых ядер.

В ядерном реакторе 1 г делящегося урана дает примерно один мегаватт тепловой энергии. Впервые управляемая ядерная реакция была осуществлена в США в 1942 г. в рамках проекта «Манхэттен» при создании атомного оружия. В работе над американской атомной бомбой принимали участие наиболее известные ученые мира, в том числе и знаменитый создатель теории относительности и один из создателей квантовой теории и статистической физики выдающийся немецкий ученый Альберт Эйн-



штейн (Нобелевская премия по физике, 1921).

В СССР управляемая ядерная реакция впервые была осуществлена в 1946 году под руководством Игоря Васильевича Курчатова.


4. Закон радиоактивного распада и единицы радиоактивности
При изучении явления радиоактивности было установлено, что с течением времени количество радиоактивных атомов уменьшается. Оно может происходить как очень быстро (доли секунды), так и очень медленно (миллионы и миллиарды лет).

При этом скорость уменьшения числа атомов является характерной особенностью для каждого радионуклида.

Поэтому, за единицу времени распадается всегда одна и та же доля радиоактивных атомов, независимо от их первоначального количества.

Эта закономерность получила название закона радиоактивного распада. Доля атомов элемента, распадающихся за единицу времени, получила название постоянной распада (λ-лямбда). Она измеряется в единицах, обратных времени (сек -1, ч -1,

сут -1, млрд. лет -1 и т.д.).

Кроме величины λ для характеристики данного закона также используется другая величина – период полураспада 1/2) - которую ввел в науку Э. Резерфорд (1900). Это время, в течение которого количество радиоактивных атомов уменьшается в два раза, т.е. наполовину.

Таким образом, радиоактивность прямо пропорциональна числу ядерных распадов за единицу времени (λ) и обратно пропорциональна периоду полураспада (Т1/2).

Считается, что полный распад любого радиоизотопа занимает промежуток времени, равный 10 Т1/2. Хотя на самом деле всегда остается ничтожно малое количество изотопа, который может образоваться за счет распада других материнских элементов.

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов.

Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ.

В качестве абсолютной единицы измерения радиоактивности (А) в системе СИ (SI) выбран беккерель (Бк, Bq), равный одному распаду в секунду.

Однако ввиду очень малого значения для выражения больших уровней радиоактивности параллельно этой системной единице применяют и внесистемную – кюри (Ки, Ci), равную 37 млрд. распадов в секунду. Эта величина выражает радиоактивность 1 г Ra226, предложенного в 1911 г. Марией Склодовской-Кюри в качестве эталонного источника.



Наряду с этим для измерения радиоактивности применяются различные кратные и дольные приставки (табл. 1).
Таблица 1. Приставки СИ для образования наименований десятичных кратных и дольных единиц

Приставка

Обозначение

Множитель

Пример

экса

Э

1018

эксабеккерель, ЭБк

пета

П

1015

петакюри, ПКи

тера

Т

1012

терабеккерель, ТБк

гига

Г

109

гигакюри, ГКи

мега

М

106

мегабеккерель, МБк

кило

к

103

килобеккерель, кБк

гекто

г

102

гектокюри, гКи

дека

да

101

декабеккерель, даБк

деци

д

10-1

децикюри, дКи

санти

с

10-2

сантикюри, сКи

милли

м

10-3

милликюри, мКи

микро

мк

10--6

микрокюри, мкКи

нано

н

10-9

нанокюри, нКи

пико

п

10-12

пикокюри, пКи

фемто

ф

10-15

фемтокюри, фКи

атто

а

10-18

аттокюри, аКи

Различают массовую, поверхностную и объемную удельную радиоактивность.



Массовая удельная радиоактивность- это отношение числа радиоактивных распадов за 1 секунду к единице массы пробы. Например, Бк или Ки/г, кг, ц, т и.т.д.

Поверхностная удельная радиоактивность - это отношение числа радиоактивных

распадов за одну секунду к единице площади пробы. Например, Ки или Бк/см2, м2, км2, га и т.д.

И, наконец, объемная удельная радиоактивность – это отношение числа радиоактивных распадов за одну секунду к единице объема пробы. Например, Бк или Ки /cм3, мл, л, м3 и т.д.

Лекция 4. Источники ионизирующего излучения
1. Радиационный фон и его компоненты

2. Искусственные источники излучения

3. Миграция радионуклидов в биосфере

1. Радиационный фон и его компоненты
В природе существует естественное облучение всех живых элементов, которое обусловлено постоянным действием радиационного фона. При этом различают естественный и техногенно измененный радиационный фон.

Первый из них обусловлен действием следующих источников радиации:

1). космическими лучами;

2). естественной радиоактивностью воздуха, почвы и воды;

3). естественной радиоактивностью пищи;

4). радиоактивностью самих живых организмов.

Существует три категории космических излучений:

1). постоянно действующее излучение Галактики;

2). солнечное излучение;

3). излучение двух радиационных поясов Земли.

Эти категории излучений составляют так называемое первичное космическое излучение. Оно, попадая в атмосферу Земли, создает, в свою очередь, вторичное излучение, которое представляет собой потоки протонов, позитронов, электронов и фотонов различной энергии.

Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерно. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения.

Величина дозы радиоактивного облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например, на высоте 8 км над уровнем моря мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперелётах.

В результате ядерных реакций, идущих в атмосфере и даже частично и в литосфере под влиянием космических лучей, образуются космогенные радионуклиды:



0n1 +7 N14 1H3 + 6C12 или 0n1 + 7N14 1p1 + 6C14

В создание дозы наибольший вклад вносят радионуклиды H3, Be7, C14 и Na22, которые поступают вместе с водой и пищей в организм человека.

Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год. Большой вклад в изучение природы радиациионных поясов Земли внесли американский ученый Джеймс Ван Аллен и советский физик Сергей Николаевич Вернов. У Земли выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3- 4 тыс. км, а внешний (электронный) радиационный пояс - на высоте около 40-50 тыс. км. Внутренний радиационный пояс - стабильное образование: его размеры и потоки частиц меняются очень мало. В отличие от внутреннего, внешний пояс очень нестабилен, формы его и положение максимума интенсивности сильно зависят от уровня солнечной активности. Нижняя граница внутреннего пояса имеет значительные провалы в местах сильных магнитных аномалий.

Установлено также, что радиационные пояса не имеют четко выраженных границ, поэтому многие считают, что правильнее говорить о едином радиационном поле Земли, а деление их на внешний и внутренний достаточно условно.

Кроме перечисленных выше источников радиационного фона на Земле в почве, воздухе и воде присутствуют долго живущие радиоизотопы урана, радия и тория, а также продукты их распада. Естественные радионуклиды делятся на четыре группы: 1). долгоживущие (уран-238, уран-235, торий-232); 2). короткоживущие (радий, радон); 3). долгоживущие одиночные, не образующие семейств (калий-40); 4). радионуклиды, возникающие в результате взаимодействия космических частиц с атомными ядрами вещества Земли (углерод-14).

В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 107 лет и больше. При этом наибольшую часть естественного радиационного фона создает на Земле изотоп К40, а также газообразные продукты, связанные с распадом урана и тория.

Количество указанных изотопов варьирует в различных регионах Земли и разных породах. Тяжелые радиоизотопы встречаются, главным образом, в горных породах (гранит), а K40 чаще содержится в глинистых почвах.

В воде также присутствуют изотопы урана, тория и актиния, которые попадают в нее при растворении различных минералов. Изотопы бария, стронция, радия и кальция поступают в воду при смывании горных пород. При этом наименьшая концентрация радионуклидов отмечается в реках и озерах, а наибольшая – в морях и океанах.

Растения, произрастающие в определенной местности, способны усваивать и накапливать в себе имеющиеся в почве радионуклиды. Содержание последних в вегетативных частях растений часто превышает их концентрацию в почве или воде. Особенно активно при этом растениями усваиваются изотопы урана, радия, тория, калия, стронция, цезия и кальция, а из воздуха – C14 в составе углекислого газа.

Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется за счет двух противоположно действующих факторов:


1). экранирование (задержка) внешнего излучения зданием;
2). облучение за счет естественных радионуклидов, входящих в состав материалов, из которых построено здание.

В зависимости от концентрации изотопов К40, Ra226 и Th232 в различных строительных материалах мощность дозы в домах изменяется от 4.10-8 до 12.10-8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2-3 раза выше, чем в деревянных.

В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят К40, Rb87, и нуклиды рядов распада U238 и Th232.

Средняя доза внутреннего облучения за счет радионуклидов земного происхождения составляет 1,35 мЗв/год. Наибольший вклад (около 3/4 годовой дозы) дают не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон и продукты его распада. Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другими источниками радона в помещении являются сами строительные материалы (бетон, кирпич и т.д.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона.

Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом или в плохо проветриваемом помещении. Поэтому регулярное проветривание или принудительное вентилирование, особенно подвальных и полуподвальных помещений, может снизить концентрацию радона в несколько раз. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.

Естественно, что уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. И хотя в отдельных из них мощность поглощенной дозы в 1000 раз превышает среднюю по поверхности Земли, обследование населения не выявило сдвигов в структуре заболеваемости и смертности.


В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет 0,3 до 0,6 миллизиверта (мЗв) в год. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения: около 3% получает в среднем 1 мЗв в год, а около 1,5% - более 1,4 мЗв в год. Есть, однако, такие места, где уровни естественного земного радиационного фона намного выше. На нашей планете известны 5 географических районов,

где естественный радиационный фон существенно увеличен - это Бразилия,

Франция Индия, остров Ниуэ в Тихом океане и Египет.

В Иране, например, в районе городка Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 мЗв в год. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во Франции, Нигерии и на Мадагаскаре.

Кроме того, даже для конкретной местности не существует «нормального» фона как постоянной характеристики, его нельзя получить как результат небольшого числа измерений.

Таким образом, эффективная доза от внутреннего облучения за счет естественных источников (1,35 мЗв/год) в среднем примерно в два раза превышает дозу внешнего облучения от них (0,65 мЗв/год). Следовательно, суммарная доза внешнего и внутреннего облучения от естественных источников радиации в среднем равна 2 мЗв/год. Для отдельных контингентов населения она может быть выше. Причем максимальное превышение над средним уровнем может достигать одного порядка.

С растительной пищей радиоизотопы могут попадать в организм животного и человека, что приводит к их постоянному внутреннему облучению. При анализе продуктов питания установлено, что в концентрированных кормах и хлебопродуктах чаще присутствует Ra226, а овощах и плодах, кроме этого, К40, Sr90 и Cs137.

Исходя из данных о том, что снижение естественного радиационного фона замедляет деление клеток, процессы эмбрионального развития, рост и развитие молодого организма, следует заключить, что окружающий нас фон, тот его уровень, к которому адаптирован наш организм в результате миллионов лет эволюции, необходим и, следовательно, полезен для нормального существования и здоровья человека.

Малые дозы активируют иммунную систему у разных видов животных и ключевые мембранно-связанные ферменты, в частности аденилатциклазу, активируют репарационные системы и, что немаловажно, повышают устойчивость клеток и организма к последующим более высоким дозам облучения.

Таким образом, естественный радиационный фон необходим для нормаль-

ной жизнедеятельности, т. е. для поддержания здоровья человека, то, а его небольшое повышение, той или иной длительности, не превышающее определенного предела, может быть и полезным для здоровья.
2. Искусственные источники излучения
С момента получения искусственных радионуклидов, использующихся в военных и мирных целях на Земле появилось много искусственных источников излучения. Особенно большое воздействие на окружающую среду внесли те радионуклиды, которые стали результатом использования и испытания ядерного оружия на Земле. За счет использования атомной энергии в ходе второй мировой войны и в послевоенное время естественный радиоактивный фон повысился за счет попадания в биосферу искусственных источников радиации. В качестве ядерного «горючего» используются изотопы U233, U235 и Pu239.

Атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, состояли из двух докритических масс урана-235, которые при соединении превысили критическую массу. Критическая масса - это такое количество оружейного изотопа, при котором нейтроны, выделяющиеся при самопроизвольном делении ядер, не вылетают наружу, а попадают в соседние ядра и вызывают их искусственное деление. Критическая масса металлического урана-235 составляет 52 кг. Это шар диаметром 18 см. Критическая же масса металлического плутония-239 - 11 кг (по некоторым публикациям - 9 и даже 6 кг). Это шар диаметром приблизительно 9-10 см.



Но сейчас они затерялись бы в огромных ядерных арсеналах сверхдержав как ничтожные мелочи. Если тротиловый эквивалент бомбы, сброшенной на Хиросиму, составлял 13 килотонн, то взрывная мощь крупнейших ядерных ракет, появившихся в начале 90-х годов прошлого столетия, например отечественной стратегической ракеты СС-18 достигает 20 мегатонн (млн. т), т.е. примерно в 1540 раз больше.

Из всей выделившейся энергии при взрыве 50 % расходуется на образование ударной волны, 35% - на световое излучение, 10% - на проникающую радиацию

и 5% - на образование радиоактивных продуктов взрыва. Последние представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов с массовым числом от 85 до 148 (от цинка до гадолиния) и в основном являются источниками -излучения. Кроме дочерних элементов происходит также выброс в атмосферу не прореагировавших атомов урана или плутония, отличающихся a-активностью.

В течение первых суток после взрыва уровень радиоактивности на местности снижается примерно в два раза.

При взрыве все нуклиды за счет огромной температуры переходят в газообразное состояние в атмосферу, где, остывая, образуют мелкодисперсные аэрозоли, способные легко перемещаться с воздушными потоками и выпадать на поверхность земли и взаимодействуют с ядрами ряда элементов почвы и воды. В результате этого происходит не только радиоактивное загрязнение местности, но также возникает наведенная радиоактивность.

В период моратория на ядерные взрывы разный период полувыведения радионуклидов из атмосферы обусловлен различием их фракционирования при подъеме огненного шара и забросом в стратосферу на разную высоту. Цепная ядерная реакция происходит в считанные секунды и приводит к выделению огромного количества энергии:1 кг урана-235 эквивалентен 20 тыс. т тротила! Таким образом, сейчас у человечества имеется два делящихся, оружейных изотопа: уран-235 и плутоний-239.

В ряде технологически развитых стран альтернативой традиционным тепловым электростанциям, сжигающим мазут, природный газ или угольную пыль, являются атомные электростанции, утилизирующие энергию распада изотопов тяжёлых элементов (урана-235, урана-233 и плутония-239). Все атомные электростанции мира производят примерно 375 ГВт электроэнергии.

Первая атомная электростанция была построена в 1960 году. К 1970 г. их было 116, к 1980 г. - 135, а к 1990 г. - уже 328. Максимальное число атомных электростанций было введено в строй в середине 70-х годов.

По данным МАГАТЭ в 2001 году в мире действовали 438 атомных реакторов, а 31 реактор находился в стадии строительства или на модернизации. В России сегодня работает девять АЭС, на которых эксплуатируется 29 реакторов. В 1999 г. российские АЭС произвели 122 млрд. кВт/ч электроэнергии, что составило 14% от общего объема ее производства.


3. Миграция радионуклидов в биосфере
Миграция радионуклидов из почвы и воды в растительные организмы во многом определяется типом почвы, физико-химическими свойствами радиоизотопов и видовыми особенностями флоры.

При передвижении радионуклидов по различным по различным вегетативным частям растений существует определенная закономерность: в основном они концентрируются в листьях и стеблях, меньше – в соцветиях и еще меньше - в самих плодах и семенах.

Исключением является изотоп Cs137, концентрация которого в семенах может достигать 10% и более от его содержания в надземной части растений. В ходе вегетации абсолютное количество радиоизотопов в растениях возрастает, а относительное содержание на единицу массы сухого вещества снижается. С увеличением урожайности, как правило, уменьшается относительная концентрация радионуклидов.

При потреблении животными растительных кормов или растительной пищи самими людьми происходит их миграция по так называемым «пищевым цепочкам». Чем они короче, тем выше уровень радиоактивности, создаваемый радионуклидом при поступлении в организм конечного хозяина.

В радиологии существует понятие коэффициента дискриминации. Это отношение содержания уровня какого-либо радиоизотопа в последующем звене пищевой цепи к предыдущему.

Наиболее важными изотопами, легко поглощаемыми растениями из окружающей среды, являются Sr90, Cs137 и С14.



Стронций-90, а также образующийся при его распаде дочерний изотоп иттрий-90 (с периодами полураспада 29 лет и 64 часа) - типичные бета-излучате-

ли. Это значит, что они при распаде испускают потоки электронов, которые

действуют на все живое на сравнительно небольшом расстоянии, но очень активно. Нарушаются нормальная структура и функции клеток. Это приводит к серьезным нарушениям обмена веществ в тканях. А в итоге - развитие смертельно опасных болезней - рака крови (лейкемии) и костей. Кроме того, излучение действует на молекулы ДНК и, следовательно, пагубно влияет на наследственность.

Содержание Sr90 в человеческом организме находится в прямой зависимости от общей мощности взорванных ядерных зарядов. Он попадает в организм при вдыхании радиоактивной пыли, образующейся в процессе взрыва и разносимой ветром на большие расстояния. Другим источником заражения служат питьевая вода, растительная и молочная пища.

Проникновению стронция через пищевую систему препятствует фактор, который называют «дискриминацией стронция в пользу кальция». Он выражается в том, что при одновременном присутствии кальция и стронция организм предпочитает первый из них.

Биологический период полувыведения стронция из скелета составляет свыше 30 лет. Ускорение выведения из организма стронция является труднейшей задачей. По крайней мере до сих пор не найдено высокоэффективных средств для быстрого выведения этого радиоактивного элемента из организма.

После стронция-90 цезий-137 является самым опасным радионуклидом для человека. Это - относительно долгоживущий радионуклид: период его полураспада составляет 30 лет.

При ядерных взрывах образуются мелкодисперсные частицы, адсорбирующие цезий и медленно выпадающие на поверхность земли. При всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных же взрывах на силикатных почвах образуются слаборастворимые частицы.

Выпавший на поверхность земли радиоактивный цезий перемещается под воздействием природных факторов в горизонтальном и вертикальном направ-

лениях. Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смы-

вании атмосферными

осадками в низменные бессточные участки.

Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов (скорости ветра и интенсивности атмосферных осадков), рельефа местности, вида почв и растительности и физико-химических свойств самого радионуклида.

Вертикальный перенос цезия происходит с фильтрационными токами воды и связан с деятельностью почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др.

Подвижность и биологическая доступность нуклида со временем снижается в результате перехода в «слабо обменное» состояние. В первые годы после выпадения цезий в основном содержится в верхнем, 5-10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида. Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы.

Проникновение радиоактивного цезия на глубины 30-50 см, очевидно, занимает десятки и сотни лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее – в результате сельскохозяйственной деятельности. В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

Как правило, миграция Cs137 по пищевым цепочкам начинается с растений, куда нуклид может попасть непосредственно в момент радиоактивных выпадений. Уровень поглощения растворимого цезия растениями с их поверхности может достигать 10%. Сначала он накапливается в листьях, зернах, клубнях и корнеплодах, а в дальнейшем поступает в основном через корневую систему.

В отличие от стронция-90 он способен диффузно (равномерно) распределяться во всех органах и тканях растения. Выпадающие на поверхность почвы радионуклиды на протяжении многих лет остаются в ее верхнем слое. Если при этом почвы бедны такими минеральными компонентами, как кальций, калий, натрий и фосфор, то создаются благоприятные условия для миграции радионуклидов в самих почвах и по цепи «почва – растение». В первую очередь это относится к дерново-подзолистым и песчано-суглинистым почвам. В черноземных почвах подвижность радионуклидов крайне затруднена.

Кроме этого подвижность цезия и стронция из кислых почв значительно выше, чем из слабокислых и, особенно, слабощелочных. Поэтому нейтрализация повышенной кислотности почвы путем внесения карбонатов резко снижает содержание Cs137 в урожае. И еще одна особенность: химическим конкурентом этого изотопа является калий. Чем больше его содержание в почве, тем меньше из них поглощается цезий.

Уровни поверхностного загрязнения растений определяются их морфологическими особенностями и физико-химическими свойствами выпадающих аэрозолей. Известно, что растения способны задерживать аэрозоли с размером частиц менее 45 мкм. Особенно высокое содержание радионуклидов отмечено у лишайников, чая и хвойных деревьев, что связано с их биологическими особенностями.

Исследования, проведенные этими авторами в течение 11 лет на выщелоченном черноземе, показали, что накопление цезия-137 в урожае одной и той же культуры варьирует в разные годы до 3-кратных и более размеров.

Наиболее значительное снижение перехода радионуклида в растения наблюдали в первые годы после поступления радионуклидов в почву, затем этот процесс замедлялся.

Относительно аэрозольного цезия установлено, что более всего он накапливается в капусте, далее по убыванию – свекле, картофеле, пшенице и естественной травянистой растительности. Цезий хорошо накапливается растениями, попадает в пищевые продукты и быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте животных и человека. Основной источник поступления цезия в организм человека – загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения. В основном он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится соответственно 4, 8, 20 и 26% от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц его попадает меньше - только 1,8-2,1%.

При накоплении Cs-137 в тканях, насыщенных кровью, он испытывает бета-

распад. Здесь создаются условия как прямого, так и косвенного (через продукты радиолиза воды), его действия на кровь и ее форменные элементы.

Углерод-14. Из всех природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль — он составляет структурную основу органических соединений, в том числе тех, которые входят в состав живых организмов.

С 1954 г. было отмечено быстрое увеличение содержания изотопа С14 как в атмосфере, так и в живых организмах, что было связано с началом интенсивных испытаний ядерного и водородного оружия. Так, только на Семипалатинском полигоне в бывшем СССР всего в период с 1949 по 1990 г.г. было проведено 465 ядерных испытаний, в процессе которых было произведено 607 взрывов ядерных зарядов.

С 1981 г. испытания ядерного оружия в атмосфере прекратились, и предприятия ядерно-топливного цикла оказались единственным мощным источником антропогенного нуклида, способным заметно влиять на повышение его концентрации в атмосфере и биосфере Земли. Он не имеет соответствующих значений коэффициента дискриминации, т.е. его содержание в атмосфере в одном и том же году полностью воспроизводится в растениях. Попадая в них, он способен вызывать сильное мутагенное действие, связанное с его превращением в изотоп N14 непосредственно в молекулах ДНК и РНК.

В организм человека радиоуглерод поступает в форме различных органических и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и жиров. Аэрогенное поступление незначительно - лишь 1% от пищевого.

Скорость выведения из организма C14 в составе органических соединений в определенной мере зависит от их класса: нуклид углеводов выводится интенсивнее, чем поступивший в форме аминокислот и жирных кислот, а введенный в составе спиртов задерживается дольше «углеводного».

Среди техногенных радионуклидов особого внимания заслуживают изотопы йода. Они обладают высокой химической активностью, способны интенсивно включаться в биологический круговорот и мигрировать по биологическим цепям, одним из звеньев которых может быть человек. Этот элемент был открыт французским химиком Бернаром Куртуа в 1811 г.

Радиоактивные изотопы йода могут поступать в организм через органы пищеварения, дыхания, раневые и ожоговые поверхности кожи. При избыточном и неконтролируемом поступлении особую радиобиологическую опасность представляют изотопы йода I131-135. Период полураспада 131-го изотопа составляет 8 суток. Всасывание растворимых соединений йода при указанных путях поступления в организм достигает 100%.

Наибольшее практическое значение имеет алиментарное поступление радиоактивного йода при употреблении молока и молочных продуктов от животных, выпасаемых на загрязненных радиоактивным йодом пастбищах, а также поверхностно загрязненных овощей и фруктов.



<< предыдущая страница   следующая страница >>