7.1.5.3.Элементы радио экологии. Ядерное излучение.

В природе существует всего 265 стабильных нуклидов и около 1500 нестабильных. К первой группе относятся нуклиды, ядра атомов которых могут существовать бесконечно долго без изменений; ко второй группе - нестабильные нуклиды, ядра атомов которых способны превращаться в ядра других радионуклидов с испусканием различных частиц.

Ядра радиоактивных нуклидов распадаются, как правило, не сразу после своего образования, а спустя некоторое время. До своего распада ядро ничем не проявляет своей неустойчивости - во всех отношениях оно ведет себя подобно ядрам стабильных нуклидов и является центром нормального атома. Но в какой-то момент времени внезапно происходит акт распада - из ядра вылетает та или иная частица (или частицы), ядро меняет свои характеристики и соответственно изменяется структура электронных оболочек атома. Для каждого отдельного ядра предсказать заранее момент распада абсолютно невозможно. Установлено, что время жизни ядра не зависит от его истории: ядро, просуществовавшее к данному моменту уже довольно много времени, может прожить еще долго, а только что образовавшееся ядро может тут же распасться.

На скорость радиоактивного распада нельзя повлиять внешними факторами - давлением, температурой и др. Самопроизвольный, или спонтанный радиоактивный распад является одной из наиболее важных его особенностей. Хотя все ядра любого радиоактивного нуклида "живут" разное время от момента образования до момента распада, для каждого радиоактивного вещества существует вполне определенное, среднее время жизни его ядер. Если каждое ядро в среднем существует в течение ?, то за очень малый промежуток времени dt вероятность распада ядра dw =d t/?. Значит, если в образце в данный момент времени имеется N ядер, то за промежуток времени dt их число уменьшится на dN = -N dt/? ядер (Знак "-" говорит об уменьшении числа ядер).

Период полураспада, обозначаемый T1/2 - это время, в течение которого количество ядер данного радионуклида в образце уменьшается в 2 раза.

В единицах Си значения ? и Т1/2 выражаются в секундах, а ? в обратных секундах (с-1 ). На практике часто пользуются внесистемными единицами времени: минута, час, сутки, год, которые при расчетах надо переводить в секунды.

Важной характеристикой распада является активность - физическая величина, измеряемая числом происходящих распадов, отнесенных к единице времени.

Из основного закона радиоактивного распада следует, что активность :

В соответствии с определением активность измеряется числом распадов в 1с. Единица активности в СИ-это беккерель (Бк); 1 Бк равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором происходит 1 акт распада за 1с. До введения СИ применялись другие единицы активности: кюри (Ки) и резерфорд (Рд). Активность источника равна 1 Ки, если в нем за 1 с происходит 3,7.1010 распадов; т.е. 1 Ки=3.7.1010 Бк. Единица активности кюри получила очень широкое распространение на практике и ее временное использование было разрешено даже и после введения СИ. Отметим, что 1 г чистого радия имеет активность, примерно равную 1 Ки.

После открытия радиоактивного распада было обнаружено, что разные ядра распадаются с испусканием различных частиц. Различают три основных вида распада, обозначаемых греческими буквами ?, ?, ?:

? - распад- ядерное превращение, при котором из ядра вылетает ? - частица, являющаяся ядром атома основного изотопа гелия 42Не. Установлено, что чем больше энергии ? - распада, тем быстрее он происходит.

? - распад - группа превращений атомных ядер, при которых один нейтрон в ядре превращается в протон (или протон превращается в нейтрон); при этом изменяется заряд ядра, но общее количество нуклидов в нем остается прежним.

При определенных условиях ядра смогут испускать ? - кванты, которые являются фотонами, аналогичными фотонам видимого света, только с меньшей длиной волны.

Таким образом, потоки испускаемых при радиоактивном распаде частиц называют радиоактивным излучением. Но радиоактивный распад - не единственный источник быстрых частиц. Установлено, что все космическое пространство пронизывают потоки различных частиц: протонов, ? - частиц, ядер более тяжелых элементов, электронов и фотонов, энергии которых порой достигают колоссальных значений - вплоть до 1020эВ (напомним, что 1Дж=6,24.1018 эВ). Это космическое излучение. Мощные потоки быстрых заряженных частиц получают с помощью ускорителей. Ядерные реакторы служат источниками различных частиц, в том числе нейтронов. При взаимодействии быстрых частиц с веществом возникают новые нестабильные частицы - мезоны, гипероны и др. Потоки перечисленных частиц, возникающих при естественных процессах и получаемых искусственно, объединяют общим названием - ядерное излучение.

Передаваемая веществу энергия затрачивается на возбуждение и ионизацию атомов среды. Поэтому ядерное излучение - одна из разновидностей ионизирующего излучения ( к которому относятся также ультрафиолетовое излучение, лучи Рентгена и некоторые другие виды излучений). Ионизация вещества приводит к эффектам, воспринимаемым человеком непосредственно его органами чувств, - потемнению фотопластинки, появлению электрических импульсов в различных приборах и т.п., что лежит в основе всех методов регистрации ядерного излучения. Некоторые из этих эффектов, происходящих под действием излучения в живых организмах и экосистемах, могут существенно изменить или нарушить процессы жизнедеятельности.

Поэтому исследование ядерного излучения геосистем имеет широкий выход в практику других различных дисциплин: ландшафтоведения и др.

При взаимодействии с атомными электронами пролетающая заряженная частица передает им часть своей энергии, в результате чего происходит возбуждение или ионизация атома.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕОСИСТЕМ

Ионизирующие излучения геосистем обусловлены существованием нескольких источников, среди которых выделяют такие основные виды:

1) естественное (природное) излучение; 2)излучение окружающей среды от искусственных радионуклидов.

Естественные радионуклиды - обычная составная часть вещества геосистемы, а природный радиационный фон, приводящий к облучению любого объекта во внешней среде, - один из экологических факторов, воздействующих на все живое на Земле.

Живые организмы подвергаются непрерывному воздействию ионизирующих излучений от различных естественных источников. По вкладу в суммарное облучение растений, животных и человека в современный период природный радиационный фон превосходит многие другие источники. Мощность ионизирующих излучений от естественных источников изменяется в различных геосистемах и даже на ограниченных участках отдельных геосистем в широких пределах. Размеры этих колебаний представляют большой интерес, так как они обусловлены различиями внутренней структуры геосистемы.

Интерес к изучению распространения природных радинуклидов в геосистемах и к оценке естественного радиационного фона связан с необходимостью изучения изменчивости энергетических характеристик геосистем, последствий облучения растений, животных и человека от поступающих в геосистемы искусственных радиоактивных веществ, роста использования в различхы сферах хозяйственной деятельности человека ионизирующих излучений, а также технологического повышения радиационного фона. Сравнивать рост фона ионизирующих излучений в результате поступления в геосистемы радионуклидов целесообразно путем сопоставления этого прироста с естественным фоном. При таком сравнении правомерно допустить, что в процессе эволюции в геологически длительное время все живые организмы, включая человека, могли выработать механизмы адаптации к действию естественного фона.

В биосфере Земли встречается более 60 естественных радионуклидов, которые можно разделить на две категории: первичные и космогенные.

В первую группу входят 11 радиоизотопов элементов, находящихся в разных местах Периодической таблицы Д.И.Менделеева и характеризующихся длительными периодами полураспада - от 107 до 1015 лет. Некоторые из них по происхождению связаны со спонтанным делением урана in situ. Полагают, что содержащиеся в оболочке Земли радионуклиды были образованы в период ее формирования как планеты. Вторую группу составляют 32 находящихся в биосфере радионуклида - продуктов распада долгоживущих изотопов урана и тория.

Космогенные радионуклиды образуются в основном в результате взаимодействия космического излучения с веществом атмосферы и в меньшей степени с веществом твердых оболочек Земли. После образования в атмосфере, космогенные радионуклиды поступают на земную поверхность с атмосферными осадками, взаимодействуют в газообразной форме с компонентами геосистем или, сорбируясь на твердых частицах в атмосфере, оседает с ними на Землю. Таким образом, поступают на земную поверхность по меньшей мере 14 радионуклидов.

Распределение источников ионизирующих излучений в компонентах геосистем

Почвенный покров. Присутствие естественных радионуклидов в почвах обеспечивает их поступление в растения, животных, воздух и воду, а затем по цепочке пища - человек - накопление в организме человека и связанное с этим облучение. Содержащиеся в почвенном покрове радионуклиды - один из основных компонентов естественного радиационного фона геосистем.

Естественные радионуклиды можно разделить на три группы: 1) радиону-клиды, период полураспада которых сравним с возрастом Земли (например, 40К, 232Th, 238U ); 2) продукты распада урано-радиевого и ториевого рядов; 3) радионуклиды, образовавшиеся в результате взаимодействия космического излучения с веществом.

Содержание и распределение первичных радионуклидов в почвах зависят от биохимических особенностей их миграции: концентрации этих радионуклидов меньше в почвах, характеризующихся выраженным течением элювиального процесса и гидроморфным режимом (почвы подзолистого ряда). В почвах аридных областей и регионов с умеренным увлажнением (серые лесные почвы, черноземы, сероземы) концентрация первичных радионуклидов выше.

Природные воды. Концентрации естественных радионуклидов в природных водах изменяется в весьма широких пределах в зависимости от генезиса вод, их физико-химического состава и т.п. В дождевой воде среди радионуклидов, образующихся в результате воздействия космического излучения, в небольших концентрациях присутствуют 3Не, 7Ве короткоживущие 38СI и 39Сl .

Таблица 5.

Средняя концентрация радионуклидов космического

происхождения в дождевой воде

Радионуклид Т1/2 Концентрация, пКи/л Радионуклид Т1/2 Концентра-ция,

пКи/л 3Н 12,3 ч 10...20 32Р 14,3 сут 0,6 7Ве 53 сут 10...50 33Р 25 сут 0,2 22Na 2,6года 0,02 35S 87 сут 0,9 24Na 15,0 ч 0,1 38S 2,9 ч 2 28Mg 21,2 ч 0,02 34Cl 32,0 мин 0,3 31Si 2,6 ч 0,1 38Cl 37,3 мин 15 32Si 700 лет 0,0002 39Cl 55,5 мин 15

Из радионуклидов уранарадиевого ряда наибольшей концентрацией в природных водах характеризуются 222Ph с дочерними продуктами (210Рв, 210Po) и 226Ra; концентрация радионуклидов ториевого семейства меньше.

В питьевой воде среднее содержание естественных радионуклидов (пКи/л) составляет: 3Не-5, 40К-5, 210Ро-0,01, 210Рв-0,02, 238U-0,05.

Атмосфера: Генезис естественных радионуклидов в атмосфере различен: они могут поступать в воздух из почвы или образовываться при взаимодействии космических излучений (нейтронной компоненты) с веществом воздуха.

Наиболее важные естественные радионуклиды, содержащиеся в атмосфере, - радионуклиды радона: 220Rn(торон) и 222Rn и их дочерние продукты распада. Концентрация радиоизотопов радона, поступающих в приземный слой атмосферы из почвы, зависит от содержания в ней материнских нуклидов (224Ra и 226Ra), а также экологических факторов (влажность почвы, атмосферное давление, температура и др). В зависимости от географических условий концентрации радона в приземном слое воздуха может варьировать в достаточно широких пределах; в среднем содержание 220Rn и 222Rn составляет 100пКи/м.куб. В приводном слое воздуха она заметно меньше, а в зданиях - значительно выше (400 мКи/м.куб).

Основной источник дочерних продуктов распада 222Rn (210Pв и 210Po в атмосфере) - выделение 222Rn из земной коры, равное 0,6 мки/год. Тетраэтилсвинец, сжигаемые органические топлива и другие источники обеспечивают поступление 222Rn в атмосферу в количестве нескольких килокюри в год. В условиях равновесия в атмосфере должно содержаться около 20 мКи 210Pb и 210Ро. Однако вследствии вымывания и осаждения тропосферных аэрозолей на Землю выпадает около 50 кКи 210Pb и 5кКи 210Ро. Концентрация 210Pb и 210Ро в приземном слое воздуха достигает максимума в умеренных широтах северного полушария, где она равна соответственно 14 и 3,3 фКи/м.куб.