Радиофизика Атомная физика почв 4 декабря 2012

«Радиофизика» Атомная физика почв 4 декабря 2012 года

Токсичность радиоактивных элементов Радиоактивные вещества загрязняют окружающее пространство. Загрязнённость радиоактивными веществами воздуха и воды выражают в единицах кюри, а загрязнённость поверхностей – числом частиц (α- или β -), испускаемых с единицы поверхности в мин, или числом импульсов, регистрируемых радиометрическими приборами в мин/см 2.

Радиоактивность (от лат. radio – «излучаю» , radius – «луч» и activus – «действенный» ), радиоактивный распад – самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы другого. Радиоактивный распад сопровождается испусканием элементарных частиц и жесткого электромагнитного излучения.

Радиоактивность Радионуклиды – химические элементы, способные к самопроизвольному распаду с созданием новых элементов, а также вновь образованные изотопы любых химических элементов. Нуклид (лат. nucleus – «ядро» ) – вид атомов, характеризующийся определёнными массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием их ядер, и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.

Радиоактивность Радиоактивный материал – материал, содержащий радиоактивные вещества. Радиоактивные вещества – вещества, не относящиеся к ядерным материалам и испускающие ионизирующее излучение.

Природа ионизирующего излучения Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения: коротковолновое электромагнитное излучение (гамма- и рентгеновское излучения), потоки заряженных частиц: бета-частиц (электронов и позитронов), альфа-частиц (ядер атома гелия-4), протонов, других ионов, мюонов и др. , а также нейтронов.

Биологические эффекты гамма-излучения Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевые болезни. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.

Бета-распад Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. β-распад – это проявление слабого взаимодействия. β-распад (точнее, бетаминус-распад, β−-распад) – это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

Бета-распад β-распад является внутринуклонным процессом. Происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино: Пример: После β−-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Альфа-распад α-распад – самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4 He). α-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений).

Альфа-распад В результате α-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4. Пример:

Ионизирующее излучение Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Источники ионизирующего излучения В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в результате: n спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, n ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др. ), n при ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических частиц до конца не ясна).

Составляющие естественной радиации

Токсичность радиоактивных элементов Вредное воздействие химических веществ на живые организмы обусловлено содержанием в различных концентрациях радиоактивных элементов. Под воздействием ионизирующего излучения, испускаемого этими элементами, происходят изменения в жизнедеятельности и структуре живых организмов. В ряде случаев вещества имеют двоякую токсичность: 1) собственно химическую, вызванную химическими свойствами элементов и соединений, входящих в данное вещество; 2) токсичностью радиоактивных веществ, иногда называемую, в отличие от химической, радиотоксичностью.

Токсичность радиоактивных элементов Группа А — изотопы с особо высокой радиотоксичностью: 210 РЬ, 210 Po, 226 Ra, 228 Th, 230 Th, 232 U, 237 Np, 238 Pu, 239 Pu, 241 Am, 242 Cm. Группа Б — изотопы с высокой радиотоксичностью: 90 Sr, 106 Ru, 124 Sb, 126 I, 129 I, 131 I, 144 Ce, 170 Tm, 210 Bi, 223 Ra, 224 Ra, 227 Th, 234 Th, 230 U, 233 U, 234 U, 235 U, 241 Ru. Группа В — изотопы со средней радиотоксичностью: 22 Na, 24 Na, 32 P, 35 S, 36 Cl, 54 Mn, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, 82 Br, 89 Sr, 91 Y, 90 Y, 95 Nb, 95 Zr, 105 Ru, 125 Sb, 132 I, 133 I, 134 Cs, 137 Cs, 141 Ce, 171 Tm, 203 Pb, 206 Bi, 231 Th, 239 Np. Группа Г — изотопы с малой радиотоксичностью: 14 C, 38 Cl, 55 Fe, 64 Cu, 69 Zn, 71 Ge, 91 Y, 97 Zr, 96 Tc, 99 Tc, 131 Cs, 134 Cs, 136 Cs. Группа Д — изотопы с наименьшей радиотоксичностью, например 3 H.

Единицы измерения радиоактивности Единицей измерения радиоактивности в системе СИ служит беккерель (Бк, Bq). Единица названа в честь французского учёного Антуана Анри Беккереля. Один беккерель равен одному радиоактивному распаду в 1 секунду. Часто используют внесистемную единицу – кюри (Ки, Ci). Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3, 7· 1010 Бк.

Единицы измерения радиоактивности Широко известная внесистемная единица рентген (Р, R) служит для определения экспозиционной дозы. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см 3 воздуха образуется 2. 109 пар ионов (суммарный заряд ионов равен одной единице заряда в системе СГС).

Единицы измерения радиоактивности Чтобы оценить действие излучения на вещество, измеряют поглощенную дозу, которая определяется как поглощенная энергия на единицу массы. Единица поглощенной дозы называется рад (от английского radiation absorbed dose). Один рад равен 100 эрг/г. В системе СИ используют другую единицу – грей (Гр, Gy). 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг

Единицы измерения радиоактивности Биологический эффект различных видов излучения неодинаков. Это связано с отличиями в их проникающей способности и характере передачи энергии органам и тканям живого организма. Поэтому для оценки биологических последствий используют биологический эквивалент рентгена – бэр (в английском языке – rem, Roentgen Equivalent of Man). Доза в бэрах эквивалентна дозе в радах, умноженной на коэффициент качества излучения.

Единицы измерения радиоактивности Для рентгеновских, бета- и гамма-лучей коэффициент качества считается равным единице, то есть бэр соответствует раду. Для альфа-частиц коэффициент качества равен 20 (это означает, что альфа-частицы вызывают в 20 раз более сильное повреждение живой ткани, чем та же поглощенная доза бета- или гамма-лучей). Для нейтронов коэффициент составляет от 5 до 20 в зависимости от энергии.

Единицы измерения радиоактивности В системе СИ для эквивалентной дозы введена специальная единица, называемая зиверт (Зв, Sv). 1 Зв = 100 бэр Эквивалентная доза в зивертах соответствует поглощенной дозе в греях, умноженной на коэффициент качества.

Биологическое действие ионизирующих излучений Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

Доза излучения – в физике и радиобиологии – величина, используемая для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества и живые организмы.

Доза излучения Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза – это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме. В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р

Доза излучения Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр – это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений Вид излучения Коэффициент, Зв/Гр Рентгеновское и γ-излучение 1 Электроны, позитроны, β-излучения 1 Нейтроны с энергией меньше 20 кэ. В 3 Нейтроны с энергией 0, 1 -10, 0 Мэ. В 10 Протоны с энергией меньше 10 Мэ. В 10 α-излучение с энергией меньше 10 Мэ. В 20 Тяжелые ядра отдачи 20

Доза излучения Кроме того, выделяют следующие дозы: n спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, n коммитментная; n коллективная; n предельно допустимые дозы (ПДД); n предотвращаемая; n удваивающая; n биологическая доза гамма-нейтронного излучения; n минимально летальная.

Предельно допустимые дозы (ПДД) Наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами (НРБ-99)

Радиоактивность почв Естественная радиоактивность почв вызывается естественными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах. Всего насчитывают более 300 природных радионуклидов.

Естественные радионуклиды подразделяют на 3 группы Первая группа включает радиоактивные такие элементы, все изотопы которых радиоактивны: уран (238 U, 235 U), торий (232 Th), радий (226 Ra) и радон (222 Rn, 220 Rn). Во вторую группу входят изотопы «обычных» элементов, обладающие радиоактивными свойствами: калий (40 К), рубидий (87 Rb), кальций (48 Са), цирконий (96 Zr) и др. Третью группу составляют радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей: тритий (3 Н), бериллий (7 Ве, 10 Ве) и углерод (14 С).

Естественная радиоактивность почв Валовое содержание естественных радиоактивных изотопов в основном зависит от почвообразующих пород. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания кислых пород, содержат радиоактивных изотопов больше, чем образовавшиеся на основных и ультраосновных породах; тяжелые почвы содержат их больше, чем легкие. Естественные радиоактивные элементы распределяются по профилю почв обычно относительно равномерно, но в некоторых случаях они аккумулируются в иллювиальных и глеевых горизонтах. В почвах и породах присутствуют преимущественно в прочносвязанной форме.

Концентрация основных естественных радиоизотопов в почвообразующих породах Породы Концентрация, Бк/кг 40 K 232 Th 238 U Кислые 1100 1000 70 Средние 900 40 30 Мафические 300 15 15 Ультраосновные 180 30 5 Известняки 110 9 35 Карбонаты — 10 32 Песчаники 450 14 23 Сланцы 900 55 55 Изверженные: Осадочные:

Концентрация основных естественных радиоизотопов в почвах Породы Концентрация, Бк/кг 40 K 232 Th 238 U Болотные 110 8 8 Подзолистые 180 15 11 Дерново-подзолистые 360 27 18 Серые 450 32 22 Чернозёмы 500 44 26 Каштановые 700 45 32 Серо-коричневые 860 50 34 Серозёмы 810 60 38 Среднемировое значение для почвенного покрова 450 32 32

Искусственная радиоактивность почв Обусловлена поступлением в почву радиоактивных изотопов, образующихся в результате атомных и термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях. Образование изотопов в почвах может происходить вследствие наведенной радиации. Наиболее часто искусственное радиоактивное загрязнение почв вызывают изотопы 235 U, 238 U, 239 Pu, 129 I, 131 I, 144 Ce, 140 Ba, 106 Ru, 90 Sr, 137 Cs и др.

Искусственная радиоактивность почв Экологические последствия радиоактивного загрязнения почв заключаются в следующем. Включаясь в биологический круговорот, радионуклиды через растительную и животную пищу попадают в организм человека и, накапливаясь в нем, вызывают радиоактивное облучение. Радионуклиды, подобно многим другим загрязняющим веществам, постепенно концентрируются в пищевых цепях. Скорость естественного самоочищения почв от радиоизотопов зависит от скоростей их радиоактивного распада, вертикальной и горизонтальной миграции.

Период полураспада радиоактивного изотопа — время, необходимое для распада половины количества его атомов

Характеристика радиоактивных веществ (Орлов и др. , 1991) Элемент Период полураспада 14 С 5568 лет 90 Sr 28 лет 42 K 12, 4 часа 137 Cs 33 года 65 Zn 250 суток 239 Pu 2, 4· 104 лет 131 I 8 суток 60 Со 5, 27 лет

Искусственная радиоактивность почв В экологическом отношении наибольшую опасность представляют 90 Sr и 137 Cs. Это обусловлено длительным периодом полураспада (28 лет 90 Sr и 33 года 137 Cs), высокой энергией излучения и способностью легко включаться в биологический круговорот, в цепи питания. Стронций по химическим свойствам близок к кальцию и входит в состав костных тканей, а цезий близок к калию и включается во многие реакции живых организмов.

Искусственная радиоактивность почв Искусственные радионуклиды закрепляются в основном (до 80– 90 %) в верхнем слое почвы: на целине – слое 0– 10 см, на пашне – в пахотном горизонте. Наибольшей сорбцией обладают почвы с высоким содержанием гумуса, тяжелым гранулометрическим составом, богатые монтмориллонитом и гидрослюдами, с непромывным типом водного режима. В таких почвах радионуклиды способны к миграции в незначительной степени. По степени подвижности в почвах радионуклиды образуют ряд 90 Sr > 106 Ru > 137 Cs > I 29 I > 239 Pu.

Искусственная радиоактивность почв Поскольку изотопы цезия и стронций-90 относительно неподвижны в почве, то их поглощение корнями играет меньшую роль, чем прямое осаждение. Тип почвы (в особенности с учетом минерального состава глины и содержания органических веществ), практика возделывания и климат влияют на способность этих радионуклидов перемещаться и попадать в грунтовые воды, а также определяют их концентрацию в почвенном растворе.

Искусственная радиоактивность почв Кроме того, поскольку цезий и стронций поглощаются растениями через тот же механизм, что и, соответственно, калий и кальций, степень их поглощения растениями зависит от наличия этих элементов. Так, высокий уровень внесения калийных удобрений может сократить поглощение цезия, а известкование может сократить поглощение стронция.