Вид и энергия излучения радионуклида

Обладая огромной энергией, радиоактивное излучение может оказывать сильное воздействие на живую и неживую природу (рис.9). Так как физическая природа излучений различна, то отличается и характер взаимодействия их с веществом. Альфа- и бета-излучение обладают электрическим зарядом и при прохождении через вещество быстро теряют энергию, производя ионизацию нейтральных атомов и возбуждение электронов атомных оболочек (непосредственно ионизирующее излучение). Гамма-излучение зарядом не обладает, но может выбивать электроны атомных оболочек и вызывать «вторичную» ионизацию (косвенно ионизирующее излучение). По этой причине проникающая способность излучений различна и изменяется в ряду g» b > a.

ВИДЫ ОБЛУЧЕНИЯ
ВНЕШНЕЕ	ВНУТРЕННЕЕ
a- излучение
b-излучение
g-излучение
СРАВНИТЕЛЬНАЯ СТЕПЕНЬ ОПАСНОСТИ
a < b << g	g < b << a

Рисунок 9. Опасность различных видов облучения.

Степень воздействия излучения на биологические организмы зависит также от того, где по отношению к облучаемому объекту находится радионуклид. Различают внешнее облучение, если источник излучения находится вне облучаемого объекта, и внутреннее облучение, если источник находится внутри облучаемого объекта.

ПРИМЕР 11. Определить массу ²¹⁰Ро с активностью 1 Бк (Т_1/2= 138 сут, Ам =210).

Решение. Между активностью (Бк) и массой радиоактивных веществ (г) существует определенная связь. Если во взятом количестве радиоактивного вещества будет происходить каждую секунду 3,7×10¹⁰ распадов, то общее число атомов N, дающее эту активность, будет равно активности вещества
(1 Бк), деленной на постоянную распада l(с^-1), т. е.

N=A/l

N = 1/l = T_1/2/0,693.

Общее количество радиоактивного вещества в граммах m, дающее активность вещества А = 1 Бк, равно:

т = N(Aм/N_A),

где Ам – молярная масса атомов данного радионуклида, г/моль;
N_A = 6,02 • 10²³моль^-1 – число Авогадро; Ам/N_A – масса одного атома, г.

Подставляя данные, получим массу вещества (в граммах) активностью 1 Бк (г/Бк):

т = 0,24 ×10^-23×210×138×24×60×60 = 6,01×10^-23 (г/Бк).

Ответ: масса 1 Бк ²¹⁰Ро составляет 6,01×10 ^-23 г.

ПРИМЕР 12. Определить активность 1 г ²²⁶Rа (T_1/2 = 1620 лет, Ам =226).

Решение. Активность А 1 г любого радионуклида равна:

Подставляя данные для ²²⁶Rа получим:

А = 4,17×10²³/(226×365×24×3600×1620) = 3,7×10¹⁰ (Бк).

Ответ: активность 1 г ²²³Rасоставляет 3,7×10¹⁰Бк.

ПРИМЕР 13. Определить постоянную распада, период полураспада и среднее время жизни радиоактивных атомов изотопа фосфора 32 (³²P), если за три дня активность уменьшилась на 13,5%. Продуктом распада является стабильный изотоп.

Решение. В соответствии с уравнением 34 активность А радионуклида в момент времени t равна: А= A₀e^-lt

где А_-0 – активность радионуклида в начальный момент времени. Отсюда для
t = 3 сут = 3×24×3600 (с) = 259200 (с) получим:

A/A₀ = e^-lt =0,865.

l=5,6×10^-7× .

Отсюда период полураспада составляет:

T_1/2=0,693/l=14,3(сут).

Среднее время жизни равно:

t= 1/l = 1,79×10⁶(_С).

Ответ: постоянная распада, период полураспада и среднее время жизни радиоактивных атомов изотопа ³² р составляют: 5,6×10^-7c^-1, 14,3 дня и 1,79×10⁶ с соответственно.

ПРИМЕР 14. Какое количество радона будет находиться через 1 год в герметично закрытой колбе, в которую помещен 1 г ²²⁶Rа?

Решение. Уравнение последовательного распада радия имеет вид:

Период полураспада материнского нуклида (Т_1/2 ²²⁶Rа 1622 года) много больше периода полураспада дочернего нуклида (Т_1/2 ²²²Rn= 3,82 дня). В этом случае имеем дело со стационарным, или «вековым», равновесием:

l_RaN_Ra =l_RnN_Rn =3,7×10¹⁰

(активность 1 г ²²⁶Rа = 3,7×10¹⁰Бк). Число ядер радона в колбе равно:

Их масса равна:

(г).

Ответ: через 1 год в колбе будет находиться 6,5×10^-6 г радона.

Глава 3 РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

По происхождению радионуклиды подразделяют на естественные и искусственные (или техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности человека.

К естественным радионуклидам относятся элементы радиоактивных семейств урана и тория:

²³⁵U (11 дочерних радионуклидов, в т. ч.²²⁷ Ас, ²¹¹Рb, ²¹¹Вi и др.);

²³⁸U (14 дочерних радионуклидов, в т. ч. ²²⁶Rа, ²²²Rn, ^218,210Ро, ^214,210Рb и др.);

²³²Тh (10 дочерних радионуклидов, в т. ч. ²²⁰Rn, ^228,224Rа и др.);

⁴⁰К, космогенные радионуклиды: ³Н, Ве, ¹⁴С и др.

Уран и торий вместе с продуктами их превращения образуют 3 семейства радиоактивных изотопов тяжёлых металлов. Это семейство урана (родоначальник ²³⁸U), семейство тория (родоначальник ²³²Th) и семейство актиния (родоначальник ²³⁵U). Эти семейства радиоактивных изотопов обусловливают радиоактивность, с которой связано облучение человека в естественных условиях.

Уран входит в состав многих горных пород и почв. Концентрация урана в кислых породах вулканического происхождения примерно в 100 раз больше концентрации его в ультраосновных вулканических породах, но значительно меньше, чем в фосфатных породах. В гранитах количество урана иногда достигает 4∙10^-4%, т.е. 4 г на тонну. Он встречается также в некоторых марках битуминозных сланцев и асфальта и может быть обнаружен в нефти.

Вслед за распадом радона (Т =3,85 дня) происходит серия превращений с образованием нескольких короткоживущих α- и β-излучающих продуктов с периодами полураспада от 1,6∙10^-4 сек до 26,8 мин, а также изотопа свинца (²¹⁰Pb), имеющего период полураспада 22 года. Изотоп свинца испытывает три дополнительных ступени распада. В результате чего образуется радиоактивный изотоп полония (²¹⁰Po) с периодом полураспада 138 дней. Радиоактивный ряд заканчивается стабильным изотопом свинца (²⁰⁶Pb).

Радон − газообразный дочерний продукт ²²⁶Ra. При распаде ²²⁶Ra испускает α-частицу и превращается в свой дочерний продукт ²²²Rn. За сутки 1г ²²⁶Ra образует 1мм³ радона. Поэтому радон, содержащийся в урановой руде, диффундирует в почву; частично растворяется в подземных водах и выносится ими на поверхность. Радон выделяется при добыче и последующем измельчении урановой руды.

Концентрация радона в почвенном воздухе в среднем достигает 2∙10^-10 кюри/л, а в местах залегания урановых руд − на порядок выше. Природная радиоактивность приземного воздуха в основном обусловлена Rn (5∙10^-14 − 5∙10^-13 кюри/л). Концентрация радона в воде радоновых источников колеблется от 1∙10^-9 до 2,65∙10^-8 кюри/л.

Свинец-210 является дочерним продуктом радона, находится в почве в определённом равновесии с радием и поэтому может находиться в растениях и в организме человека. Содержание свинца в организме может быть обусловлено не только поступлением через пищевые цепочки непосредственно из почвы, но и тем, что радий распадается в радон, часть радона затем превращается в ²¹⁰Pb который в процессе обмена поступает в скелет.

Эти радиоактивные изотопы имеют сравнительно большие периоды полураспада (²¹⁰Pb − Т=19,4 года; ²¹⁰Po − Т=138 суткам) и заслуживают внимания с точки зрения их перехода в пищевые цепочки. Изотопы свинца и полония могут поступать в растения через корни из почвы или непосредственно сорбироваться надземными органами. Изотопы свинца были первыми радиоактивными индикаторами, которые применялись для изучения поступления электролитов в растения. ²¹⁰Po также может поступать из почвы в растения, но в очень малых количествах.

Повышенное содержание ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в биологических объектах может быть обусловлено попаданием с дождевой водой дочерних продуктов радона непосредственно на надземные органы растений.

Наведённая радиоактивность. Ряд естественных радиоактивных изотопов, находящихся на земной поверхности и в атмосфере, возник при взаимодействии космических лучей с атмосферными ядрами. Наибольшее значение имеют тритий (³Н), углерод (¹⁴С) и бериллий (⁷Ве).

Тяжёлый углерод ₆С¹⁴ является мягким β-излучателем (Е_βмакс = 0,165 Мэв) с периодом полураспада 5570 лет. Этот изотоп углерода образуется из азота атмосферы при захвате нейтронов, возникающих в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения:

₇N¹⁴+₀n¹→₆C¹⁴+p+0,62 Мэв

Нейтроны, образующиеся от космических лучей, практически полностью исчезают при захвате их ядрами азота ₇N¹⁴

Концентрация ¹⁴C в атмосферном воздухе составляет 1,3∙10^-15 кюри/л, а в морской воде − 1∙10^-13 кюри/л. Вступая в соединение с углеродом воздуха, ¹⁴C образует двуокись углерода ¹⁴CО₂. Двуокись углерода, вступая в равновесие с обычной СО₂ участвует в фотосинтезе и обмене веществ. Поэтому ¹⁴C находится в равновесии с углеродом, содержащимся в тканях организмов. Равновесная концентрация ¹⁴C составляет 7,5±2,7 пкюри на 1 г углерода. После прекращения обмена веществ, т.е. с отмиранием организмов, поступление ¹⁴C прекращается, но его распад происходит в том же темпе. Следовательно, после смерти организмов равновесие с ¹⁴C нарушается, и равновесная концентрация уменьшается со скоростью распада изотопа. Это даёт возможность использовать данные о содержании ¹⁴C в органических материалах для определения их возраста. Метод радиоуглеродного определения возраста позволил археологам, палеонтологам и геологам установить возраст различных остатков древних растений и животных, изделий из древесины, кости и т.д.

Радиоактивный углерод ¹⁴C образуется и при термоядерных взрывах. Образование ¹⁴C при взрывах ядерного оружия привело к увеличению концентрации этого изотопа в атмосфере. Повышение содержания ¹⁴C осложнило использование метода определения возраста по содержанию ¹⁴C.

Тритий − радиоактивный изотоп водорода, как и ¹⁴C, также образуется при некоторых типах взаимодействия нейтронов с атмосферным азотом в верхних слоях атмосферы. Нейтроны возникают при расщеплении атмосферного кислорода и азота космическим излучением. Взаимодействие ядер азота и нейтронов происходит по типу следующей реакции:

₇N¹⁴+₀n¹→₆C¹²+T+4,5 Мэв, (53)

₇N¹⁴+₀n¹→3₂He⁴+p+T+11,5 Мэв.

Тритий составляет очень незначительную долю (5∙10^-16%) природной смеси водорода, состоящей из двух стабильных изотопов: протия ₁Н¹, (99,985%) и дейтерия ₁Н² (0,015%). Тритий является очень мягким
β-излучателем с Е_βмакс − 0,018 Мэв и периодом полураспада 12,26 года.

В атмосферном воздухе трития содержится около 1,8∙10^-18 кюри. Тритий, соединяясь с кислородом воздуха, образует молекулу сверхтяжёлой воды Т₂О. Поэтому тритий в атмосфере существует в основном в виде водяного пара и осаждается на земную поверхность с дождём и снегом. Концентрация трития в дождевой воде, поверхностных водах, воде морей и океанов составляет очень малую величину (10^-16%). Подобно ¹⁴С, некоторая часть трития в гидросфере земли образована при термоядерных взрывах.

Наряду с космическим излучением естественные радионуклиды являются составляющими природного радиационного фона.

Искусственные радионуклиды, созданные человеком в определенных целях или являющиеся побочным продуктом технической деятельности, могут находиться под контролем, в процессе нормальной эксплуатации, или оказаться вне контроля человека (утерянные источники или рассеянные в окружающей среде в результате радиационной аварии и др.). Последние становятся причиной радиоактивного загрязнения.

Радиоактивное загрязнение – это радиоактивные вещества техногенного происхождения, присутствующие в окружающей среде или в организме человека.

Естественные радионуклиды могут стать радиоактивным загрязнением только в тех случаях, если, сконцентрированные человеком, они оказываются в окружающей среде в количествах, превышающих содержание естественных радионуклидов, характерных для данной местности или объекта.

Дата добавления: 2014-11-06