Естественная радиоактивность

Классификация радионуклидов

ХИМИЯ РАДИОнуклидов

Радионуклиды и сопутствующие им ионизирующие излучения суще­ствовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни – это так называемые природные или естественные радионуклиды. В биосфере Земли содержится свыше 80 радионуклидов естественного происхождения. Радиоактивными являются все встречающиеся в природе элементы с Z > 83.

Естественные радиоактивные элементы распространены на Земле в ничтожных количествах и содержатся в твердых породах земной коры, в воздухе, в воде, а также в растительных и животных организмах. Они вошли в состав Земли с самого ее образования. Их можно разделить на две категории: первичные и космогенные. Первичные подразделяются на две группы. Первая группа включает 43 радионуклида трех семейств (рядов) радиоактивных элементов:

1. Семейство урана-238, родоначальником которого является ²³⁸U (Т_1/2 = 4,51×10⁹ лет);

2. Семейство урана-235, родоначальником которого является ²³⁵U (Т_1/2 = 7,13×10⁸ лет);

3. С емейство тория, родоначальником которого является ²³²Th (Т_1/2 = 1,41×10¹⁰ лет).

Радиоактивные семейства - цепочки элементов, самопроизвольно образующихся один из другого в результате радиоактивного распада. Конечными продуктами распада в каждом семействе является свинец, соответственно семействам ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb. Радионуклиды этой группы называют также тяжелыми естественными радионуклидами. В природе ранее существовало четвертое радиоактивное семейство нептуния – ряд ²³⁷Np (Т_1/2 = 2,14^. 10⁶ лет), все члены которого в естественных условиях уже распались.

Вторая группа первичных радионуклидов состоит из 24 долгоживущих (период полураспада от 1,3^. 10⁹ до 1,^4.10²¹ лет) радиоактивных изотопов таких химических элементов, как К, Са, Rb, Sn и др.

В облучении человека и других организмов заметную роль играет калий-40 и радиоактивный газ радон, который состоит из нескольких изотопов (Rn-220, Rn-222 и др.). В природном калии содержится 0,0118% радиоактивного К-40. Изотопы радона являются промежуточными продуктами в рядах распада урана и тория. Согласно оценке Научного Комитета по действию атомной радиации (НКДАР) ООН, радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением планеты от земных источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемом и подвальном помещениях.

Космогенные радионуклиды образуются в основном в атмосфере в результате взаимодействия космического излучения (нейтронов, протонов и др.) с ядрами атомов O, N, Ar, а затем поступают на земную поверхность с атмосферными осадками. В среднем между процессом образования и радиоактивным распадом этих нуклидов установилось равновесие и запас их в биосфере держится на одном уровне, испытывая лишь изменения, связанные с вариациями скорости образования. Эта группа представлена 20 радионуклидами с периодами полураспада от 37,3 мин (³⁸Cl) до 7,4^. 10⁵ лет (²⁶Al). Наиболее значимые в радиологическом плане радионуклиды этой группы – ³Н, ⁷Ве, ¹⁴С, ²²Na, ²⁴Na, ²⁶Al. К этому перечню можно было бы космогенные изотопы ³²P, ³⁵S, ⁵⁴Mn, ⁵⁹Ni, несколько изотопов кобальта и железа, однако содержание их в природе незначительно, и они не играют большой роли в биосферных процессах.

Радионуклиды искусственного происхождения образуются в результате деятельности человека по использованию атомной энергии, испытаний и применения ядерного оружия, ядерного синтеза с помощью специальных установок и источников излучений, т. д.

Широкомасштабное загрязнение биосферы радионуклидами началось 16 июня 1945 года с взрыва первой в истории человечества атомной бомбы в США. Всего ядерные державы провели более 400 испытательных взрывов на земле, в воде и в атмосфере (не считая подземных). В результате радиоактивными веществами была загрязнена вся планета и естественный фон изменился повсеместно.

С развитием атомной энергетики мы приобрели новый, чрезвычайно опасный фактор загрязнения окружающей среды - техногенные радиоактивные элементы, которые поступают в биосферу либо “вполне легально”, под маркой радиоактивных отходов, либо в результате аварийных ситуаций на атомных реакторах. Чернобыльской катастрофе предшествовали три крупные радиационные аварии (в СССР, Великобритании и США).

К искусственным источником относится также промышленное производ­ство, связанное с радиоактивными элементами, медицинское оборудование, имеющее источники ионизирующих излучений (например, рент­геновские уста­новки).

Искусственные радионуклиды получают и используют в таких количествах, что возникающее при этом излучение имеет интенсивность, в миллионы раз превосходящую интенсивность естественных источников излучения. Искусственные радионуклиды по различным причинам попадают в окружающую среду, повышая тем самым радиационный фон. Кроме того, они включаются в биологические системы и поступают непосредственно в организм животных и человека. Все это создают опасность для нормальной жизнедеятельности организмов.

Искусственными радионуклидами являются: йод-131, цезий- 134 и 137, стронций-89 и 90, церий-141 и 144, рутений- 103 и 106, плутоний-239 и др.

Уран и торий были известны задолго до открытия радиоактивно­сти, они широко распространены в природе, содержатся в рудах, горных породах, почвах, воде рек и морей, в животных и расти­тельных организмах. Периоды полураспада ряда природных изо­топов урана и тория столь велики, что они сохранились в земной коре с момента ее образования.

Изотопы урана и тория являются родоначальниками трех се­мейств радиоактивных элементов.

Все остальные естественные радиоактивные элементы встреча­ются в природе как продукты радиоактивного распада урана и тория. В старых, не подвергшихся действию тех или иных хими­ческих реагентов минералах и рудах имеет место радиоактивное равновесие, при котором соотношение радиоактивных изотопов раз­личных элементов отвечает закону радиоактивного равновесия.

В результате процессов разрушения горных пород, их выветри­вания, происходит миграция радиоактивных элементов и наруша­ется радиоактивное равновесие. Радиоактивные элементы, отде­ленные от материнского элемента – урана и тория, постепенно распадаются. Короткоживущие – быстро исчезают, и остаются лишь такие, как ²³⁰Th, ²³¹Pa и ²²⁶Ra. Долгоживущие радиоактивные элементы образуют вторичные отложения, например, черные глины и водные источники, содержащие радий.

Радий содержится в почвах, в воде морей и рек. Вследствие ши­рокой распространенности радия в природе в водоемах и воздухе содержатся продукты его распада – изотопы радона (эманации) –радон, торон и актинон. Во взвешенном состоянии в воздухе или в растворенном состоянии в воде имеются продукты распада эма­нации: изотопы таллия, свинца, висмута, полония и астата.

Из почвы природные радиоактивные элементы попадают в рас­тения, а из растений в животные организмы. Содержание урана в растениях составляет 10^-5–10^-8%, радия – 10-12%. Содержание радия в животных организмах порядка 10^-13%.

В радиоактивных семействах и, следовательно, в рудах урана и тория есть изотопы элементов с порядковыми номерами 85 и 87,

Кроме урана, тория и продуктов их распада в природе найде­ны радиоактивные изотопы таких химических элементов, как, на­пример, калий, кальций, рубидий, олово и др. (табл. 1.1).

Следовательно, многие химические элементы обладают радио­активностью. Среднее содержание их в земной коре составляет около 0,1%. Поэтому в растениях и животных наряду с небольшим содержанием урана, тория, радия и продуктов их распада содержатся радиоактивные изотопы других химических элементов, например значительные количества радиоактивного изотопа калия ⁴⁰К.

Таблица 1.1 – Природные радиоактивные изотопы нерадиоактивных химических элементов

Изотоп	Содержание изотопа в естествен­ном элементе, %	Период полурас­пада, лет	Тип распада	Изотоп	Содержание изотопа в естествен­ном элементе, %	Период полурас­пада, лет	Тип распада
	0,0118	1,3·10^9			0,089	7·10^10	α
	0,179	2·10^16			11,7	5,1·10^15	α
	0,24	>3·10^15	э. з.*		23,87	5·10^15
	27,85	6,16·10^10			5,60	5·10^10
	2,80	6,2·10^16			15,07	6,7·10^11	α
	12,30	~2·10^17			2,60	2,4·10^10
	4,23	>10^15			?	1·10^12	или э.з.
	95,77	6·10^14			0,126	2,2·10^17	α
	6,11	1,5·10^17			62,93	4·10^12
	42,75	>10^14	э. з.		0,006	5·10^11	?
	0,88	>10^13	э. з.		0,78	~10^15	?
	34,11	1,4·10^21				2,7·10^17	α

Дата добавления: 2014-01-06