Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Космогенные радионуклиды. Понятие об ядерных реакциях

Читайте также:
  1. A. Понятие о корреляционном анализе
  2. B. Понятие о регрессионном анализе
  3. I. Понятие информации. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации
  4. VI. 1. Понятие и признаки государственных органов, принципы их формирования.
  5. А. Понятие инвестиций.
  6. Агропромышленный комплекс (АПК): понятие, цели функционирования, основные сферы. Прогнозирование и планирование АПК
  7. Активация в гетерогенных каталитических реакциях
  8. Акты применения норм права: понятие, особенности, виды
  9. Базовая система ввода-вывода (BIOS). Понятие CMOS RAM
  10. Белорусские ученые в понятие «воспитание» вводят структурные элементы: ценности воспитания, воспитательная среда, воспитательный процесс.
  11. Билет 23. «понятие прибыли предприятия, ее значение и сущность. Планирование, прогнозирование и распределение прибыли в современных условиях».
  12. Биофизические принципы исследования электрических полей в организме. Понятие о токовом диполе.

 

Земля постоянно подвергается действию космического излучения. Различают первичное и вто­ричное космическое излучение. В состав первичного космического излучения входит около 90% протонов высоких энергий, порядка 9% ядер гелия (альфа-частиц), и около 1% составляют более тяжелые ядра, нейтрино, фотоны и т. д. Энергетический спектр первичного космического излучения имеет огромный диапазон вариаций – от 1 до 1014 МэВ. Известны случаи регистрации частиц с энергиями 1019–1020 МэВ. Макси­мальная интенсивность излучения приходится на область энер­гии около 300 МэВ. Частицы с энергиями, не превышающими 400 МэВ, генерируются на Солнце в период вспышек. Их поток носит название солнечного первичного космического излучения. Бо­лее высокоэнергетическая составляющая называется галактичес­ким первичным космическим излучением. Считают, что оно образу­ется в основном при вспышках сверхновых звезд. Частицы с энергиями больше 1012 МэВ возникают скорее всего за предела­ми нашей Галактики. Возраст первичного космического излуче­ния, т.е. время, прошедшее от возникновения частиц до поступ­ления их в земную атмосферу, был рассчитан по находящимся в его составе радионуклидам – 10Ве и 36С1 – и имел величину от 2,5- 106 до 33- 106 лет (Лаврухина, 1972). Интенсивность потока галактического излучения составляет 2–4 частицы/(см2 • с). Ис­следования радионуклидов в метеоритах показали, что плотность потока галактического излучения с точностью до двух раз оста­валась постоянной в течение последнего миллиарда лет. Однако в пределах этого интервала имеются циклические вариации.

Солнечное космическое излучение с энергией Ec≤400МэВ (1–40 МэВ в период вспышек) имеет весьма большую интенсив­ность потока (106–108 частиц/(см2 • с). Иногда при вспышках ис­пускаются частицы в несколько гигаэлектрон-вольт. Соотноше­ние галактической и солнечной компонент космического излуче­ния зависит от 11-летнего солнечного цикла. Плотность потока га­лактического излучения достигает минимума в период вспышек, когда солнечная компонента максимальна.

Плотность потока первичного космического излучения связа­на с геомагнитным полем. Поэтому она выше на полюсах, чем на экваторе.

Частицы и фотоны, возникающие при взаимодействии пер­вичного космического излучения с атомами атмосферных газов, носят название вторичного космического излучения. Частицы высоких энергий первичного космического излучения вызывают ядерные реакции расщепления с образованием нейтронов, протонов, пионов и каонов. Мно­гие из вторичных частиц об­ладают достаточной энер­гией, чтобы вызвать новые ядерные реакции и создать новые вторичные частицы. Такие реакции носят каскад­ный характер и называются ливнями. Пионы распадаются с образованием мюонов и фотонов, которые, в свою очередь, вызывают новые ливни. Исходные ядерные реакции с частицами высо­ких энергий называются реакциями активации. При этом образуется большое количество радионуклидов. Энергия вторичных космических частиц в зна­чительной степени расходуется на ионизацию. Средняя скорость образования в воздухе ионов равна 2,1 иона/(с • см3). Максимум ионизации достигается в период минимума 11-летнего солнечного цикла. Плотность распределения ионов связана с геомагнитным полем и зависит от широты, увеличиваясь от экватора к полюсам. Аналогичное распределение имеет и плотность нейтронного по­тока. В результате неоднородность интенсивности потока вто­ричных нейтронов и протонов в атмосфере приводит к вариаци­ям скорости образования космогенных радионуклидов в зависимости от геомагнитной широты и высоты.



Интегральный поток нейтронов увеличивается с высотой, а за­тем падает из-за уменьшения плотности атмосферы и убегания нейт­ронов из верхних ее слоев. Скорость образования нейтронов, усред­ненная по всему солнечному циклу, равна 4 нейтрона/(см2 · с -1).

Протоны взаимодействуют с ядрами атомов элементов, входящих в состав атмосферы, вызывая многочисленные ядерные реакции, сопро­вождающиеся испусканием других элементарных частиц, в частности нейтронов. В результате у поверхности Земли на уровне моря около 80% общего количества частиц приходится на долю мюонов. Нейтроны также составляют значительную долю потока частиц у поверхности Земли. Зави­симость интенсивности космического излучения от высоты над уровнем моря представлена в табл. 3.

Радионуклиды, образующиеся в результате ядерных реакций, индуцируемых космическими лучами, называются космогенными. Бомбардирующими частицами служат частицы первичного и вто­ричного космического излучения, мишенями – ядра атомов, входящих в состав атмосферного воздуха, прежде всего азот, кис­лород и аргон.

Помимо реакций активации наиболее распространены ядер­ные реакции на протонах и нейтронах. При этом образуются изотопы различ­ных химических элементов. Основные характеристики наиболее распространенных космогенных радионуклидов даны в табл. 4.

Примерно 70% космогенных радионуклидов образуется в верхних слоях атмосферы и лишь около 30% — в тропосфере. Последую­щее поведение космогенных радионуклидов обусловлено процес­сами обмена между стратосферой и тропосферой, перемещением воздушных масс в тропосфере, а также обменом между атмосфе­рой и другими геосферами. Космогенные радионуклиды, за ис­ключением благородных газов, после своего образования быстро окисляются. Радиоуглерод и тритий сохраняются в виде свобод­ных оксидов 1Н3НО и 14СО2. Остальные оксиды сорбируются на аэрозолях и удаляются из атмосферы при конденсации влаги и последующем вымывании из атмосферы осадками либо за счет гравитационного «сухого» осаждения. Тритий поступает из ат­мосферы с осадками. Космогенные 14СО2, изотопы Аr, Кr и Хе покидают атмосферу значительно медленнее, путем молекуляр­ного обмена на границе атмосферы и гидросферы. Представле­ние о скорости образования космогенных радионуклидов и рас­пределении между основными обменными резервуарами Зем­ли могут дать лишь цифры, полученные до начала ядерных ис­пытаний в атмосфере (табл. 1.4). Ядерные взрывы резко повыси­ли концентрацию радионуклидов в атмосфере.

Для включившихся в биологический цикл космогенных радионукли­дов характерны определенные равновесные концентрации в живых орга­низмах.

Углерод-14.Радиоактивный изотоп углерода 14С образуется в основном в верхних слоях земной атмосферы под действием быстрых нейтронов на природ­ный азот по реакции 14N(n,p)14C. Ядра 14С распадаются с испусканием р-частиц с максимальной энергией 156 кэВ. Период полураспада углеро­да-14 равен 5730 ± 30 лет.

В атмосфере образуется 3,4·1026 атомов 14С в год. Между его образо­ванием и распадом всегда существовало равновесие, благодаря которому постоянно поддерживалась удельная активность углерода, свойственная живой материи. В смеси природных изотопов углерода на долю 14С при­ходится


Таблица 1.4 – Основные характеристики космогенных радионуклидов Земли

Радио-нуклид   Основные реакции образования   Т1/2   Тип распада; Еизлуч, МэВ Продукт распада Скорость образования, атомов (см2 · с) Равновесное количество на Земле, г
3Н 14N (n, t) C12 16O (p,t) 14С 12,26 года β- 0,018 3Не 0,25
7Ве 14N (n, 3pn) 7Ве 14N (р, 4р4п) 7Ве 16O (р, 5р5п) 7Ве 53 дн. β - 0,48 7Li 8,1 ·10 -2 3,2
!0Ве 14N (р, 4pn) 10Ве 16O (р, 5p2n) 10Ве 1,5 · 106 лет β - 0,55 10B 4,5 ·10 -2 4,8 ·108
14C 14N(п,р) 14С 16O (р, 3p) 14С 5730 лет β - 0,156 14N 2,5 7,5 -107
22Na 40 Аr (расщепл.) 22Na 2,6 года β + 0,54 22Ne 8,6·10 -5 1,9
K-захват      
26А1 26Мg (р, п) 26Аl 28Si (р, 2рп) 26А1 7,4 ·105 лет β + 1,17 26Mg 1,4 ·10 -4 1,1· 106
K-захват      
32Si 40 Аr (расщепл.) 32Si 500 лет β - 0,1 32P 1,6 ·10 -4
35S 40Аr (расщепл.) 35S 87,1 дн. β - 0,167 35С1 1,4·10 -3 4,5
36С1 40Аr (р, 2р3п) 36С1 3,1·105 лет β - 0,714 36Аr 1,1 · 10 -3 1,5 ·106
39Аr 40Аr (n, 2л) 39Аr         -
39К (п, р) 39Аr 270 лет β - 0,565 39K 5,6· 10 -3 -
38Аr (n,) 39Аr         -
53Мn 53(р, 2р) 53Мn 56(р,α) 53Мn 2· 10б лет K-захват 53Сr < 10 -7 -
59Ni 59Со (р, п) 59Ni       -
60Ni (р, рп) 59Ni. 8 · 104 лет K- захват 59Со < 10 -7 -
82Кr (p, 2n) 81Кг         -
81 Кr 80Кr(n,у) 81Кг 8,1 · 105 лет K- захват 81Вг 1,5· 10-7·10-5 -

1,8· 10 -10 %, что соответствует 0,23 Бк/г. В живых организмах происходят процессы обмена веществ, благодаря которым поддерживается равновесная концентрация 14С.

После смерти организма обмен с окру­жающей средой прекращается, и запасы 14С больше не пополняются. Археологи, находя останки древних растений, животных или человека, могут по соотношению 14С и общего содержания углерода в найденных пробах установить возраст этих останков.

Очевидно, при отборе проб для углеродного датирования важно в любом случае обеспечить изоляцию от­бираемых проб от контакта с современным углеродом (всегда присутствующим в воздухе газообразным диоксидом углерода), так как незначительная примесь современного углерода в исследуемой пробе может существенно исказить результаты датирования.До 1850 г. радиоактивность сохранялась на уровне 13,5 распадов в ми­нуту на 1 г углерода с некоторыми отклонениями от этой величины. Одна­ко, по крайней мере дважды, после 1850 г. существовавшее равновесие подвергалось нарушениям [5].

Первый раз это произошло в связи с интенсификацией использова­ния ископаемых горючих материалов в качестве источников энергии (ка­менный уголь, нефть, природный газ), что привело к выбросу в атмосферу все больших количеств диоксида углерода, не содержавшего радиоактив­ный углерод в силу древнего происхождения этих горючих материалов (соединения с «мертвым углеродом»). Эти выбросы снизили содержание углерода-14 в диоксиде углерода атмосферы (эффект Зюсса). Величи­ны отклонений могут меняться в зависимости от места и интенсивности выбросов и процессов обмена в атмосфере.

Второе нарушение природного баланса связано с разработкой и ис­пытаниями ядерного оружия. Во время ядерного взрыва испускаемые нейтроны реагируют с ядрами атомов атмосферного азота, образуя радио­активный углерод таким же образом, как и в природных реакциях. При взрыве ядерного боеприпаса мощностью 1 Мт образуется 3,2·1026 атомов 14С. Испытания ядерного оружия вызвали, следовательно, увеличение со­держания углерода-14 в атмосфере, и это дополнительное количество было названо «избыточным 14С». С началом испытаний термоядерного оружия и с включением углерода-14 в биологический цикл удельная ак­тивность 14С в живых организмах повсеместно стала заметно повышаться. На рис. 1. представлено изменение удельной активности углерода-14 во французских винах во второй половине XX века [6]. Максимум удельной активности 14С соответствует максимуму интенсивности испытаний ядер­ного оружия в атмосфере в начале 1960-х гг.

После подписания ведущими ядерными державами Договора о запре­щении испытаний ядерного оружия в трех средах удельная активность 14С в окружающей среде стала экспоненциально снижаться. Как видно из рис. 3.2, Чернобыльская авария существенно не повлияла на скорость из­менения удельной активности 14С в странах Западной Европы. Однако значительные локальные изменения концентрации 14С после этой аварии наблюдались на Украине.

Бериллий -7 и бериллий -10.7Ве образуется в атмосфере под действием быстрых протонов по реак­ции 14N(p,2α)7Be. Скорость его образования в воздушном столбе с пло­щадью основания 1 см2 составляет ~3000 атомов/сут. Его концентрация в приземном слое воздуха составляет в среднем 12 атомов/л воздуха. Он входит в состав соединений ВеО и Ве(ОН)2. Эти молекулы диффундируют в атмосфере до тех пор, пока не сорбируются аэрозольными частицами или захватываются дождевыми каплями.

Средняя удельная активность 7Ве в дождевой воде равна 0,7 Бк/л. Удельная активность снега составляет примерно 0,2 Бк/л талой воды.

Бериллий-10 образуется в основном в стратосфере по реакции скалы­вания из ядер кислорода [3]. Скорость образования ядер 10Ве в стратосфе­ре 0,08 ат/(см2·с). Бериллий-10 относится к долгоживущим радионуклидам, его

 

Рис. 1.Изменение удельной активности 14С во французских винах во второй половине XX века [6]. Горизонтальная линия –природный уровень удельной активности 14С

период полураспада равен 1,6·106 лет, он испускает β-излучение с максимальной энергией 550 кэВ.

Среднее время пребывания 10Ве в атмосфере составляет примерно 1 год [1]. На поверхность Земли он поступает с осадками. Выпадение 10Ве неравномерно по широте, наибольшее количество выпадает в средних широтах. В северном полушарии наибольшие концентрации бериллия-10 в дождевой воде приходятся на период с середины мая до середины авгу­ста, а минимальные — с октября до середины января.

Удельная активность 10Ве в почвах очень низка, что затрудняет его определение. В океане разбавление ядрами 9Ве происходит в меньшей степени и удельная активность 10Ве в донных осадках океана выше, чем в почвах. Для определения возраста по 10Ве измеряют атомное отношение 10Ве/9Ве. В океан 10Ве поступает в основном из атмосферы, а 9Ве прино­сится реками и с эоловой взвесью (пылью). 10Ве может поступать и с суши в растворенной и взвешенной формах. В океане основная часть 10Ве на­капливается в прибрежных регионах, и только сравнительно небольшая доля поступает в открытый океан.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
| Космогенные радионуклиды. Понятие об ядерных реакциях

Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 807; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Читайте также:

  1. A. Понятие о корреляционном анализе
  2. B. Понятие о регрессионном анализе
  3. I. Понятие информации. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации
  4. VI. 1. Понятие и признаки государственных органов, принципы их формирования.
  5. А. Понятие инвестиций.
  6. Агропромышленный комплекс (АПК): понятие, цели функционирования, основные сферы. Прогнозирование и планирование АПК
  7. Активация в гетерогенных каталитических реакциях
  8. Акты применения норм права: понятие, особенности, виды
  9. Базовая система ввода-вывода (BIOS). Понятие CMOS RAM
  10. Белорусские ученые в понятие «воспитание» вводят структурные элементы: ценности воспитания, воспитательная среда, воспитательный процесс.
  11. Билет 23. «понятие прибыли предприятия, ее значение и сущность. Планирование, прогнозирование и распределение прибыли в современных условиях».
  12. Биофизические принципы исследования электрических полей в организме. Понятие о токовом диполе.




studopedia.su - Студопедия (2013 - 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ip: 54.162.152.232
Генерация страницы за: 0.008 сек.