Естественные источники ионизирующего излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра радиохимии и прикладной экологии

Реферат

Естественные источники ионизирующего излучения

Руководитель:

доцент, к. х. н. Т.А. Недобух

Исполнитель:

студент группы ФтМ - 151201

А.Е. Малахов

Екатеринбург, 2015

Вступление

Радионуклиды -- радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов -- и с определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Атомы являются сложными системами, состоящими из частиц-волн трех категорий: протонов и нейтронов в ядре атома и электронов, окружающих ядро и образующих электронную оболочку. На ядро приходится почти вся масса атома. Общее число протонов и нейтронов (нуклонов) составляет массу нуклида. Некоторые могут находиться в различных ядерно-энергетических состояниях. Одно из этих состояний представляют изотопы - нуклиды с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов; другое - изобары - атомы с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым массовым числом.

Радионуклиды широко применяются в народном хозяйстве, технике, науке и медицине. С их помощью изучают физиологические и биохимические процессы в норме и при патологии, а так же закономерности миграции и обмена химических элементов в окружающей среде, организме животных и человека.

В настоящее время известно 340 естественных изотопов, 70 из них радиоактивны - в основном это изотопы тяжелых элементов. Все изотопы элементов, стоящих в таблице Менделеева после Bi радиоактивны.

Радионуклиды, присутствующие в окружающей среде и выполняющие определенную роль, обычно классифицируют по происхождению. Так различают естественные и искусственные радионуклиды.

1. Естественные радионуклиды

естественный радионуклид техногенный радий

К естественным радионуклидам относятся:

1. Радионуклиды космогенного происхождения.

2. Радионуклиды, входящие в природные радиоактивные семейства.

3. Радионуклиды, не входящие в семейства.

Радионуклиды космогенного происхождения.

Они образуются при взаимодействии космических лучей с газами земной атмосферы и некоторыми элементами земной коры. Наиболее радиоэкологически важные изотопы - ¹⁴С (Т_1/2 = 5730 лет), ³H (Т_1/2 = 12,35 года) и ⁷Be (Т_1/2 = 53,3 сут).

Тритий (радиоактивный водород) и ¹⁴С образуются непрерывно, так как мы не можем ограничить взаимодействие космического излучения с атмосферой. Скорость образования ¹⁴С остаётся неизменной уже 15 000 лет, поэтому он находится в равновесии с углеродом биосферы (т.е. доля радиоуглерода в составе стабильного практически постоянна). поступает в организм человека с водой, воздухом, растительной и животной пищей, став составной частью человеческого тела.

Изотоп ¹⁴С в основном образуется в результате протекания реакции:

Взаимодействие молекул воздуха с быстрыми протонами, нейтронами и дейтронами космического излучения приводит к образованию трития:

¹⁴С поступает в организм человека с водой, воздухом, растительной и животной пищей, став составной частью человеческого тела. В смеси природных изотопов углерода доля ¹⁴С составляет 1,8*10^-10%, что соответствует 0,227 Бк/г. Тритий поглощается человеком в несколько меньших количествах.

На определении количества ¹⁴С основан метод оценки возраста органических материалов, произведённых из «живого вещества» (например, дерева), и отмерших организмов. Радиоуглеродный метод разработан американским радиохимиком У. Либби (Нобелевская премия 1960 года) и применим при определении возраста объектов не старше 50 000 лет.

Доля ¹⁴С в смеси со стабильными изотопами (¹²С и ¹³С), из которых состоит элемент углерод, при жизни любого организма постоянна вследствие непрерывного обмена веществ (метаболизма). Эта доля такая же, как у углерода, который входит в состав углекислого газа атмосферы (CO₂); именно этот газ участвует в фотосинтезе, который «строит» тело всех растений. В отмерших материалах из-за прекращения метаболизма доля ¹⁴С вследствие его распада только убывает со скоростью радиоактивного распада

А=А_ое^-лt,

где

л = ln 2/Т_1/2

Эта экспериментально устанавливаемая доля находится в строгом количественном соответствии с отрезком времени, который прошёл с момента прекращения метаболизма (например, естественного отмирания или срубания дерева) до момента определения доли ¹⁴С. Так устанавливают «возраст» археологических и палеонтологических объектов органического происхождения.

Но в ряде случаев применение радиоуглеродного метода приводит к ложным результатам. Это связано с изменением содержания ¹⁴С в окружающей среде относительно равновесного. На этот фактор существенное влияние оказали ряд событий, такие как: интенсификация использования ископаемых горючих материалов, начиная с середины 19 века; разработка и активные испытания ядерного оружия в начале 1960-х годов.

Рисунок 1 - Содержание радиоуглерода в природных объектах до 1950 года

Рисунок 1 - Содержание радиоуглерода в природных объектах в период 1950-2000 годов

Радионуклиды, входящие в природные радиоактивные семейства.

Далеко не всегда продукт радиоактивного распада стабилен (устойчив). Новый образовавшийся нуклид тоже может оказаться радиоактивным. В общем случае последовательные радиоактивные превращения могут составить ряд «генетически» связанных радионуклидов («семейство»). Радиоактивных природных семейств известно три, каждое из них содержит более десятка радионуклидов (Рисунок 3).

Родоначальники этих радиоактивных семейств возникли в период формирования Вселенной и имеют возраст, сравнимый с возрастом Земли, - примерно 10⁹ лет:

1. ²³⁸U (Т_1/2 = 4,5·10⁹лет),

2. ²³⁵U (Т_1/2 = 7,13·10⁸лет),

3. ²³²Th (Т_1/2 = 1,39·10¹⁰лет).

Рисунок 3 - Природные радиоактивные семейства ²³⁵U, ²³²Th, ²³⁸U

Массовые числа членов каждого семейства могут быть охарактеризованы формульно:

1. Семейство ²³⁸U - формула 4n+2;

2. Семейство ²³⁵U - формула 4n+3;

3. Семейство ²³²Th - формула 4n+0.

Также существует ряд ²³⁷Np (нетуниевый ряд, Т_{1/2 1}= 2,26·10⁶лет), формула 4n+1, но этот ряд был получен искусственно в результате ядерных превращений. В отличие от первых трех семейств ряд нептуния заканчивается не изотопом свинца, а стабильным изотопом ²⁰⁹Bi.

Дочерние радионуклиды имеют относительно короткие периоды полураспада. Из них наибольшее радиоэкологическое значение имеют изотопы радия ²²⁶Ra (Т_1/2 = 1622 года),²²⁸Ra (Т_1/2 = 6,7 года), изотоп радона ²²²Rn (Т_1/2 = 3,85 дня), изотоп свинца ²¹⁰Pb (Т_1/2 = 22 года), изотоп полония ²¹⁰Po (Т_1/2 = 138,4 дня). Мы выделяем эти радионуклиды потому, что именно они в основном создают дозу облучения, получаемую человеком за счёт природной радиоактивности.

Члены природных радиоактивных семейств играют большую роль в радиоэкологической обстановке, внося существенный вклад в облучаемость человечества.

Радионуклиды, не входящие в семейства.

Периоды полураспада этих радионуклидов чрезвычайно высоки, поэтому их удельная активность мала. Большинство из них не имеют радиоэкологического значения. Исключением являются два радиоизотопа: изотоп калия (⁴⁰К, Т_1/2 = 1,28·10⁹ лет) и изотоп рубидия (⁸⁷Rb, Т_1/2 = 4,7·10¹⁰ лет).

В природном калии содержится 0,0119 % изотопа ⁴⁰К, поэтому он входит в состав почв, горных пород, Мирового океана и «живого вещества», даже тела человека. Так, средняя активность тела человека весом 70 кг (содержащего 130 г калия) равна 3,5·10³ Бк.

Рубидий по химическим свойствам близок к калию, но его содержание в атмосфере на два порядка ниже, соответственно и роль его в биологических процессах меньше. Содержание ⁸⁷Rb в природной смеси изотопов составляет 27,85 % , удельная активность ⁸⁷Rb - 850 Бк/кг. В теле человека содержится около 10 мг/кг рубидия, его удельная активность составляет 8,5 Бк/кг.

Миграция естественных радионуклидов в окружающей среде.

Существует два пути рассеяния радионуклидов в окружающей среде: естественная миграция и техногенная миграция.

1. Естественная миграция.

Радиоизотопы имеют одинаковые химические свойства со стабильными, соответственно они мигрируют по биологическим и пищевым цепочкам совместно. В Таблице 1 представлена активность некоторых естественных радионуклидов в зависимости от пород, в которых они содержатся.

Таблица 1 - Активность некоторых природных радиоизотопов в различных породах

Наиболее высокие активности характерны для изверженных пород, более низкие - для осадочных пород. Стоит отметить, что данные породы могут содержать все продукты распада урана и тория.

На Рисунке 4 изображена схема круговорота естественных радионуклидов в литосфере.

Рисунок 4 - Схема круговорота ЕРН в литосфере

В мире существует несколько районов, где значение внешнего радиационного фона превышает средние показатели. Это провинции Лацио и Кампанья в Италии, штаты Рио-де-Жанейро и Минас-Жераис в Бразилии, некоторые районы Ирана и Нигерии. В этих районах мощность дозы внешнего и внутреннего облучения в два, а иногда и больше раз превосходит допускаемые нормы облучения для лиц категории А (20 мЗв/год).

Природная радиоактивность почв обуславливается активностью почвообразующих горных пород, радионуклидов, выщелачиваемых грунтовыми водами или эманирующих из горных пород. Большие значения удельной активности имеют почвы, связанные с продуктами разрушения гранитов и фосфоритов. В результате природных геохимических процессов природные радионуклиды попадают в воду. Дочерние продукты урана ²²⁸Ra и ²²⁶Ra очень легко выщелачиваются и таким образом вносят наиболее существенный вклад в дозу облучения, получаемую биотой. Продукт распада ²²⁶Ra - ²²²Rn. Атомы радона могут выходить за пределы твердой поверхности путем движения по почвенным трещинам и капиллярам, оказываясь в конечном итоге в приземном слое атмосферы. Часть радона растворяется в природных водах. Радиоактивность грунтовых вод обусловлена в основном ²²⁶Ra и ²²²Rn, речных и озерных вод - ²²²Rn,⁴⁰K, ³H, морской воды - ⁴⁰K, питьевой воды - ²²²Rn.

В Свердловской области выявлено 350 источников водоснабжения с повышенным содержанием естественных радионуклидов. НРБ устанавливают следующие нормативы на содержание в питьевой воде радионуклидов - суммарная альфа- и бета-активность не должна превышать 1,0 Бк/кг для предварительной оценки. В случае присутствия в воде ³H, ¹⁴C, ¹³¹I, ²¹⁰Pb, ²²⁸Ra и ²³²Th определение удельной активности этих радионуклидов в воде является обязательным. Уровень вмешательства для ²²²Rn в питьевой воде составляет 60 Бк/кг.

2. Техногенная миграция

Проблема техногенного рассеивания естественных радионуклидов связана в большей части с добычей и обогащением урановых руд. Урановая руда содержит от 0,1 до 3% урана. При добыче и переработке происходит загрязнение окружающей среды изотопами ²³⁸U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra, 15% от активности руды попадает в отвалы. Большие проблемы возникают с изотопом ²²²Rn, который поднимается с поверхности.

Так в Красноуфимске, Свердловская область на складах монацитовой руды сложилась неблагоприятная радиоэкологическая обстановка из-за неприспособленности складов к хранению руды, содержащей 2-6% ²³²Th, которую предполагалось в будущем использовать для наработки изотопа ²³³U. На данный момент определено три пути решения сложившейся проблемы: возвращение монацита обратно в природу, т.е. рассеивание в морских глубинах и заброшенных шахтах; приведение складов в состояние, отвечающее нормам радиационной безопасности; извлечение из монацита редкоземельных элементов и дальнейшее захоронение ториевого остатка в специальных хранилищах. Третий вариант является наиболее разумным и перспективным технологическим решением, но для его осуществления необходимы большие инвестиции в данную отрасль промышленности.

Второй причиной техногенного рассеивания природных радионуклидов является добыча и сжигание углеродного топлива. Концентрация урана в добываемых нефтепродуктах достигает 1000 г/т зачет содержания в добываемом сырье урансодержащих фосфатов. Активность осадка, оседаемого на стенках скважин, может доходить до 15000 Бк/г. Основной способ захоронения этих осадков - затопление в море.

Также можно оценить поступление радона при добыче газа. Средняя активность добываемого газа - 1000 Бк/м³. Если учесть мировую добычу газа, то годовой выброс ²²²Rn составит около 50000 Ки.

Все угли содержат радионуклиды ториевого и уранового рядов. Приблизительная оценка выбросов природных радионуклидов при сжигании угля дает 3570 Ки/год.

Третьей причиной пространственного перераспределения естественных радионуклидов является производство и использование строительных материалов. Удельные активности различных материалов представлены в Таблице 2.

Таблица 2 - Оценка удельной активности по радию различных строительных материалов

Строительные материалы могут выступать источниками внешнего и внутреннего облучения человека. Согласно НРБ-99/2009 эффективная удельная активность природных радионуклидов в строительных материалах должна быть соизмерима со значениями активности, представленными в Таблице 3.

Таблица 3 - Классификация строительных материалов по удельной активности

Примечание. Формула для расчета А_эфф.: А_эфф. = А_Ra + 1,3 А_Th + 0,09А_K .

При А_эфф. > 4000 Бк/кг материалы не могут использовать в строительстве.

Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется за счет двух противоположно действующих факторов:

1. Экранирование внешнего излучения зданием;

2. Облучение за счет естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которого построено здание.

В зависимости от концентрации изотопов ⁴⁰К, ²²⁶Ra и ²³²Th в различных строительных материалах мощность дозы в домах изменяется от 4*10^-8 до 12*10^-8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2-3 раза выше, чем в деревянных.

Четвертой причиной техногенного рассеяния естественных радионуклидов является производство и использование фосфатных удобрений. В фосфатных рудах содержатся ²³⁸U, ²³²Th, продукты их распада, а также ⁴⁰K. При производстве фосфорных удобрений происходит выброс радионуклидов в атмосферу, сброс с жидкими отходами. Введенные в почву радионуклиды попадают в приземные слои воздуха и перемещаются по пищевым цепям.

В соответствии с НРБ-99/2009 удельная активность природных радионуклидов в фосфорных удобрениях и агрохимикатах не должна превышать 1000 Бк/кг (А_U + 1,5А_Th).

Также стоит отметить, что повышенному облучению подвергается курящий человек. Через почву в табак попадают такие радионуклиды, как ²¹⁰Po и ²¹⁰Pb. Оба радионуклида становятся летучими при сгорании табака и тем самым попадают в легкие человека. При выкуривании одной пачки сигарет в день человек потребляет около 100 мБк вышеописанных радионуклидов.

Список использованной литературы

1. А.В. Воронина, Н.Д. Бетенеков, Т.А. Недобух «Прикладная радиоэкология»

2. С.М. Усманов «Радиация справочные материалы»

3. НРБ 99/2009. Нормы радиационной безопасности.

4. В.Г. Калыгин «Промышленная экология: учебное пособие»

5. http://gammacontrol.ru/ Центр «Радиационного мониторинга»

6. http://phys.rsu.ru/ Физический факультет Южного Федерального университета

Размещено на Allbest.ru