Документ Microsoft Word. 1. Физические основы радиоактивности Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле
 Скачать 330.84 Kb.
|
1. Природные источникиЕстественные (природные) источники ионизирующего излучения – это совокупность космического излучения и излучения от естественных радионуклидов, рассеянных в атмосфере, литосфере, гидросфере и находящихся в составе биологических организмов. Все эти излучения образуют природный, или естественный радиационный фон. Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичные космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из космоса и возникающих в процессе термоядерных реакций в недрах Солнца и звезд. Первичное космическое излучение состоит в основном из протонов – 85-92% и альфа-частиц – 7-13%. Кроме того в состав космического излучения входят электроны, позитроны, гамма-кванты и нейтрино. При резком увеличении солнечной активности возможно нарастание космического излучения на 4-100%. Лишь немногие первичные космические лучи достигают поверхности Земли, так как они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. На орбите Земли скорость космических частиц примерно равна 300 км/с, т.е. около 0,001 скорости света. Плотность космических частиц на орбите Земли зависит от интенсивности термоядерных реакций на Солнце. В спокойные периоды деятельности Солнца плотность первичных космических частиц на орбите Земли на высоте 50 км от ее поверхности равна 1-2 част./см2 . с. В периоды усиления активности Солнца количество их может достигать 100 част./см2 . с. Первичные космические частицы, обладая огромной энергией и скоростью, взаимодействуют с ядрами атомов, составляющих атмосферу, и рождают вторичное излучение. Вторичное космическое излучение состоит из мюонов, электронов, фотонов; максимум его интенсивности находится на высоте 20-30 км, на уровне моря интенсивность излучения составляет около 0,05% от первоначального. Элементарные частицы, составляющие вторичное космическое излучение, под действием магнитного поля Земли образуют вокруг нее два радиационных пояса – внешний и внутренний:  На широте экватора внешний пояс расположен на расстоянии 20-60 тыс. км, а внутренний – на расстоянии 600-6 000 км от поверхности Земли. На некоторых участках внутренний пояс может опускаться на расстояние до 300 км от поверхности Земли. Поскольку среди элементарных частиц радиационных поясов преобладают электроны и позитроны, то плотность частиц измеряется количеством электронно-позитронных пар на квадратный сантиметр в секунду. Плотность потока частиц во внешнем и внутреннем радиационных поясах равны соответственно 2 107 и 1 105 электрон/см2. с. Заряженные частицы вторичного космического излучения движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли, которое является для них ловушкой. В итоге в радиационных поясах нашей планеты потоки заряженных частиц в сотни миллионов раз превышают потоки солнечного ветра в космическом пространстве. На поверхность Земли попадает, главным образом, вторичное космическое излучение, которое создает ионизацию компонентов атмосферы. Интенсивность ионизации возрастает с увеличением высоты. На уровне моря она минимальна, а на высоте 12-16 км достигает максимума. Ионизация, вызываемая космическими лучами, возрастает в направлении от экватора к полюсам, что является следствием отклонения первично заряженных космических частиц магнитным полем Земли. У космических частиц есть так называемые мягкая и жесткая компоненты (составные части). Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и фотонов. По своей проникающей способности она близка к гамма-излучению. Жесткая компонента состоит из мюонов и нейтрино. Жесткая компонента космического излучения обладает очень высокой проникающей способностью. Мюоны могут проникать в толщу литосферы до 3 км, а нейтрино пронизывают Землю насквозь, улетая далее в космос. Космические лучи и ионизирующее излучение, испускаемое природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде, почве и горных породах, образуют фоновое излучение, к которому адаптирована ныне существующая биота. Обычно интенсивность гамма-излучения на высоте 1 метр от поверхности Земли колеблется от 10 до 15 мкР/ч, иногда достигая 25 мкР/ч. В разных частях биосферы естественный фон различается в 2-3 раза. Например, в горах на высоте 3 км он в 3 раза выше, чем на уровне моря. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв в год; для людей, живущих выше 2 000 м над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. Еще более интенсивному облучению подвергаются экипажи и пассажиры самолетов: при подъеме с высоты 4 000 м до 12 000 м уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз. Например, при перелете из Нью-Йорка в Париж пассажир получает дозу около 50 мкЗв. Встречающиеся в природе радиоактивные элементы принято называть естественными. Большинство из них – тяжелые элементы с порядковыми номерами от 81 до 96. Природные радиоактивные элементы путем альфа- и бета-распада превращаются в другие радиоактивные изотопы. Эта цепь радиоактивных превращений называется радиоактивным рядом или семейством. В настоящее время известны 4 естественных радиоактивных семейства: урана-радия, тория, актиния-урана, нептуния. Массовые числа членов урано-радиевого ряда всегда четные и подчиняются закону: А = 4n + 2, где n изменяется от 51 до 59. Для ториевого ряда массовые числа четные и определяются по формуле: А = 4n, где n изменяется от 52 до 58. Для актиниевого ряда массовые числа элементов всегда нечетные и могут быть определены по формуле: А = 4n + 3, где n изменяется от 51 до 58. Массовые числа элементов ряда нептуния нечетные и определяются по формуле: А = 4n + 1, где n изменяется от 52 до 60. Родоначальники каждого семейства характеризуются очень большими периодами полураспада, которые сопоставимы со временем жизни Земли и всей Солнечной системы: Родоначальники естественных радиоактивных семейств
Самый большой период полураспада у тория, поэтому он сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах, но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Естественные радиоактивные семейства обладают рядом общих особенностей, которые заключаются в следующем: 1. Родоначальники каждого семейства характеризуются большими периодами полураспада, находящимися в пределах 108-1010 лет. 2. Каждое семейство имеет в середине цепи превращений изотоп элемента, относящийся к группе благородных газов. 3. За радиоактивными газами следуют твердые короткоживущие элементы. 4. Все изотопы трех радиоактивных семейств распадаются двумя путями: альфа- и бета-распадами. 5. Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца с массовыми числами 206, 208 и 207 соответственно для уранового, ториевого, актиниевого ряда. Семейства урана-радия и тория являются активными гамма-излучателями по сравнению с семейством актиния, мощность дозы гамма-излучения которого весьма невелика. Таким образом, в радиоактивных семействах имеются альфа-, бета- и гамма-излучатели, причем мощность дозы каждого излучения в разных семействах неодинакова. Первые наблюдения радиоактивности почв и горных пород были проведены в самом начале XX века. Последующие исследования показали, что все объекты географической оболочки обладают определенной радиоактивностью. О распределении радиоактивных элементов в толще земной коры и литосферы в целом, на глубинах недоступных непосредственному наблюдению, можно судить только на основании косвенных фактов и общих представлений о строении Земли. В настоящее время наибольшим признанием пользуется концепция, согласно которой радиоактивность пород падает с глубиной, но все же остается измеримой до весьма значительных глубин. Резко выраженное накопление радиоактивных элементов в гранитном слое континентальной коры, установленное британским физиком Джоном Уильямом Стреттом еще в 1906 году, подтвердилось последующими исследованиями. На практике существует эмпирическое правило: магматические породы светлых оттенков более радиоактивны, чем темные. Наиболее высокой радиоактивностью среди осадочных пород обладают глинистые сланцы и глины. Содержание радионуклидов в них приближается к таковому в кислых изверженных породах – гранитах. На основании результатов лабораторного радиометрического изучения большого количества образцов осадочных горных пород было выявлено, что среди них наименьшей радиоактивностью обладают чистые химические и органические осадки (каменная соль, гипс, известняки, доломиты, кварцевые пески, кремнистые сланцы, яшмы). Морские осадки в целом более радиоактивны, чем континентальные. Главным источником радиоактивных элементов в почвах следует считать почвообразующие породы. Поэтому почвы, развитые на кислых магматических породах, относительно обогащены радиоактивными элементами (ураном, радием, торием, калием), а почвы, образованные на основных и ультраосновных породах, бедны ими. Глинистые почвы почти везде богаче радиоизотопами, чем песчанистые. Прямой зависимости между радиоактивностью почв и количеством органического вещества в них не наблюдается. Радиоактивность почв в основном обусловлена природными радиоизотопами 40K и 87Rb. Под влиянием испытаний ядерного оружия и техногенных факторов почвы повсеместно загрязнены искусственными радионуклидами. Радиоактивность речных и озерных вод зависит от источника их питания. Дождевые, снеговые и ледниковые воды содержат небольшое количество солей, поэтому водоемы горных районов высоких широт, имеющие этот источник питания, практически стерильны в отношении естественных радионуклидов. Природные радионуклиды поступают в открытые водоемы суши в основном с подземными водами. Грунтовые воды, питая озера и реки, определяют уровни природной радиоактивности воды этих водоемов. Поэтому радиоактивность воды рек и озер подвержена значительным колебаниям. Она напрямую зависит от химического и минерального состава горных пород, в которых располагаются чаши озер или водосборы рек. К другому важному фактору, влияющему на степень радиоактивности воды открытых водоемов, относится климат, от которого зависит степень химического выветривания горных пород, являющихся основным поставщиком природных радионуклидов. Наконец, концентрация радиоизотопов в озерах зависит от степени водного обмена. Бессточные озера в районах с засушливым климатом могут быть значительно обогащены радиоактивными элементами за счет сильного испарения застойной воды. Если исключить реки, дренирующие урановые рудные районы, то можно считать, что речные воды отличаются пониженным относительно морских вод содержанием урана, радия, тория, калия и радона, хотя есть и исключения из этого правила (например, река Сырдарья в Средней Азии). В период паводка радиоактивность речной воды снижается, а в межень (низкий уровень воды) – повышается. Зимой, когда реки покрываются льдом, наблюдается повышенное содержание в воде радиоактивных газов – радона и торона. Подземные воды бывают значительно обогащены ураном, радием, торием и радоном по сравнению с поверхностными. В гидрогеологии принято выделять радоновые, радиевые и урановые воды, в зависимости от преобладания в их составе того или иного радиоактивного элемента. Существуют и смешанные воды. Еще в тридцатые годы XX столетия советским радиохимиком В.Г. Хлопиным была замечена повышенная концентрация радия в воде нефтяных месторождений. В настоящее время в результате интенсивной эксплуатации месторождений углеводородного сырья это приводит к накоплению природных радионуклидов на технологическом оборудовании и трубопроводах нефтяных и газовых месторождений. На отдельных месторождениях мощность экспозиционной дозы от оборудования достигает 6 мР/ч, а удельная активность природных радионуклидов в шламе превышает 105 Бк/кг. Следствием этого является неконтролируемое облучение персонала и населения. Атмосфера Земли всегда содержит газообразные радиоактивные вещества в виде инертных газов – радона, торона и актинона, источником которых являются эманирующие горные породы. Радиоактивные эманации (радон, торон, актинон), попадая из почвы в атмосферный воздух, затем разносятся горизонтальными и вертикальными воздушными потоками. В свою очередь радиоактивные газы, претерпевая распад, превращаются в твердые радиоизотопы, которые выпадают на поверхность Земли в виде активных осадков. Актинон и торон не являются долгоживущими, поэтому они встречаются в небольших количествах лишь в самых нижних слоях атмосферы вблизи земной поверхности. Период полураспада радона более значителен, вследствие чего сама эманация и продукты ее распада транспортируются ветром на большие расстояния от места выделения. Наблюдения показывают, что нижние слои атмосферы над континентами содержат 1-2 атома радона на 1 см3 воздуха. Концентрация торона обычно в 10000 раз меньше. Атмосферный воздух над океаном содержит радона в 100 раз меньше, чем над сушей. Концентрация радона быстро убывает с высотой. Уже на высоте 1 км его количество в 2 раза, а на высоте 4 км – в 14 раз меньше, чем у земной поверхности. Твердые радиоактивные частицы, содержащиеся в воздухе, захватываются конденсирующимися каплями воды и выпадают на поверхность Земли с атмосферными осадками. После обильных дождей и снегопада радиоактивность воздуха уменьшается. |