Материал: радиохимия курс лекций

1.2.1. Характеристика естественных радиоактивных элементов и изотопов

Уран. Открыт Клапротом в 1789 г. Особое значение приобрел после открытия Ганом и Штрассманом деления его ядер (U²³⁵) под действием нейтронов.

Природный уран состоит из 3-х изотопов: U-238, на его долю приходится 99,2739%, продукт его распада U-234 – 0,0057% и актиноуран U-235 – 0,7204%. Первый и последний являются родоначальниками радиоактивных семейств. Их периоды полураспада Т_1/2 составляют: U-238 – 4,510⁹ лет, U-235 – 7,110⁸ лет.

Уран довольно широко распространен в природе (38 место по распространенности). Среднее содержание в земной коре 2,510^-4% (масс). Основная масса урана находится в изверженных горных породах, почва содержит 1,2·10^-8–9,3·10^-6%. Лишь ничтожная часть урана сосредоточена в рудах.

Уран в свежем срезе – блестящий метал, напоминающий по внешнему виду сталь. Менделеев поместил его в Периодической системе в 6 группу. В природе существует в 2-х степенях окисления +4 и +6. Уран – активный химический элемент, он реагирует практически со всеми химическими элементами кроме инертных газов. На воздухе покрывается окисной пленкой.

Глобальные техногенные потоки U²³⁸ в биосфере в 1982 г. составляли: при функционировании топливных циклов на ядерном и органическом топливе – 1,510¹⁴Бк, за счет использования фосфорных удобрений – 110¹⁴Бк. Запас U²³⁸ в пахатном слое земледельческих площадей – 1,410¹⁷Бк, в пресных материковых водах – 710¹⁷Бк.

Методы определения в биологических объектах: 1. Спектрофотометрический; 2. Нейтронно-активационный анализ по U²³⁹ после облучения надтеп-ловыми нейтронами.

Торий открыт Берцелиусом в 1828 г. и назван именем скандинавского бога войны Тора. Радиоактивность Th была обнаружена в 1898 г. М. Кюри и независимо от нее Шмидтом. Торий сравнительно широко распространен в природе (содержится в земельной коре 13 г/т) – 810^-4% (масс), в основном в виде долгоживущего изотопа ²³²Th. В семействе ²³²Tu обнаружен ²²⁸ Th, в семействах U²³⁸ и U²³⁵ найдены изотопы ²³⁴ Th, ²³¹ Th, ²³⁰ Th, ²²⁷ Th. Т_1/2 ²³²Th = 1,410¹⁰лет.

Th – рассеянный элемент и известно сравнительно небольшое число его руд, главной из которых является монацитовый песок. В своих соединениях Th имеет максимальную степень окисления +4. Он химически активный Ме.

Торий – металл серебристо-белого цвета, по механическим свойствам напоминает мягкую сталь, легко поддается механической обработке.

Определение – аналогично U.

Только радионуклиды рядов и реально вносят вклад в облучение человека. Они поступают к человеку с пищей и при вдыхании. Концентрация их активности в основных продуктах питания показана в табл.1.2. Выкуривание 10 сигарет в день удваивает поступление .

Таблица 1.2 – Концентрация радионуклидов рядов урана в основных продуктах питания и воздухе

Продолжение табл.2

Среднегодовые поступления этих нуклидов в организм человека и создаваемые их облучением дозы представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Среднегодовые поступления радионуклидов рядов урана в организм человека и создаваемые ими дозы облучения

Поступление (Бк) — это активность, проходящая через организм. Часть ее выводится обратно с калом, мочой, выдыхаемым воздухом, не участвуя в формировании эффективной эквивалентной дозы.

Радий был открыт М.Кюри в 1898 г. Важнейшим представителем радиоактивного ряда U²³⁸ является изотоп ²²⁶Rа Т_1/2=1620 лет. Он содержится во всех рудах. Известно 14 изотопов с массовым числом 213, 218-230. Определение – радиохимический, спектрометрический анализ (по гамма-излучению).

Калий. Состоит из трех изотопов К³⁹,К⁴⁰, К⁴¹. К-40– радиоактивный изотоп с Т_1/2=1,310⁹ лет, , – излучатель. Содержание в природе К – 0,0118%. Методы выделения из природы К-40 не разработаны. Определение К-40 – спектрометрически. К-40 вносит в настоящее время наибольший вклад в радиоактивность земной коры и вод океана. Содержание калия в организме человека составляет 0,18 %. Годовая эффективная эквивалентная доза от в организме равна 165 мкЗв. Основная часть дозы формируется β-излучением.

Все радионуклиды с Т_1/2<10⁸ лет существовавшие ранее в земном веществе к настоящему времени распались. Количество оставшихся радионуклидов значительно уменьшилось со времени образования земного вещества; К⁴⁰ – примерно в 12 раз, U²³⁵ в 30 раз.

Хозяйственная деятельность человека: добыча урановых и ториевых руд, различная их переработка, применение минеральных удобрений (особенно фосфорных), использование угля, а также отходов промышленных предприятий приводят к перераспределению естественных радионуклидов в биосфере.

Радон. Радон является α-излучателем (Е_α = 5,49 МэВ) с периодом полураспада Т _1/2 = 3,824 сут. Представляет собой инертный газ. Облучение радоном играет основную роль в облучении человека естественными радионуклидами.

Радон в дозе 49 Бк/(м³ • ч) поступает из строительных элементов (21 %), земли под зданием (56 %), наружного воздуха (20 %), воды (2 %), при сжигании газа (1 %). Перенос радона в пористом материале происходит вследствие наличия градиента концентрации и давления (обдув здания ветром, отопление). Концентрация радона в помещениях равна 40 Бк/м³, вне их – 10 Бк/м³. Среднегодовая эффективная доза от вдыхания радона и его продуктов составляет 870 мкЗв. Доза от вдыхания торона равна примерно 70 мкЗв. Например, доза, получаемая населением Украины за всю жизнь в результате облучения естественным радоном, в 75 раз превышает общее облучение от всех техногенных источников, включая аварию на Чернобыльской АЭС (4,5 мЗв).

1.2.2. Космогенные радионуклиды. Понятие об ядерных реакциях

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 E_c≤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