Курс лекций Ставрополь, 2015 содержание стр. Введение лекция Введение в радиобиологию. Тема физические основы радиоэкологии лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер
Скачать 2.7 Mb.
|
| Тема 3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И РАДИОНУКЛИДОВ Все живые существа на Земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения от естественных и искусственных источников ионизирующего излучения. Радионуклиды естественного и искусственного происхождения широко распространены в природе; они рассеяны в земной коре, воде, воздухе, растениях и теле животных. При этом между ними нет принципиальных различий, так как их свойства не зависят от способа образования. Лекция 6: Естественные источники ионизирующих излучений и радионуклидов.
К радионуклидам естественного (или природного) происхождения относят те, которые образовались на Земле без участия в этом человека. Различают две группы естественных источников радиации: космогенные источники и первичные радионуклиды земной коры. Первичные радионуклиды содержатся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т.д. Ионизирующие излучения, исходящие от природных источников, называют природным радиационным фоном. 1. Космогенные источники. Космическое излучение условно можно разделить на две части: а) первичное космическое излучение – заряженные частицы высокой энергии, приходящие из межзвездного пространства и из солнечной галактики, а также коротковолновое электромагнитное излучение; б) вторичное космическое излучение – ионизирующее излучение, образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами воздуха. Наиболее распространенными продуктами космогенной активации являются: 3Н, 7,10Ве, 14С, 22Nа, 32Si, 32,33P, 35S, 36,39Cl. в) радиоактивные изотопы, попадающие на поверхность Земли и в ее атмосферу из космического пространства вместе с космической пылью и метеоритными частицами [Симак С.В. и др., 1998]. Первичное космическое излучение: Галактическое излучение образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит по большей части из заряженных частиц – это протоны высоких энергий (79%–87%), атомные ядра (от водорода и гелия до более тяжелых ядер лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др.) и позитроны. Небольшой процент составляют электроны и гамма-лучи. Большинство заряженных частиц обладает очень высокой энергией – в интервале 3 – 15 ГэВ, а некоторые 1017 – 1018 эВ. Такие большие энергии первичные космические частицы приобретают в результате ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях облаков космической пыли межзвездного пространства и в расширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд [Белов А.Д. и др., 1999]. Солнечный ветер. Солнце выбрасывает большое количество заряженных частиц, из которых образуется бесконечный поток, который направляется к самым окраинным зонам Солнечной системы. Такие потоки частиц получили название «Солнечный ветер». Рядом с Землей у солнечного ветра скорость составляет приблизительно 400 км/с, а плотность – 10 частиц на 1 см3 (в миллиард миллиардов раз ниже, чем плотность земной атмосферы). Солнечный ветер состоит главным образом из электромагнитного излучения (вплоть до рентгеновского диапазона), протонов и электронов, но в нем присутствуют также ядра гелия и других элементов [Рандзини Д., 2004]. Однако лишь немногие частицы достигают поверхности Земли, т.к. они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. Поэтому основную массу космических лучей, достигающих поверхности Земли, составляет вторичное космическое излучение [Белов А.Д. и др., 1999]. Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. Основную массу их составляют μ±-мооны (тяжелый аналог электрона m=200me), π±-мезоны (70%), электроны и позитроны (26%), первичные протоны (0,05%), гамма-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны. На пути к земной поверхности поглощается и это вторичное излучение. До Земли оно почти не доходит. При бомбардировке верхних слоев атмосферы (примерно на высоте 15 – 20 км от поверхности Земли) космическими излучениями различной природы образуются атомы других элементов, порой радиоактивных [Белов А.Д. и др., 1999]. Таким путем образуются тяжелый изотоп водорода – тритий и радиоактивный углерод-14. Распадаясь, эти изотопы испускают β-частицы, причем период полураспада у трития 12,3 года, а у радиоуглерода – 5730 лет. В воздушном пространстве оба радиоизотопа возникают и распадаются непрерывно, так что в природе всегда имеется некоторый определенный «запас» трития и радиоуглерода. Равномерно перемешиваясь с обычным углеродом и водородом, тритий и радиоуглерод попадают в воду, их потребляют растения и животные. Таким образом, все живые существа содержат немного радиоактивных изотопов, образованных космическим излучением [Люцко А.М. и др., 1996]. Продукция таких изотопов максимальна в верхних слоях атмосферы в высоких широтах, т.е. там, где существует наибольший поток частиц космических лучей. Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов: – интенсивности потока галактического излучения; – активности солнца; – географической широты; – высоты над уровнем моря [Белоус Д.А., 2004]. Полярное сияние. Свечение полярного сияния происходит из-за исторгнутых Солнцем заряженных частиц: электронов, протонов, альфа-частиц, которые взаимодействуют с земным магнитным полем и между собой. Частицы, устремляющиеся к Земле, отклоняются ее магнитным полем и ионизируют атомы атмосферы. Очень высокая энергия заряженных частиц приводит к тому, что при их столкновении с нейтральными атомами атмосферы из них выбиваются один и больше электронов. При соединении ионов кислорода с электронами у полярного сияния появляется зеленоватая окраска; когда замена электронов происходит в молекуле азота, оно бывает красным. Полярные сияния происходят на высоте не менее 100 или выше 400 км и наблюдать их можно главным образом в высоких широтах, то есть, в полярных областях. Причина этого в том, что именно туда частицы отклоняются земным магнитным полем. Во время полярного сияния в ионосфере (слой атмосферы на высоте 50-500 км) происходят различные явления: пульсация магнитного поля Земли, выбросы рентгеновских лучей и образование электрических потоков. Более того, энергия, выделяемая полярным сиянием в невидимой части области электромагнитного спектра, значительно больше, чем в его видимой части. Космический фон практически постоянен и зависит лишь от высоты местности (табл. 6.1.). В нижней атмосфере интенсивность космического излучения с высотой удваивается примерно каждые 1,5 км. [Люцко А.М. и др., 1996]. По мере увеличения высоты увеличивается интенсивность космического излучения. Так, на уровне моря средняя поглощенная доза этого излучения составляет 320 мкГр/год (0,03-0,04 Р/ч или 1,15*10-11 Гр/с), на высоте 2 км – в 3-4 раза, а на высоте 3 км – в 5-6 раз выше [Симак С.В. и др., 1998]. Таблица 6.1. Зависимость космического фона от высоты над уровнем моря
Таким образом, жители высокогорья, чабаны, пасущие скот, облучаются сильнее, чем жители равнин и морских побережий. Еще сильнее космические лучи действуют на пассажиров самолета, поднимающегося на высоту 10-12 км (облучение из космоса превышает естественный уровень более чем в сто раз). Правда в полете человек проводит немного времени, и общая полученная им доза незначительна. Большую опасность космическое излучение представляет для экипажей воздушных судов, и особенно для космонавтов, так как последние лишены защиты воздушно оболочки, а через тонкие стенки аппарата-спутника частицы высокой энергии проникают без труда [Люцко А.М. и др., 1996]. 2. Природные радиоактивные вещества. Их условно можно разделить на три группы. В первую группу входят нуклиды радиоактивных семейств (рядов) 235U, 238U и 232Th с продуктами их распада. Ко второй группе относятся радиоизотопы , находящиеся в земной коре и объектах внешней среды с момента образования Земли: 40К, 87Rb, 48Са, 96Zn, 130Te, 129I и др. К третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы 14C, 3H, 7Be, 10Be, образующиеся непрерывно под действием космического излучения [Радиобиология/ А.Д. Белов и др., 1999]. В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро ит.д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоночальника – уран-235, уран-238 и торий 232, и, соответственно, три радиоактивных ряда – два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца. Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие («вековое равновесие») – скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования [Белоус Д.А., 2004]. Существуют радионуклиды, которые вошли в состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым и ториевому рядам. В природе концентрация естественных радионуклидов варьирует в широких пределах. Больше всего в окружающей среде 87Rb и 40К. Радиоактивность 40К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов за счет жесткого бета- и гамма-излучений. Радиоактивный калий составляет около 0,012% всего природного калия или 2,5% от всех природных радионуклидов земной коры. Больше всего 40К содержится в ископаемых калийных солях. Радиоактивный калий является основным радионуклидом, создающим природную активность кормов и сельскохозяйственной продукции в большинстве геохимических провинций Земли [Анненков Б.Н. и др., 1991]. Земная кора и почва. Поскольку радионуклиды образуют в природе определенные соединения и в соответствии со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Весьма существенные различия в концентрации радионуклидов отмечаются в почвах разных типов. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаники и известняки за счет процессов сорбции. Чернозем занимает промежуточное место [Симак С.В. и др., 1998; Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991]. Радиоактивные тяжелые элементы (U, Th, Ra) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения разных земных пород у поверхности Земли колеблется в широких пределах – 0,26 – 11,5 мГр/год. Однако имеются районы (например бразильский курорт Гуарапари; штат Керала в Индии – моноцитовые пески; Китай, Гуандон), где вследствие выхода на поверхность Земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона составляет 0,12 – 0,7 Гр/год, что в 100-500 раз выше среднемирового фона [Белов А.Д. и др., 1999]. Природные воды. Естественные радионуклиды обнаруживаются во всех типах природных вод. Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радиоактивных превращений (222Rn и 220Th). Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, климатических факторов, рельефа местности и т.д. Концентрация урана, радия и тория особенно высока в подземных водах. В южных реках с высокой степенью минерализации содержание урана обычно выше, чем в северных реках с относительно низкой минерализацией. Из долгоживущих естественных радионуклидов в природных водах больше всего 40К – до 330 пКи/л (в морской воде). Концентрация радионуклидов в дождевой воде не велика, исключение составляет 3Н и 7Ве, концентрация которых может достигать десятков пКи/л [Анненков Б.Н. и др., 1991; Белов А.Д. и др., 1999]. Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (222Rn и 220Th (торон), 14С, 3Н) или в виде аэрозолей (40К, уран, радий и др.) [Радиобиология/ А.Д. Белов и др., 1999]. Радионуклиды поступают в атмосферу различными путями. Некоторое количество радионуклидов попадает в воздух в результате выветривания земных пород и разложения органических веществ. Определенная доля радиоактивности атмосферы обусловлена наличием в воздухе космогенных радионуклидов. Существенное значение имеет диффузия из почвы в приземные слои атмосферы радона (222Rn) и торона (220Th), являющихся продуктами радиоактивного распада соответственно 226Ra и 224Ra [Анненков Б.Н. и др., 1991]. Радиоактивность атмосферного воздуха варьирует в широких пределах – 7,4*10-4 – 16,3*10-3 Бк/л (2*10-14 – 4,4*10-13 Ки/л) и зависит от местоположения (в атмосферном воздухе над сушей концентрация радионуклидов выше, чем над океаном), содержания радионуклидов в материнских земных породах, времени года, состояния атмосферы и т.д. [Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991]. Во флоре и фауне концентрация естественных радионуклидов обычно не велика, так как большинство из них не являются биогенами и плохо усваиваются растительностью и животными. Исключение составляют 40К, 14С, 3Н, 18О и 22Na, которые усваиваются растениями и животными весьма интенсивно [Анненков Б.Н. и др., 1991; Симак С.В. и др., 1998]. Таким образом, растения и животные подвергаются воздействию внешних источников природного радиационного фона – космическая радиация и излучения естественных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, а также внутренних источников природной радиации, содержащихся в самом организме и поступающих в него с пищей, водой и воздухом. Природный радиационный фон является одним из экологических факторов, для всех живых организмов Земли. Действие его непрерывно и отличается широкой вариабельностью. В ходе многих экспериментов было доказано, что наличие природного радиационного фона необходимо для нормального роста и развития всего живого на Земле. Кроме того, природный радиационный фон является одним из поставщиков материала для естественного отбора (мутации) и одним из факторов видообразования. Естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. Это связано с тем, что с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше. Природные радионуклиды имеют способность избирательно накапливаться в определенных видах растений, животных , рыб. Это приводит к более высокому содержанию какого-либо из радионуклидов в определенном продукте питания по сравнению с другими. В результате жители, потребляющие в соответствии с традициями национальной кухни данный продукт в больших количествах, получают и большие дозы внутреннего облучения. Это превышение может достигать десятков раз по отношению к среднестатистическому, но это естественно. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т.д. |
Похожие:
 | Изучением курса “Введение в специальность” студенты начинают постижение самой, пожалуй, молодой, и в то же время сложной профессии... |  | Лекция №6. Организация и проведение соревнований по легкой атлетике |
| Тема Теория социальной работы как учебная дисциплина; научные основы социальной работы | | Лекция Физическая культура в общекультурной и профессиональной подготовке студента |
| «Черный» pr – неотъемлемая технология любой предвыборной кампании (8 стр) | | Лекция Тема: Современные трактовки предметной области политической философии (4 час.) |
| Лекция Здоровье и здоровый образ жизни. Факторы, способствующие укреплению здоровья | | Лекция Национальная политика советского государства: теория и практика вопроса |
| Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой | | Лекция Инкаминг. Характеристика современного туррынка. Особенности истории развития въездного туризма |