Семейства радиоактивных элементов

В земной коре естественно радиоактивные элементы содержаться преимущественно в урановых рудах, и почти все они являются изотопами тяжёлых элементов с атомным номером более 83. Такие ядра неустойчивы и претерпевают в ряде случаев многократные последовательные ядерные превращения. В результате возникает цепочка радиоактивных распадов, в которой изотопы оказываются генетически связанными между собой. Такая цепочка- совокупность всех изотопов ряда элементов, возникающих в результате последовательных радиоактивных превращений из одного материнского элемента, называется радиоактивным семейством или рядом (см. рис. 18). Семейства названы по первым элементам, с которых начинаются превращения.

.

Рис. 18. Радиоактивное семейство тория-232 и периоды полураспада изотопов.

 

Сейчас известно три естественно радиоактивных семейства:

· урана-радия (- Ra0). Исходный элемент семейства урана в результате 14 последовательных радиоактивных превращений (восьми альфа – и шести бета – превращений) переходит в устойчивый изотоп свинца. Так как это семейство включает важный радиоактивный элемент – радий, а также продукты его распада, то оно часто обозначается как семейство урана-радия (см. табл. 5)..

· тория. Родоначальник семейства тория путём десяти последовательных превращений (шести альфа – и четырёх бета – превращений) переходит в стабильный изотоп свинца.

· актиния. Родоначальник семейства актиния является изотоп урана, который путём одиннадцати превращений (семи альфа- и четырёх бета-превращений) переходит в стабильный изотоп свинца.

Вследствие того, что в радиоактивных семействах число альфа- распадов больше, чем число бета-распадов при последовательных превращений получаются элементы с меньшим рядковым номером.

 

Таблица 5

Семья радионуклидов урана

Название изотопа	Символ	Период полураспада	Тип излучения
Уран I	92U^238	4.498*10^9 лет	a
Уран X1	90Th^234	24.10 дня	b, g
Уран X2	91Pa^234	1.22 мин	b, g
Уран II	92U^234	2,33*10^5 лет	a
Ионий	90Th^230	8,0*10^4 лет	a, g
Радий	88Ra^226	1622 года	a, b, g
Радон	86Rn^222	3,823 дня	a
Радий A	84Po^218	3,05 мин	a, b
Радий B	82Pb^214	26,8 мин	b
Радий C	83Bi^214	19,7 мин	a
Радий C^¢	84Po^214	1,64 сек	a
Радий C^¢¢	81Tl^210	1,32 мин	b, g
Радий D	82Pb^210	22,1 года	b, g
Радий E	83Bi^210	5,02 дня	b
Радий F	84Po^210	138,4 дня	a
Радий G	82Pb^206	Стабильный	–

 

Оценивая влияние космического излучения на радиационный фон Земли, следует иметь виду, собственно, два эффекта. С одной стороны, они представляют собой компоненту естественного радиоактивного фона.
С другой, они являются причиной постоянного образования радиоактивных изотопов из газов атмосферы, дополнительного расщепления тяжёлых ядер в поверхностных слоях Земли.

Радиационные пояса Земли

Вокруг Земли есть области (слои), в которых магнитное поле задерживает огромное количество заряженных частиц и заставляет их двигаться взад и вперед от полюса к полюсу в разных направлениях по замкнутым траекториям. Данные слои называют радиационными поясами, или поясами Ван-Аллена.

Различают два пояса: внешний и внутренний. Внутренний имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте около 3500 км (35–10⁵ м), внешнийслой– электронный – на высоте около 22–10⁶ м.

Два радиационных пояса Ван-Аллена простираются на расстоянии от 1,2 до 8 земных радиусов от экватора. Внутренний пояс расположен между 30° и 60° к северу и югу от экватора. Внешний – сосредоточен в области более низких широт. Предполагается, что основная часть частиц большой энергии во внутреннем радиационном поясе образуется при распаде нейтронов космического излучения. В результате прямых соударений протонов высокой энергии первичного космического излучения с атомами, присутствующими в воздухе, либо в результате ядерных реакций образуются нейтроны. Многие из этих нейтронов могут выйти из атмосферы Земли сразу, если их энергия достаточно велика, или в процессе диффузии, если их энергия сравнительно мала.

Радиационные пояса Земли – источник радиационной опасности при космических полетах.

 

 

ГЛАВА 2.2. АНТРОПОГЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

 

Искусственные источники ИИ

Антропогенные вмешательства в состав естественного радиационного фона:

· искусственная (глобальная) концентрация и перераспределение естественных радионуклидов;

· загрязнение среды экологически новейшими радиоактивными метаболитами ядерно-энергетического происхождения;

· производство и использование искусственных радионуклидов и других источников ИИ в науке, медицине и промышленности.

Деление и синтез ядер

Опыты, выполненные в 1919 г. Резерфордом, показали, что возможна и искусственная радиоактивность. При бомбардировке образца азота a-частицами, которую он проводил в этих опытах, имеет место следующая реакция:

+ ® + (2.1.)

Среди наиболее изученных ядерных реакций этого типа – процессы, приводящие к синтезу новых элементов, называемых трансурановыми. Если, например, бомбардировать уран быстрыми дейтронами, то идет реакция:

+ ® (+) ® + 2 (2.2.)

Продукт реакции, нептуний, обладает b-активностью и распадается с периодом полураспада 2,1 сут. Другой искусственный элемент, плутоний, может быть получен следующим образом:

+ ® + 3 (2.3.)

Если тяжелые элементы бомбардировать подходящими частицами, могут происходить реакции деления ядер, сопровождаемые выделением энергии. Лучше всего известна следующая реакция деления:

+ ® ® + + 3 (2.4.)

В действительности механизм реакции намного сложнее, чемприведенная простая схема, поскольку одновременно образуется большое число (около 200) различных продуктов.

Деление урана существенно по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в среднем на каждый акт деления генерируется от двух до трех нейтронов. Эти нейтроны могут затем использоваться для расщепления других ядер и т.д. Чтобы такая цепная реакция началась, образец должен обладать определенной массой. Если масса слишком мала, то нейтроны будут покидать образец до того, как они успеют индуцировать расщепление другого атома урана. Если масса образца равна или превышает критическую, то достаточное число нейтронов будет индуцировать дальнейшее деление ядер урана до того, как они достигнут поверхности образца.
В этом случае возникает неконтролируемая цепная реакция. Именно такой процесс имеет место при взрыве атомной бомбы. Если в качестве топлива использовать уран-235 для генерации энергии, то скорость цепной реакции можно уменьшить путем введения стержней из бора или кадмия для захвата нейтронов в реакторе. Типичная реакция, которая при этом имеет место, такова:

+ ® + g (2.5)

Недостатком применения урана-235 в качестве ядерного топлива является его низкое природное содержание, около 0,7%. Однако имеются и другие источники ядерного топлива. Известно, что если уран-92 бомбардировать быстрыми нейтронами, идут следующие процессы:

+ ® (2.6)

® + (2.7)

® + (2.8)

Можно сказать, что изотоп урана-238, который сам не способен размножаться, заставляет размножаться плутоний-239.

В результате деления каждого ядра урана-235 или плутония-239 в реакторе-размножителе образуется несколько нейтронов, которые затем захватываются ураном-238 с образованием плутония-239. Таким образом, по мере расходования исходного ядерного сырья (урана-238) количество расщепляющихся материалов может возрастать. Важной характеристикой реактора является время удвоения, т.е. время, необходимое для производства такого же дополнительного количества ядерного топлива (расщепляемых материалов), которое было первоначально загружено в реактор. Обычно для образования ощутимого дополнительного количества ядерного топлива требуется от 7 до 10 лет. Реакторы-размножители, очевидно, гораздо более эффективны по сравнению с обычными реакторами, поскольку к концу времени удвоения в размножителе образуется столько расщепляемых изотопов, что их достаточно и для поддержания работы первого реактора, и для запуска второго.

Один из главных недостатков процесса деления состоит в том, что конечные продукты реакции обладают высокой радиоактивностью и характеризуются длительными периодами полураспада. Это делает ядерный реактор уязвимым для всякого рода аварий и диверсий, которые могут нанести ущерб его биологическому окружению, что при слиянии двух ядер легких элементов выделяется большое количество энергии

Во многих процессах ядерного синтеза первичным горючим служит дейтерий, запасы которого практически неисчерпаемы. Процессы ядерного синтеза постоянно происходят на Солнце и других звездах.

Хотя продуктом первой из приведенных выше реакций является радиоактивный элемент тритий, этот изотоп затем расходуется в других процессах ядерного синтеза. Хотя условия протекания каждой из этих реакций, естественно, различны, все они начинаются при очень высоких температурах (несколько сот миллионов градусов). Один из способов достижения такой температуры заключается в том, что процесс начинают с реакций деления. В этом состоит механизм, используемый для инициирования взрыва водородной бомбы. Практические проблемы, возникающие на пути создания и регулирования необходимой температуры для проведения процессов синтеза ядер в реакторе, чрезвычайно трудны. К настоящему времени прошли успешные испытания лишь несколько экспериментальных установок такого назначения. Учитывая громадное количество освобождаемой энергии, отсутствие радиоактивных конечных продуктов и практически неисчерпаемые запасы сырья, процессы ядерного синтеза следует рассматривать как один из весьма перспективных и долговременных источников энергии.

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза (слияние ядер лёгких элементов – дейтерия и трития и образование более тяжёлого ядра- гелия, происходящие при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведённой радиоактивности), в частности трития, бериллия, углерода-14.

Радиоактивные изотопы можно получить с использованием в качестве бомбардирующих ядерных частиц- протонов, дейтронов, нейтронов, а также g-квантов. Сущность состоит в том, что ядра-мишени стабильных атомов, подвергаясь бомбардировке элементарными частицами, захватывают их и получают дополнительную энергию (кинетическую энергию частиц-снарядов); в результате образуется составное ядро с избытком энергии. Переход ядра из возбуждённого состояния в стабильное осуществляется путём излучения избыточной энергии в виде альфа- и бета-частиц и гамма-квантов, т.е. происходит процесс радиоактивного распада. При использовании в качестве частиц-снарядов протонов, дейтронов и альфа- частиц ядерная реакция идёт с большим трудом, так как все они обладают положительным зарядом и отталкиваются от ядра в результате действия кулоновских сил. Чтобы данные частицы проникли в ядро, они должны иметь очень большую кинетическую энергию. В связи с этим были созданы приборы для разгона частиц в сильном электрическом поле. Такие приборы получили общие название ускорителей (линейные ускорители, циклотроны, фазотроны).

Особенно удачной бомбардирующей частицей оказались свободные нейтроны. Обладая достаточной массой и не имея заряда, они не отталкиваются ядром, беспрепятственно взаимодействуют с ним, преобразуя ядро- мишень стабильного элемента в радиоактивный изотоп. При бомбардировке ядра стабильного элемента всеми указанными выше частицами происходит или превращение одного элемента в другой (трансмутация), или же образуется изотоп исходного элемента.

Создание ускорителей, а также использование нейтронов в ядерных реакторах расширили возможности получения искусственных изотопов, которые нашли применение в биологии, медицине, ветеринарии, а также в других отраслях науки и практики.

Строительные материалы

Материалы, применяемые в строительстве, могут содержать радиоактивные вещества. Значительную дозу облучения человек получает с вдыхаемым воздухом, находясь, длительное время в непроветриваемых помещениях. Наиболее высокий вклад в дозу вносит невидимый, не имеющий вкуса и запаха газ радон.

Среди изотопов радона известны ²²²Rn с периодом полураспада 3,823 дня, ²²⁰Rn с периодом полураспада 54,5 с, ²¹⁹Rn с периодом полураспада 3,92 с. Наиболее опасным из них является радон-222, альфа-излучатель.

Просачиваясь через фундамент и пол из грунта или высвобождаясь из материалов, использованных при строительстве дома, радон скапливается в закрытых непроветриваемых помещениях (подвалах, ванных комнатах, кухнях).

Самые распространенные строительные материалы содержат немного радона. Это дерево, кирпич и бетон. Гораздо больше его в пемзе, граните, шлаке (побочном продукте, получаемом при переработке фосфорных руд), сухой штукатурке, строительных блоках, изготовленных из фосфогипса. Много радона содержит кирпич из красной глины, полученной из отходов производства алюминия, доменные шлаки – отходы черной металлургии, зольная пыль, образующаяся при сжигании каменного угля.

Радон проникает в кухонные помещения вместе с природным газом. Снижение содержания радона в природном газе происходит при его переработке на газонаполнительных станциях и в процессе хранения. Чем длиннее путь от станции до потребителя, тем меньше радона в природном газе. Снизить накопление радона в кухне можно с помощью местной вытяжной вентиляции.

Радон, выделяющийся из почвы, воды, строительных материалов, рассеивается в воздухе. Продукты распада, т.е. дочерние продукты радона (обычно в виде положительных ионов), присоединяются к капелькам воды или молекулам кислорода и других газов, а затем адсорбируются на аэрозольных частицах, содержащихся в воздухе. Вдыхаемые аэрозольные частицы осаждаются в дыхательных путях. Содержание радона в легких на 20–40% выше, чем в других тканях. На отложение и дальнейшую судьбу радиоактивных веществ, также на поглощенные дозы, кроме физических характеристик самих радиоактивных аэрозолей, влияют: способ (дыхание через нос или рот), частота, глубина дыхания; перенос и удаление осевших радиоактивных веществ; анатомические параметры различных частей дыхательной системы.

Другой радиоизотоп радона ²²⁰Rn – торон (дочерний продукт тория) также влияет на естественный радиационный фон Земли. Однако его концентрация в природе незначительна по сравнению с концентрацией дочерних продуктов радона. В случае плохой вентиляции уровень радона и торона в жилых зданиях, административных корпусах, цехах фабрик и заводов увеличивается до 740 Бк/м³. Человек, который находится в таком помещении, подвергается облучению в большей степени, чем находясь вне его.

Из верхних слоев земной поверхности радиоактивные газы, возникающие при распаде дочерних продуктов урана (радон-222), тория (торон, или радон-220) поступают в атмосферный воздух. (Период полураспада радона 3,8 сут, торона – 54 с). Скорость поступления этих газов в атмосферный воздух зависит от ряда причин: диффузии почвенных газов в сторону убывающей концентрации; конвекционных потоков воздушных масс, возникающих в результате нагревания земной поверхности; изменения барометрического давления; глубины промерзания почвы; толщины снегового покрова; высоты над землей и т.д.

Наибольшие концентрации радиоактивных газов обнаруживаются в приземном слое. При падении атмосферного давления эмиссия газов увеличивается, снижается почти до нуля во время таяния снегов и образования льда. Отмечаются также сезонные колебания содержания радона с минимумом зимой и максимумом летом.

ГЛАВА 2.3. ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ
ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

Общие закономерности

Радиоактивные продукты ядерного деления, выпадая либо сами по себе или чаще с атмосферными осадками, а также радиоактивные отходы включаются в компоненты биосферы – биотические (флора, фауна) и абиотические (почва, вода) и принимают участие в биологическом цикле круговорота веществ (см. рис.19).

Наиболее короткий путь – через сельскохозяйственные растения и животных. Продукты деления могут попадать в организм человека как непосредственно через растительную пищу, так и через животных, питающихся растениями, содержащие радиоактивные вещества.

 

Рис.19. Миграция радиоактивных элементов.

 

Из радиоактивных продуктов деления наибольшую опасность для человека представляют ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs из-за их относительно высокой энергии излучения и большого периода полураспада и исключительной способности включаться в биологический круговорот веществ (почва ® растения ® животные ® человек), а также надолго задерживаться в организме человека и животных. При исследовании закономерностей передвижения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs от одного объекта биосферы к другому было замечено, что первый ведёт себя сходно с кальцием, а второй- с калием. Поэтому, при равных условиях в объектах биосферы, загрязнённых радионуклидами, максимальная концентрация ⁹⁰Sr всегда обнаруживается в органах богатых кальцием, а максимальная концентрация цезия- 137 – в объектах богатых калием.

Следует отметить, что многие вопросы закономерностей перехода радионуклидов в звеньях биологических цепей остаются слабо изученными.