Файл: Лекция 1 Естественный радиационный фон Земли Антропогенный радиационный фон Ионизирующее излучение.ppt

Радиационный фон Лекция № 1

Естественный радиационный фон Земли
Антропогенный радиационный фон

Ионизирующее излучение

Радиация (излучение) – энергия, испускаемая каким-либо источником (электромагнитное, тепловое, гравитационное, космическое, ядерное)
Ионизирующее излучение – обладает двумя отличительными свойствами:
- способно проникать через вещество;
- проходя через вещество взаимодействует с атомами и молекулами, что приводит к их возбуждению и ионизации

Естественный радиационный фон Земли

Источники:
1) Терригенные радионуклиды, рассеянные в почве, воде, воздухе, возраст которых совпадает с возрастом планеты:
Калий –40 (40К), уран-238 (238U), торий-232 (232Th), продуктов распада тория и урана, а также радона (219-282 Rn) и радия (226Ra)
2) Космическое излучение первичное (протоны высоких энергий, ядра некоторых легких элементов)
3) Вторичное космическое излучение - короткоживущие радионуклиды, образующиеся в верхних слоях атмосферы при взаимодействии газов стратосферы с потоком ядерных частиц высоких энергий (первичного космогенного излучения): ядра новых легких элементов, а также мюоны, нейтроны, рентгеновское и гамма-излучение
С участием нейтронов вторичного космического излучения в атмосфере образуются радиоактивные ядра C-14, Н-3 и Р-32.

Естественные радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле в настоящее время сохранилось 23 элемента с Т1/2 >107 лет

радионуклид	Содержание в земной коре, т	Т1/2, лет	Тип распада
Уран-238	3*106	4,5*109	α-распад
Торий-232	8*106	1,4*1010	α-распад; γ-распад
Калий-40	3*1016	1,3*109	β-распад; γ-распад
Ванадий-50	4,5*107	5*1014	γ-распад
Рубидий-87	8,4*105	4,7*1010	β-распад
Индий-115	1*107	6*1014	β-распад
Лантан-138	1,6*108	1,1*1011	β-распад; γ-распад
Самарий-147	1,2*106	1,2*1011	α-распад
Лютеций-176	3*108	2,1*1010	β-распад; γ-распад

---

Тяжелые естественные изотопы образуют четыре радиоактивных семейства:

N	семейство	Родоначальник семейства	Т1/2 , лет (1*109=1 млрд)
1	Урана-радия	U-238	Т1/2 = 4.51*109
2	Тория	Th-232	Т1/2 = 14*109
3	Актиния	U-235	Т1/2 = 7.13*108
4	Нептуния	Np-232	Т1/2 = 2.2*106

Родоначальник каждого ряда характеризуется большим периодом полураспада, сопоставимым со временем жизни Земли (4,5-5 млрд.лет) и Солнечной системы.
Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца (Старков, Мигунов, 2003, с 32-35)

Первичные геологические источники радионуклидов фона: верхние слои литосферы

граниты, сланцы, песчаники и др.


почва


Воздействие микрофлоры, воды, воздуха,
Перепадов температур

	Концентрации радионуклидов, Бк/г
	40К	238U	232Th
Граниты	0.999	0.054	0.00081
Сланцы	0.703	0.00044	0.000044
Песчаники	0.57	0.00002	0.00001
Известняки	0.888	0.0028	0.000019
почвы	0.15-0.66	0.009-0.031	0.012-0.048

Естественные радиоактивные изотопы, входящие в семейства и их взаимодействие с биотой

U – уран открыт в 1789 г U-235 открыт в 1935 г

Встречается в среде в минералах (уранитах, кариотитах и др. – всего более 100 минералов). В свободном виде уран в земной коре не встречается.
Природный уран состоит из смеси 3 изотопов: 238U (99,282%), 235U (0,712%) и 234U (0,006%).
238U - Т 1/2=4,47*109 лет;
235U - Т 1/2=7,13*108 лет (В отличие от 238U, в 235U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии);
234U - Т 1/2=2,52*105 лет
Концентрация в слоях земной коры – 1015т (2,4*10-4 %), в морской воде – 1010 т (3,1*10-7%).
Альфа-излучатель (U3O8).

Действие урана на биоту

Суточное поступление урана в организм человека от 1 до 300 мкг. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7 г.
В микроколичествах (10−5 — 10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями.

---

Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезенка, почки, печень, скелет, легкие, бронхо-легочные лимфатические узлы.
Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений.
Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м3, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м3.
При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Торий (227Th, 228Th, 232Th – всего 6 изотопов) открыт в 1828 г

Наиболее долгоживущий изотоп 232Th, Т 1/2=1,389*1010 лет


Все изотопы альфа-излучатели (с энергией около 5 МэВ), пробег в воздухе около 5 см.
Распространен в горных породах (торианите, торите), в основном магматического происхождения
В природных водах содержится особенно мало Th: в пресной воде 2×10-9 %, в морской воде 1×10-9%.
Плохо растворим в воде и кислотах - очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах.
Поступает в организм в незначительных количествах, плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте, выводится из организма с экскрементами.
Поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими железами и надпочечниками. Накопление в костях- до 1,8 Бк/г.
У человека суточное поступление Тh с продуктами питания и водой составляет 3 мкг;
Малотоксичен, однако, как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов

Радий, открыт в начале 20 века, все 4 изотопа радиоактивны

Радий-226 (Т=1602 г),
Образуется при распаде урана-238, в отличие от урана, находится вне кристаллической решетки и легко переходит в воду – обладает большой подвижностью;
Добывается из урановых руд. В 1 т урана в урановых рудах содержится около 0,34 г радия.
Альфа-излучатель;
Продукты распада: Ra-226  Rn (радон) и актиний – Ас
Наибольшее поступление в организм человека - с продуктами питания
Поведение в организме сходно с поведением кальция, наибольшее количество накапливается в костях (0,2 Бк/г, около 80% от поступившего в организм радия), в 30-70 раз меньше в печени и почках, в 1000 раз меньше в мышечной ткани
Большие концентрации радия вызывают остеопороз и злокачественные опухоли.

---

Хлеб белый	0.092
Хлеб черный	0.096
Картофель	0.35
Капуста	0.06
Молоко	0.01
Говядина	0.03
Свинина	0.05
треска	0.15
сельдь	0.12

Содержание Ra-226 в пищевых продуктах, Бк/кг

Радон - инертный газ, образуется при распаде радия

Изотопы Rn-222 (T1/2=3.823 дня), Rn-218 (Т1/2=1,9*10-2 с), торон-220 (Т1/2=54,5 с), актинон-219 (Т1/2=3,92 с)
Все изотопы – альфа-излучатели;
Rn-222 - мощный альфа-излучатель (до 5 МэВ), дочерний продукт – Ро-210
Попадает в окружающую среду из минералов в 7,5 раз тяжелее воздуха - скапливается в подвалах, ложбинах
Вследствие химической инертности не вступает в реакции биологического обмена - не накапливается в живых организмах
В легкие проникает с воздухом, сорбируясь на частицах пыли, на аэрозолях
Формирует облучение эпителия слизистой носоглотки, трахеи, бронхов, альвеол
Максимальная лучевая нагрузка на легкие формируется в географических широтах с холодным климатом – сниженной вентиляцией помещений.


Актиний – Ac: изотопы: актиний-227 (Т=21,8 года), мезоторий-228 (Т=6,13 часа), - альфа- и бета-излучатель
Астат – (At): 4 изотопа – все радиоактивны, альфа- и бета- излучатели, наиболее долгоживущий астат-210 (Т=8,3 часа)
Свинец – Рb: 3 устойчивых изотопа и 4 радиоактивных – бета-излучателя, наиболее долгоживущий - свинец-210 (Т=22 года)

Полоний – Ро: 8 естественных радиоактивных изотопов, все альфа-излучатели, наиболее долгоживущий Ро-209 (Т=102 года) *

Изотопы полония входят в состав естественных радиоактивных рядов:
210Po (Т1/2 = 138,376 суток), 218Po (Т1/2 = 3,10 мин) и 214Po (Т1/2 = 1,643·10−4 с) — в ряд 238U;
216Po (Т1/2 = 0,145 с) и 212Po (Т1/2 = 2,99·10−7 с) — в ряд Th;
215Po (Т1/2 = 1,781·10−3 с) и 211Po(Т1/2 = 0,516 с) — в ряд 235U.
В настоящее время известны 33 изотопа полония в диапазоне массовых чисел от 188 до 220.
Кроме того, известны 10 метастабильных возбужденных состояний изотопов полония.
Полоний всегда присутствует в урановых и ториевых минералах. Равновесное содержание полония в земной коре 2·10−14 % по массе.

Т1/2 для 209Ро в 2007 г скорректировано (на 12 лет больше, чем указанное в периодической таблице)

---

A note on the half-life of 209Po
R. Collé , a, , , Lizbeth Laureano-Pereza and Iisa Outolaa
aIonizing Radiation Division, Physics Laboratory, National Institute of Standards and Technology,1 Gaithersburg, MD 20899-8462, USA
Abstract
The widely adopted value of (102±5) a for the 209Po half-life, which is based on a single determination reported in 1956, appears to be in error by a large factor. Decay data from two separate primary standardizations of a 209Po solution standard, conducted approximately 12 years apart, are inconsistent with the adopted value and its assigned uncertainty. An estimated half-life, larger than the adopted value by about 25%, is more consistent with the standardization data. A longer half-life is also supported by measurements on a recently standardized 210Pb solution standard.
Keywords: Half-life; Polonium-209; Radioactivity


Applied Radiation and Isotopes Volume 65, Issue 6, June 2007: 728-730

Токсичность 210Ро

Полоний-210 при попадании в организм считается одним из самых токсичных веществ
Токсичность обусловлена:.
Высокой удельной активностью (166 ТБк/г) – поэтому в результате попадания на кожу альфа-частицы вызывают сильное лучевое поражение кожи;
полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы.
210Ро опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц, так как его соединения саморазогреваются и переходят в аэрозольное состояние (металлический полоний способен легко образовывать мельчайшие частицы аэрозолей) – результат: внутреннее облучение.
Летальная доза Ро-210 для организма взрослого человека - 0,1–0,3 ГБк (0,6-2 мкг) – при попадании через легкие; 1-3 ГБк (6-18 мкг) - при попадании в организм через пищеварительный тракт. (расчеты с помощью математической модели радиационного травления).
Отравление Ро-210 (Литвиненко, 2006; Цепов-2004)

Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в радиоактивные семейства Всего более 200

изотопы	символ	Т1/2	Тип распада
Калий-40	К	1,3х109 лет	бета
Углерод-14	С	5730 лет	бета
Рубидий-87	Rb	5,8х1010 лет	бета
Самарий-147	Sm	6,7х1011 лет	альфа
Лютеций - 176	Lu	2,4х1010 лет	бета
Рений-187	Re	4х1012 лет	бета

В результате изолированного акта радиоактивного распада образуются стабильные элементы

Радиоактивный калий (40К) – основной радионуклид фона, Т 1/2=1,3*109 лет

Содержание 40К в природной смеси изотопов 39К(93,08%)+40К(0,012%)+41К(6,91%) не зависит от звеньев миграции

---