Файл: Перцов Л.А. Ионизирующие излучения биосферы.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 121

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

в

круговорот веществ, протекающий

на поверхности Зем­

ли

[1] .

 

 

Высвобождаясь из коренных пород,

естественные радионук­

лиды в растворенном, газообразном или ином состоянии посту­

пают

в водные

бассейны,

в нижние

слои

атмосферы,

участвуют

в- образовании

почвенного

покрова

и усваиваются

растениями

или

животными. Соответствующая

часть

радиоактивных ве­

ществ, попавших в водную среду, постепенно оседает на дно во­ доемов, участвуя в формировании осадочных пород.

Газообразные радионуклиды поступают в атмосферу, откуда их дочерние продукты возвращаются на земную поверхность преимущественно в составе дождевых (снежных) осадков.

При определенных обстоятельствах осадочные породы, в свою очередь, оказываются источниками естественных радионуклидов, вновь включающихся в сферу биогенеза. В истории Земли неод­ нократно имели место процессы обширной перестройки ее по­ верхности, при которых в результате тектонических сдвигов массивные толщи осадочных пород поднимались со дна океанов и вновь оказывались в сфере разрушительных деструктивных процессов.

В табл. 5 приводятся средние данные, характеризующие со­ временный уровень равновесной концентрации одного из веду­

щих

 

радиоактивных элементов

биосферы — радия

и

продукта

его распада — радона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 5

Радиоактивность отдельных компонентов

биосферы по радию [2,

3]

 

 

 

 

Субстрат

 

Содержание,

 

Субстрат

Содержание,

 

 

 

кюри/кг

(л)

 

кюри/кг

(л)

 

 

 

 

 

 

Горные

кислые породы

Ю - 9

 

Воздух

почвенный

1 0 - ю

(радон)

Горные

основные

поро­

1 0 - ю

Воздух приземного слоя

10—і3

(радон)

ды

 

 

 

Воздух

атмосферный

Ю - 1

6

(радон)

Горные

осадочные

по­

1 0 - 9

 

над океаном

 

 

 

роды

 

 

 

Растения

 

Ю - 1 2

Почва

 

 

 

1 0 - 9 Ч - 1 0 - Ю

Животные

 

1 0 - 1 3

Вода

океанов и морей

 

 

 

 

 

Вода

рек

 

10-12-5-

10—1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 0 - 1 2 - И

0~14

 

 

 

 

 

Особая роль в круговороте радиоактивных веществ в био­ сфере принадлежит живым организмам.

Содержание химических элементов в живом веществе в ос­ новном пропорционально концентрации их в среде обитания. Однако в это соотношение природой вносятся две существенные

поправки, значение которых определяется степенью

усвояемо­

сти соединения, в котором

находится радиоактивное

вещество,

и потребностью организма

в этом веществе.

 


Поэтому первая поправка зависит от коэффициента раство­ римости соединения, в котором находится радионуклид.

Вторая поправка определяется величиной оптимальных кон­ центраций.

Под оптимальными концентрациями А. П. Виноградов [3] подразумевает такие количества химических веществ, которые, поступая в организм, оказывают наиболее благоприятное дей­ ствие на его рост, развитие или другие жизненные функции. В силу этих обстоятельств отдельные виды живых организмов способны на основе физиологической потребности концентриро­ вать в своих тканях порой заметное количество химических ве­ ществ, содержащих радионуклиды. На этой основе различают два вида концентрации радионуклидов организмами: 1) мас­ совое повышение радиоактивности во всех организмах данной области, связанное с высоким содержанием радиоактивных эле­ ментов в среде обитания и большой доступностью их к усвоению растениями и животными; 2) специфическая концентрация того или иного радионуклида данным видом, чаще данным родом ор­ ганизмов, вне зависимости от геохимических условий среды.

В. И. Вернадский утверждал, что живые организмы матери­ ально и энергетически тесно связаны с биосферой и поэтому представляют собой огромную геологическую силу. Рассматри­ вая структуру биосферы, он выделял специальные геологические

формации, возникшие в процессе деятельности

живых

существ.

В этих целях все вещество биосферы он делил

на семь

частей:

1. Живое вещество, совокупность живых организмов, рассе­ янных в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождаю­ щихся, обладающих колоссальной энергией.

2.Вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми орга­ низмами, — биогенное вещество (каменный уголь, нефть, битум, известняки).

3.Вещество, в образовании которого организмы не прини­ мали участия, — косное вещество (твердое, жидкое или газооб­ разное).

4.Биокосное вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и косными процессами.

5. Вещество, образующееся при радиоактивном распаде

ипроникающее во все компоненты биосферы.

6.Рассеянное вещество, непрерывно возникающее из всякого рода земных веществ под действием космических лучей или других факторов и в виде рассеянных атомов, присутствующих во всех других субстратах.

7.Вещества космического происхождения: космические эле­ ментарные частицы, космическая пыль, метеориты и т. д. [4].

Само участие организмов в формировании вещества биосфе­ ры уже способствовало его дальнейшему рассеянию.

В целом

же

поведение

атома, высвободившегося из магмы

И попавшего

в

круговорот

веществ, его миграционные пути оп-


ределяют особенности, присущие ему самому (свойства связи, растворимость, химические характеристики его соединений, энер­ гетические свойства ионов, а также его гравитационные и ядер­ ные особенности), и некоторые внешние условия.

Внешние факторы

являются переменными величинами и мо­

гут сочетаться между

собой в довольно разнообразных комбина­

циях, каждая из которых отвечает той или иной реальной гео­ химической обстановке. К числу таких факторов относятся: кон­ центрация радиоактивного вещества, температура, давление, окислительно-восстановительный потенциал среды и т. д.

Эти и другие причины привели к тому, что на современном этапе развития биосферы радионуклиды сделались неотъемлемой частью любой из ее составляющих.

Все естественные радионуклиды, рассеянные в биосфере, по генетическим и другим общим признакам можно объединить

втри большие группы.

Впервую группу входят радиоизотопы элементов из средней части периодической системы Д. И. Менделеева. Как правило, эти радиоизотопы характеризуются исключительно малой ско­ ростью распада и своим возникновением, по-видимому, обязаны тем первичным процессам, которые имели место в период обра­ зования планеты. В состав этой группы входят и изотопы редко­ земельных элементов. В связи с тем, что средняя продолжитель­ ность жизни этих радиоизотопов очень большая, они сохранились до наших дней.

Некоторое представление об основных изотопах, формирую­ щих эту группу, можно получить из табл. 6.

Вторую группу образуют элементы, входящие в так назы­ ваемые радиоактивные семейства. Родоначальники этих семейств

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

6

Удельная активность основных радиоизотопов первой группы

 

 

 

 

 

 

Активность

Масса

Масса

 

 

 

Активность

изотопа

 

 

 

1 г*

элемента

Изотоп

 

1 г изотопа,

активностью

 

элемента,

активностью

 

 

кюри

1 кюри,

 

 

кюри

1 кюри,

т

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

4 0 К

I,31-10»

6.8- 10 - »

8-10-1»

0,15

1250

 

*8Са

> 2 . 1 0 i e

4.0-

Ю - і з

7 , 0 . 1 0 - 1»

2,5.10е

1.4- 10»

 

8 7 Rb

6,15-Юі»

6.6-

ю — 8

1,83-10—8

14,9

54

 

»«Zr

6,0 . 10i e

6 , 0 . 1 0 - «

1 , 7 . 1 0 - "

1,6-107

5,7.10е

 

Іібіп

>6-10i*

5 . 1 - 10-12

4 , 8 . 1 0 - і 2

1,9-10*

2,2-10-6

lSO-T/g

l , 4 - 1 0 2 i

1.9- 10 - *

6,4 - 10 - 1 5

5 , 5 - 1 0 - з

1.5- 108

 

 

>7 . 10i °

3.7-

1 0 - 8

3,2-10-11

27

3-101

 

u 2 C e

5,1-10"

5 - Ю - "

4-10-1*

2,0-10в

2,5-10'

 

«*Nd

5-1015

5. Ю - "

1 , 2 - Ю - і з

2,0-106

8,3.10»

 

 

5-101»

5-10-13

1 , 2 - Ю - і з

2 - Ю 6

8,3.10»

 

i*'Sm

6,7-1011

з - i o - i *

4-10-15

3,3-10?

2,5.10»

 

" 6 L u

2,4.101"

8 , 5 . 1 0 - i 3

2-10-1*

1,2-10'

5,0.108

* Естественная смесь изотопов.


2 3 2 Th, 2 3 5 U и 2 3 8 U также обладают весьма большим периодом полураспада. Их дочерние элементы, за некоторым исключением, имеют сравнительно короткие периоды полураспада. В неко­ торых геохимических условиях, препятствующих миграции до­ черних продуктов распада из мест их образования, между об­ щим количеством атомов дочернего и материнского вещества

устанавливается

радиоактивное

равновесие.

 

Строго говоря, полное равновесие не может быть никогда

достигнуто, однако

уже через

t=\Q-T\/2

(Т\/2 — период

полу­

распада дочернего

элемента) отступление от равновесия

весьма

незначительно

(~0,1%) . Дл я

любого

дочернего продукта из

радиоактивных семейств справедливо правило: радиоактивное вещество практически полностью распадается через десять пе­ риодов полураспада. Вот почему дочерние изотопы, обла­

дающие коротким

периодом

полураспада, лишены

способно­

сти мигрировать на

большие

расстояния от места

их образо­

вания.

 

 

 

Третья группа формируется радиоактивными изотопами, воз­ никающими в биосфере из стабильных элементов, под влиянием космических частиц высоких энергий. Основными представите­ лями этой группы являются 3 Н и 1 4 С .

§ 2. Р А Д И О И З О Т О П Ы ЭЛЕМЕНТОВ СРЕДНЕЙ ЧАСТИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

К а л и й . Калий принадлежит к распространенным элементам.

Содержание

его в земной коре равно 2,4%

[5, 6]. В почвах

его

среднее

содержание достигает 1—3,6% [7—9]. Калий вхо­

дит

в состав

всех растительных и животных

организмов и яв­

ляется-типичным биоэлементом [10].

 

 

Природный калий содержит три изотопа: 3 9 К (93,08±0,09%),

4 0 К

и 4 1 К (6,91 ±0,09%) . Радиоактивен только 4 0 К , на долю ко­

торого приходится всего лишь 0,0119+0,0001% всей смеси изо­ топов.

Выделенный из природных солей, пород, из тканей организ­ мов калий всегда имеет постоянное соотношение изотопов [11]. Более того, специальными исследованиями было установлено, что любой организм, усваивая калий, не изменяет его изотопного

состава. 4 0 К может испытывать

превращения

двоякого

рода.

В 88% случаев он распадается

с излучением

р-частиц

(макси­

мальная энергия

1,4 Мэв)

и превращается при этом в стабиль­

ный изотоп 4 0 Са.

В 12%

случаев происходит

/(-захват

элект­

рона

с ближайшей орбиты, при этом

образуется инертный газ

4 0 Аг.

/С-захват сопровождается слабым

у-излучением с энергией

1,54 Мэв [12].

В. И. Вернадский, анализируя роль живого вещества в зем­

ной коре, указывал, что оно концентрирует

калий по отношению

к гидросфере в /г-10 ра§, В гидросфере

содержание; калия в


среднем соответствует в литосфере —2,6%, в почве—1,36%, в живом веществе — 0,3% [13].

При выщелачивании горных пород калий вымывается срав­

нительно легко, однако благодаря

хорошо

выраженной

способ-

>•

ности

адсорбироваться

кол­

 

лоидными

силикатами

и по­

 

глощаться

живым

вещест­

 

вом он не является устой­

 

чивым

компонентом

природ­

 

ных вод [14].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

результате

изучения

 

 

 

 

 

 

закономерностей

распрост­

 

 

 

 

 

 

ранения

щелочных

элемен­

 

 

 

 

 

 

тов

в различных

составляю­

 

 

 

 

 

 

щих

биосферы

 

было

най­

 

 

 

 

 

 

дено,

что

в водной

среде

 

 

 

 

 

 

калий,

рубидий,

цезий,

так

 

 

 

 

 

 

же

как

и

литий,

благодаря

 

 

 

 

 

 

адсорбции

удерживаются

 

 

 

 

 

 

преимущественно

на

глини­

 

 

 

 

 

 

стых

частицах

[15].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно,

этим

объяс­

 

 

 

 

 

 

няется и то, что если содер­

 

 

 

 

 

 

жание калия в морской во­

 

 

 

 

 

 

де в среднем равно 0,038%,

 

 

 

 

 

 

то в донных осадках оно

 

 

 

 

 

 

достигает

0,7—3,5%

[16].

 

7

2

3

4

 

Высокие

концентрации

ка­

Коэффициент ослабления

 

лия

(8%)

были

обнаруже­

 

 

 

 

 

 

ны

 

в

 

фораминиферовых

Рис. 3. Зависимость

коэффициента

ос­

донных

осадках,

тогда

как

лабления

" У " и з л У ч е н и я

°т

расстояния

до

в

известняках

их

концен­

калиевого

источника.

 

 

 

трации

обычно

меньше

1%

 

 

 

 

 

 

[17].

 

 

 

 

 

 

 

Весьма высокие концентрации калия определяются в гидро­

химических

осадках

(калийные соли), в нефтяных

рассолах

и в

пластических слюдах. В глинах и слюдах содержится до 6,5% калия, что в соответствующих условиях может создавать замет­ ный вклад в суммарную дозу у-излучения над грунтом. Спе­ циальными исследованиями было установлено, что над поверх­ ностью пластов калийных солей мощность дозы у-излучения может достигать 50 мкріч и более и зависит от расстояния до калиевого источника, как и коэффициент ослабления (рис. 3).

В зависимости от степени растворимости солей калия, содер­ жащихся в почве, различают калий обменный, или подвижный, и необменный. Обширными исследованиями установлено, что чем больше обменного калия содержится в почвах, тем интен­ сивнее он поглощается растениями [18J.