ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 121
Скачиваний: 0
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.