Александров Ю.А. Основы радиационной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

2.2. Естественные источники ИИ

(Т

физ.

= 3,05 мин), торий А-216 (Т

физ.

= 0,158 с), актиний Ас-215 (Т

физ.

= 1,83 × 10

-3

с), радий-214 (Т

физ.

= 1,55 × 10

-4

с), торий (Т

физ.

= 3 × 10

-7

с),

актиний (Т

физ.

= 5 × 10

-3

с).

Полоний является чистым альфа-излучателем, что позволяет широко

использовать его в лабораторных исследованиях. В смеси с бериллием

он представляет собой лучший источник нейтронов.

С в и н ец ( Р в ). Химический элемент с порядковым номером 82.

Представляет собой синевато-серый мягкий ковкий металл с плот-

ностью 11,34 г/см

и температурой плавления 327,4 °С, химически

стойкий. Свинец имеет 3 устойчивых изотопа: свинец-206 (радий G),

свинец-207 (актиний D), свинец-208 (торий D), и 4 радиоактивных: сви-

нец-210 (радий D, Т = 22 года), свинец-212 (торий В, Т = 10,6 часа), сви-

нец-211 (актиний В, Т = 36,1 мин), свинец-214 (радий В, Т = 26,8 мин).

Устойчивые изотопы свинца с массовыми числами 206, 207 и 208

являются конечными продуктами распада трех естественных радио-

активных рядов. Эти изотопы нерадиоактивны, но всегда присутствуют

в радиоактивных рудах. Отношение количества нерадиоактивного

свинца к содержанию радиоактивных элементов (урана, тория) в горных

породах и рудах позволяет определить абсолютный возраст гео-

логических образований. Остальные четыре изотопа свинца радиоак-

тивны. Все они распадаются путем бета-излучения. Продукты распада

радия D кроме бета-лучей выделяют альфа-лучи, поэтому из свинца-210

получают стандартные источники бета- и альфа-излучения.

Свинец применяют в качестве экранов и фильтров для гамма-

излучения. Применение его для экранирования альфа- и бета-излучения

нецелесообразно, поскольку в свинце всегда содержится некоторое ко-

личество радиоактивных изотопов, особенно радия D. В природе встре-

чаются и другие радиоактивные изотопы свинца (с массовыми числами

200, 201 и 203), но количество их ничтожно.

Содержание свинца в земной коре значительно (1,6  10

-3

%), кон-

центрируется он, главным образом, в сульфидных минералах, имеющих

гидротермальное происхождение.

Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные се-

мейства. Кроме естественных радиоактивных элементов, являющихся

членами трех рассмотренных выше естественных рядов, в природе

имеются изотопы, генетически не связанные между собой, но обладаю-

щие радиоактивностью. Количество таких радиоизотопов превышает

200, период полураспада их колеблется от долей секунды до миллиар-

дов лет.

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Интерес для эколога представляют изотопы с большим периодом

полураспада: калий-40, рубидий-87, самарий-147, углерод-14, лютеций-

176 и рений-187. Радиоактивный распад ядер этих элементов представ-

ляет собой изолированный акт, т.е. после распада образуется устойчи-

вый дочерний изотоп. Как видно из таблицы 4, все перечисленные ядра

подвержены бета-распаду, за исключением самария, который претерпе-

вает альфа-распад.

Таблица 4 – Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в семейства

Изотопы Символ

Атомный

номер

Массовое

число

Период полу-

распада

Тип

распада

Калий-40 K 19 40 1,3 × 10

лет бета

Углерод-14 C 6 14 5 730 лет бета

Рубидий-87 Rb 37 87 5,8 × 10

лет

бета

Самарий-147 Sm 62 147 6,7 × 10

лет альфа

Лютеций-176 Lu 71 176 2,4 × 10

лет бета

Рений-187 Re 75 187 4 × 10

лет бета

Из шести приведенных естественных радионуклидов наибольший

интерес представляет калий-40, ввиду его большой распространенности

в земной коре. Природный калий содержит три изотопа: калий-39, ка-

лий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количе-

ственное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так:

93,08; 0,012; 6,91%.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов ис-

пытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. На один

акт распада калия-40 приходится в среднем 0,893 бета-частиц с энерги-

ей 1311 кэВ и 0,107 гамма-квантов с энергией 1461 кэВ. Остальные 12%

атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом

свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсо-

лютного возраста горных пород и минералов.

Р у б и ди й . Природный рубидий состоит из двух изотопов: руби-

дия-85 и рубидия-87. Радиоактивным является второй изотоп, который

испускает мягкие бета-лучи с максимальной энергией 0,275 МэВ и гам-

ма-лучи с энергией 0,394 МэВ.

Таким образом, наибольшее значение имеет

Rb, второе место по

количеству занимает радиоизотоп

К, но радиоактивность

К в земной

коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных ра-

диоактивных элементов за счет того, что распад

К сопровождается же-

стким бета- и гамма-излучением, а

Rb характеризуется мягким бета-

излучением и имеет длительный период полураспада.

2.2. Естественные источники ИИ

Таблица 5 – Концентрация некоторых радионуклидов и мощности

поглощенных доз в почвах различных типов

Концентрация, пКи/г

Типы почв

238

232

Мощность

поглощенной

дозы, мкрад/ч

Серозем 18 0,85 1,3 7,4

Серо-коричневая 19 0,75 1,1 6,9

Каштановая 15 0,72 1,0 6,0

Чернозем 11 0,58 0,97 5,1

Серая лесная 10 0,48 0,72 4,1

Дерново-подзолистая 8,1 0,41 0,60 3,4

Подзолистая 4,0 0,24 0,33 1,8

Торфянистая 2,4 0,17 0,17 1,1

Среднее 10 0,7 0,7 4,6

Пределы колебаний 3-20 0,3-1,4 0,2-1,3 1,4-9

С а м а р ий . Из семи известных изотопов этого элемента только са-

марий-147 является радиоактивным. Его доля в природном самарии со-

ставляет около 15%. Он испускает альфа-лучи с энергией 2,11 МэВ,

пробег которых в воздухе составляет 11,6 мм.

Лют е ци й . Известно несколько его изотопов, но радиоактивен

только лютеций-176. Подобно калию, он распадается двумя путями: бе-

та-распадом и К-захватом. Максимальная энергия бета-лучей около 0,4

МэВ. Гамма-излучение обладает энергией 0,270 МэВ.

Ре н и й. Радиоактивным является изотоп рений-187, доля которого

в природном рении составляет 63%. Испускает бета-лучи с энергией

0,04 МэВ.

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод.

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди кото-

рых преобладает углерод-12 (98,89%). Остальная часть почти целиком

приходится на изотоп углерод-14 (1,11%).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять ра-

диоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и уг-

лерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (се-

кунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период

полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в со-

временных растениях один атом этого изотопа приходится на 10

атомов

углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодейст-

вии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его

постоянно растет.

Наиболее весомыми из всех естественных источников радиации

является невидимый, не имеющий запаха и вкуса, тяжелый (в 7,5 раза

тяжелее воздуха) газ радон, который вместе с другими дочерними про-

дуктами распада ответственен за 75% годовой индивидуальной эффек-

тивной эквивалентной дозы, получаемой населением от земных источ-

ников радиации и за 50% дозы от всех естественных источников

радиации. Радон в виде

222

Rn и

220

Rn выделяется из земной коры повсе-

местно, но основную дозу человек получает находясь в закрытом, не-

проветриваемом помещении (уровень радиации выше в 8 раз, чем в на-

ружном воздухе) за счет следующих источников: поступление из почвы,

фундамента, перекрытия; высвобождение из строительных материалов

жилых помещений составляет 60 кБк/сут., из наружного воздуха прони-

кает 10 кБк/сут., высвобождается из воды, используемой в бытовых це-

лях – 4 кБк/сут., выделяется из природного газа при его сгорании –

3 кБк/сут.

Больших концентраций радон достигает в помещениях, если дом

стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или если

при его строительстве использованы материалы с повышенной радиоак-

тивностью.

Таблица 6 – Средняя удельная радиоактивность строительных материалов

Вид строительного материала

Удельная радиоак-

тивность, Бк/кг

Дерево

Природный гипс

Песокигравий

Портланд—цемент

Кирпич

Гранит

Зольная пыль

Глинозем

Фосфогипс

Кальций-силикатный шлак

Отходы урановых обогатительных предприятий

Шлак из доменной печи

Известь

Бетон из обычных матер.

Бетон, содержащий глинистые сланцы (Швеция)

1,1

126-840

170

341

496-1367

574

2140

4625

330

20-30

180-200

480

Примечание. В таблице представлены материалы НКДАР ООН, 1982 год.

2.2. Естественные источники ИИ

По сведениям ученых Марийского государственного университета

(Новоселов Г.Н., Леухин А.В., Ситников Г.А., 1997) наиболее высокой

удельной активностью обладал каменноугольный шлак (А

эфф.

= 437 Бк/кг), гранит. Более низкая удельная радиоктивность была у мра-

мора, керамического кирпича (А

эфф.

= 335 Бк/кг), силикатного кирпича

(А

эфф.

= 856 Бк/кг), песка строительного (А

эфф.

= 114 Бк/кг). Для бетона

характерен достаточно большой диапазон вариации удельной радиоак-

тивности.

В качестве других источников земной радиации следует назвать ка-

менный уголь, фосфаты и фосфорные удобрения, водоемы и др.

В целом естественные источники ИИ ответственны примерно за 90%

годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, из этой дозы на

долю земных источников приходится 5/6 частей (в основном за счет

внутреннего облучения), на долю космических источников – 1/6 часть

(в основном путем внешнего облучения).

2.2.2.1. Радиоактивность оболочек Земли

Первые наблюдения радиоактивности почв и горных пород были

проведены в самом начале XX века. Последующие исследования по-

казали, что все объекты географической оболочки обладают опреде-

ленной радиоактивностью. Общее представление о порядке наиболее

часто наблюдаемых величин естественной радиоактивности почв, рас-

тений, земной коры и гидросферы можно видеть в таблице 7.

Таблица 7 – Среднее содержание естественных радионуклидов в разных объектах геогра-

фической оболочки Земли (по А.П. Виноградову, Л.А. Перцову)

Элементы, мас. %

Объекты

Уран Торий Радий

Земная кора

2,5  10

-4

1,3  10

-3

8,3  10

-11

Почва

1  10

-4

6  10

-4

8  10

-11

Морская вода

3  10

-7

7  10

-8

1  10

-14

Пресная вода

2  10

-8

2  10

-9

1  10

-15

Зола растений

5  10

-5

5  10

-5

2  10

-11

2.2.2.2. Радиоактивность горных пород

О распределении радиоактивных элементов в толще земной коры

и литосферы в целом, на глубинах недоступных непосредственному на-

блюдению, можно судить только на основании косвенных фактов и об-

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

щих представлений о строении Земли. В настоящее время наибольшим

признанием пользуется концепция, согласно которой радиоактивность

пород падает с глубиной, но все же остается измеримой до весьма зна-

чительных глубин. Резко выраженное накопление радиоактивных эле-

ментов в гранитном слое континентальной коры, установленное Стрет-

том еще в 1906 году, подтвердилось последующими исследованиями.

Средние значения концентраций радиоактивных элементов в горных

породах приведены в таблице 8, а в таблице 9 дана удельная активность

горных пород в отношении естественных радионуклидов по данным

ВНИИФТРИ (1996). Из этих данных видна основная геохимическая за-

кономерность уменьшения содержания радиоизотопов с увеличением

основности магматических пород. Наибольшее содержание естествен-

ных радионуклидов наблюдается в изверженных породах кислого и ще-

лочного состава, богатых калием. Основными носителями радиоактив-

ных элементов в этих породах являются акцессорные минералы:

Таблица 8 – Распространеность радиоактивных элементов в горных породах,

мас. % (по А.П. Виноградову)

Горные породы

Элементы

метеориты

(хондриты)

дуниты базальты

граниты

осадочные

породы: гли-

ны, сланцы

глубоко-

водные илы

Уран

1,5  10

-6

3  10

-7

5  10

-5

3,5  10

-4

2,5  10

-4

1,3  10

-4

Торий

4  10

-6

5  10

-7

3  10

-4

1,810

-3

1,3  10

-3

7  10

-4

Таблица 9 – Удельная активность естественных радионуклидов в горных породах

Удельная активность, Бк/кг

Горные породы

Уран-238 Торий-232 Калий-40

Магматические:

Кислые 60 80 1000

Средние 20 30 700

Основные 10 10 240

Ультраосновные 0,4 25 150

Осадочные:

Известняки 30 7 90

Песчаники 19 10 370

Сланцы глинистые 44 45 700

2.2. Естественные источники ИИ

циркон, монацит, ксенотим, ортит, апатит и сфен. Что касается главных

породообразующих минералов, то установлено, что салические минера-

лы (в первую очередь полевые шпаты) обладают в среднем в 3 раза

большей радиоактивностью, чем фемические. Поэтому на практике су-

ществует эмпирическое правило: магматические породы светлых оттен-

ков более радиоактивны, чем темные.

Наиболее высокой радиоактивностью среди осадочных пород обла-

дают глинистые сланцы и глины. Содержание радионуклидов в них

приближается к таковому в кислых изверженных породах – гранитах.

На основании анализа многочисленных диаграмм гамма-каротажа глу-

боких скважин и результатов лабораторного радиометрического изуче-

ния большого количества образцов осадочных горных пород было вы-

явлено, что среди них наименьшей радиоактивностью обладают чистые

химические и органические осадки (каменная соль, гипс, известняки,

доломиты, кварцевые пески, кремнистые сланцы, яшмы). Морские

осадки в целом более радиоактивны, чем континентальные.

2.2.2.3. Радиоактивность почв

Главным источником радиоактивных элементов в почвах следует

считать почвообразующие породы. Поэтому почвы, развитые на кислых

магматических породах, относительно обогащены радиоактивными

элементами (ураном, радием, торием, калием), а почвы, образованные

на основных и ультраосновных породах, бедны ими. Глинистые почвы

почти везде богаче радиоизотопами, чем песчанистые.

Почвы, как рыхлые образования, по вещественному составу близки

к осадочным породам, поэтому они во многом подчиняются закономер-

ностям распределения естественных радионуклидов в отложениях этого

генезиса. Тонкая коллоидная фракция почв, с которой связаны обменно-

сорбционные процессы, обогащена радиоактивными элементами по

сравнению с более крупными частицами. То же самое касается и орга-

нической составляющей почв. Однако прямой зависимости между ра-

диоактивностью почв и количеством органического вещества в них не

наблюдается. В таблице 10 приведена удельная активность основных

типов почв по данным ВНИИФТРИ (1996). По данным А.П. Виноградо-

ва содержание радия в верхнем горизонте почв колеблется от 2,8 до

9,5 × 10

-10

%. Причем в большинстве почв наблюдается резкое смещение

радиоактивного равновесия между ураном и радием в сторону послед-

него, что связано с выщелачиванием урана грунтовыми водами.

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Таблица 10 – Удельная активность естественных радионуклидов в почвах

Удельная активность, Бк/кг

Основные типы почв

Уран-238 Торий-232 Калий-40

Сероземы 31 48 670

Серо-коричневые 28 41 700

Каштановые 27 37 550

Черноземы 22 36 410

Серые лесные 18 27 370

Дерново-подзолистые 15 22 300

Подзолистые 9 12 150

Торфяниcтые 6 6 90

Таким образом, радиоактивность почв в основном обусловлена при-

родными радиоизотопами

K и

Rb. Радиоизтоп калий-40 накаплива-

ется в пищевых продуктах растительного и животного происхождения

в разной степени (табл. 11).

Таблица 11 – Содержание

К в пищевых продуктах

Продукт мкг/кг Продукт мкг/кг

Хлеб ржаной 2420 Мясо говяжье 3 380

Макароны 1300 Сало свиное 1690

Крупа гречневая 130 Рыба 2620

Рис 700 Фрукты сушеные 3 000

Горох 9070 Картофель 4490

Мука пшеничная 860 Капуста 3300

Молоко парное 1 430 Свекла 3530

Масло сливочное 140 Морковь 2870

Творог 3720 Лук 1510

Сыр 890 Шоколад 5630

Какао 11 110

Под влиянием испытаний ядерного оружия и техногенных факторов

почвы повсеместно загрязнены искусственными радионуклидами. На-

пример, средняя плотность загрязнения верхних слоев почв северного

полушария радиоактивным цезием составляет 0,12 Ки/км

2.2. Естественные источники ИИ

2.2.2.4. Радиоактивность природных вод

Содержание естественных радионуклидов в морских и речных

водах показано в таблице 12 . По содержанию урана морские воды при-

ближаются к ультраосновным горным породам – дунитам и значи-

тельно обеднены торием по сравнению с последними.

Радиоактивность речных и озерных вод зависит от источника их пи-

тания. Дождевые, снеговые и ледниковые воды содержат небольшое ко-

личество солей, поэтому водоемы горных районов высоких широт,

имеющие этот источник питания, практически стерильны в отношении

естественных радионуклидов.

Природные радионуклиды поступают в открытые водоемы суши в

основном с подземными водами. Грунтовые и межпластовые воды, пи-

тая озера и реки, определяют уровни природной радиоактивности воды

этих водоемов. Поэтому радиоактивность воды рек и озер подвержена

значительным колебаниям. Она напрямую зависит от химического и

минерального состава дренируемых ими горных пород, в которых рас-

полагаются чаши озер или водосборы рек. К другому важному фактору,

влияющему на степень радиоактивности воды открытых водоемов, от-

носится климат, от которого зависит степень химического выветривания

горных пород, являющихся основным поставщиком природных ра-

дионуклидов.

Наконец, концентрация радиоизотопов в озерах зависит от степени

водного обмена. Бессточные озера в районах с засушливым климатом

могут быть значительно обогащены радиоактивными элементами за

счет сильного испарения застойной воды.

Если исключить реки, дренирующие урановые рудные районы, то

можно считать, что речные воды отличаются пониженным относи-

тельно морских вод содержанием урана, радия, тория, калия и радона,

хотя есть и исключения из этого правила (например, Сыр-Дарья). В таб-

лице приведено содержание урана в некоторых реках, по данным

Д.С. Николаева.

Таблица 12 – Содержание урана в воде некоторых рек

Реки

Содержание урана,

мас. %

Реки

Содержание урана,

мас. %

Рион

7  10

-8

Дунай

5-30  10

-8

Обь

5-30  10

-7

Ока

1  10

-7

Волга

13-17  10

-8

Кама

8-15  10

-8

Днепр

13-17  10

-8

Енисей

2  10

-7

Иртыш

15-21  10

-8

Сыр-Дарья

1  10

-6

Р а з д е л 2 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

В период паводка радиоактивность речной воды снижается, а в ме-

жень – повышается. Зимой, когда реки покрываются льдом, наблюдает-

ся повышенное содержание в воде радиоактивных газов – радона и то-

рона.

Подземные воды бывают значительно обогащены ураном, радием,

торием и радоном по сравнению с поверхностными. Количество радио-

активных элементов в них зависит от вещественного состава вмещаю-

щих пород и химизма самих вод. В гидрогеологии принято выделять

радоновые, радиевые и урановые воды, в зависимости от преобладания

в их составе того или иного радиоактивного элемента. Существуют и

смешанные воды: радоно-радиевые, урано-радиевые, радиево-мезото-

риевые. Концентрация радия в подземных водах может достигать

2,5  10

-11

%, а урана – 3  10

-5

Еще в тридцатые годы XX столетия В.Г. Хлопиным была замечена

повышенная концентрация радия в воде нефтяных месторождений.

В настоящее время, в результате интенсивной эксплуатации месторож-

дений углеводородного сырья это приводит к накоплению природных

радионуклидов на технологическом оборудовании и трубопроводах

нефтяных и газовых месторождений. На отдельных месторождениях

мощность экспозиционной дозы от оборудования достигает 6 мР/ч,

а удельная активность природных радионуклидов в шламе превышает

Бк/кг. Следствием этого является неконтролируемое облучение пер-

сонала и населения.

2.2.2.5. Радиоактивность атмосферного воздуха

Атмосфера Земли всегда содержит газообразные радиоактивные

вещества в виде инертных газов – радона, торона и актинона, источни-

ком которых являются эманирующие горные породы. Радиоактивные

эманации, попадая из почвы в атмосферный воздух, затем разносятся

горизонтальными и вертикальными воздушными потоками. В свою оче-

редь радиоактивные газы, претерпевая распад, превращаются в твердые

радиоизотопы, которые выпадают на поверхность Земли в виде актив-

ных осадков.

Актинон и торон не являются долгоживущими. Период полураспада

первой эманации равняется всего лишь 3,92 с, а второй – 54,5 с, поэтому

они встречаются в небольших количествах лишь в самых нижних слоях

атмосферы вблизи земной поверхности. Период полураспада радона бо-

лее значителен (3,82 сут.), вследствие чего сама эманация и продукты ее

распада транспортируются ветром на большие расстояния от места вы-

деления.