Природные источники ионизирующего излучения
Подождите немного. Документ загружается.
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Естественный (природный) радиационный фон – это ионизирующее
излучение, состоящее из космического излучения, излучения естественных
радиоактивных веществ, находящихся в земных породах, воде, воздухе, и
излучения естественных радиоактивных элементов, содержащихся в
растительном и животном мире и в организме человека.
1.КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Космическое излучение представляет
собой поток частиц ядерного происхождения, падающих на Землю из
различных областей Вселенной. Это т.н. первичное космическое
излучение. Частицы космического излучения обладают большими
энергиями; в среднем их энергия составляет около 10
10
эВ = 10
4
МэВ = 10
ГэВ. Однако, в общем потоке встречаются как частицы со значительно
меньшими энергиями, так и высокоэнергетические частицы с энергиями до
10
19
эВ.
Первичное космическое излучение состоит из протонов (92%), -
частиц (7%), ядер Li, Be, C, N и O (0,78%) и более тяжелых ядер (0,22%).
По современным представлениям, источником космического излучения
являются процессы, происходящие при эволюции звезд (например,
вспышки сверхновых), а также в ядрах галактик. Определенный вклад в
общий поток космического излучения, падающего на Землю, дает и
Солнце. При резком увеличении солнечной активности возможно
возрастание интенсивности космического излучения на 4 – 100%.
При падении частиц первичного излучения на Землю происходит их
взаимодействие с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное
космическое излучение. Заряженные частицы, взаимодействуя с полем
атомных ядер, испускают кванты, которые в поле ядер могут рождать
пары: е
+
+ е
. Электроны и позитроны, в свою очередь, также могут
испускать кванты. Поэтому процессы такого типа называют электронно
– фотонными. Процесс лавинообразного нарастания числа частиц и
фотонов продолжается до тех пор, пока их энергия не становится малой и
теряется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул воздуха.
Процессы другого типа называют электронно – ядерными. Эти
процессы обусловлены взаимодействием высокоэнергетических частиц
первичного космического излучения (Е > 310
9
эВ) с ядрами атомов
земной атмосферы. При этом возникают протоны (р), нейтроны (n),
и
0
мезоны. Дальнейшие превращения мезонов таковы:
+
+
+
;
+
~
;
0
2;
+
e
+
+
e
+
~
;
e
+
е
~
+
.
1
Таким образом, вторичное космическое излучение состоит из электронов,
фотонов (квантов), протонов, мезонов, мюонов. По мере приближения
к поверхности Земли интенсивность первичного космического излучения
уменьшается; интенсивность вторичного излучения достигает максимума
на высоте 20 – 30 км; на меньшей высоте процессы поглощения этого вида
излучения преобладают над процессами его генерирования. На уровне
моря интенсивность первичного излучения составляет около 0,05%
первоначальной величины. Вторичное же излучение состоит из мезонов
(80%) и электронов (20%).
Уровень космического излучения зависит от геомагнитной широты,
возрастая от экватора к полюсам. Наконец, имеет место барометрический
эффект, сущность которого заключается в уменьшении фона космического
излучения с ростом атмосферного давления (0,35% на 1 мм рт ст).
2.ПРИРОДНАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ. Природная радиоактивность
обусловлена изотопами естественного происхождения, присутствующими
в веществе всех оболочек Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и
биосфере. Сохранившиеся на нашей планете радиоактивные элементы
условно могут быть разделены на три группы:
а). Радиоактивные изотопы тяжелых элементов, входящие в состав
радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран
U
238
92
,
торий
Th
232
90
и уран
U
235
92
. К этим изотопам относятся, в частности,
Ra
226
88
,
Rn
222
86
,
Po
216
84
и др.
б). Генетически не связанные с ними радиоактивные элементы: калий
K
40
19
,
кальций
Ca
48
20
, рубидий
Rb
87
37
и др.
в). Радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в
результате ядерных реакций под действием космического излучения.
Наиболее важные из них – углерод
C
14
6
и тритий
H
3
1
.
Кроме указанных в таблице радиоактивных изотопов в
формировании естественного фона участвуют продукты распада
радиоактивных семейств, такие как Ra, Rn и др. Большое значение имеют
и радиоактивные изотопы К, С и Н. Главным источником поступления во
внешнюю среду естественных радиоактивных веществ являются горные
породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в свой
состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования
и развития планеты. Благодаря деструктивным процессам
метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического
характера, происходящим непрерывно, радиоактивные вещества
подверглись широкому рассеиванию.
В настоящее время имеет место относительное равновесие между
поступлением радиоактивных веществ в сферу круговорота и их
2
выбыванием за счет образования осадочных пород и радиоактивного
распада.
Таблица
Характеристики основных естественных радиоактивных изотопов
Элемент Радиоакти
вные
изотопы
Период
полураспада,
лет
Удельная
активность,
Ки/г
Удельная
активность
природной
смеси изотопов,
Ки/г
Водород
H
3
1
12,26 9,810
3
4,910
14
Углерод
C
14
6
5568 4,4 7,210
12
Калий
K
40
19
1,3110
9
6,810
6
810
10
Кальций
Ca
48
20
210
16
410
13
710
16
Рубидий
Rb
87
37
6,510
10
6,610
8
1,8310
8
Лантан
La
132
57
710
10
3,710
8
3,210
11
Торий
Th
232
90
1,3910
10
1,110
7
3,410
7
Уран
U
235
92
7,1310
8
2,110
6
6,7510
7
Уран
U
238
92
4,510
9
3,310
7
6,510
7
В этих процессах основную роль играет вода, как универсальный
растворитель. Входя в контакт с материалами пород, вода растворяет и
выносит из недр земной коры на ее поверхность ряд как стабильных, так и
радиоактивных элементов. Кроме того, вода уносит с собой частицы пород
и откладывает их в виде осадков на значительном удалении от места
первичной эрозии.
С водой рек выносится и значительное количество растворенных
веществ. В результате этих процессов, происходящих многие миллионы
лет, оказалось, что воды мирового океана содержат в растворенном
состоянии огромное количество естественных радиоактивных элементов;
так, в водах Тихого океана содержится около 2,9510
12
кг
K
40
19
, что
соответствует активности примерно 210
10
Ки.
Значительное место в процессах миграции и круговорота
радиоактивных изотопов в природе занимает растительный и животный
мир.
Большая часть естественных радиоактивных элементов содержится в
горных породах. Глинистые почвы за счет высокого содержания
коллоидных фракций, хорошо сорбирующих и удерживающих
3
радиоактивные изотопы, всегда богаче радиоактивными элементами, чем
песчаные.
Таблица
Среднее содержание калия, тория, урана и радия в земных породах
Породы Содержание радиоактивных элементов, %
Калий Торий Уран Радий
Магматические 2,6 1,210
3
410
4
1,310
10
Песчаные 1,1 610
4
1,210
4
1,510
10
Глины 2,3 1,310
3
4,510
4
1,310
10
Известняки 0,3 1,310
4
1,310
4
0,510
10
В отдельных районах земного шара имеются зоны с повышенным
содержанием радиоактивных элементов в горных породах и почвах. Такие
зоны обнаружены в районах Памира и Тибета, Окло в Африке, на
территориях Бразилии, Индии и Франции.
Представляют интерес уровни содержания радиоактивных элементов
в строительных материалах, обусловленные особенностями содержащихся
в них пород. Так, содержание радиоактивных элементов в бетонах,
содержащих глины, на порядок выше, чем в бетонах без глин. Значительно
содержание радиоактивных элементов в кирпиче.
3.ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ ВОЗДУХА. Обусловлена
радиоактивными изотопами, возникающими в атмосфере при воздействии
космического излучения, радиоактивностью газов, поступающих из
верхних слоев земной коры, и радиоактивными изотопами, поступающими
в результате деятельности человека.
Одним из радиоактивных изотопов, возникающих под воздействием
космического излучения, является радиоуглерод:
HCnN
1
1
14
6
14
7
.
В результате воздействия космического излучения на Земле ежегодно
возникает около 10 кг
C
14
6
, а общее содержание его в атмосфере
составляет около 80 т.
Другим радиоактивным изотопом, возникающим под воздействием
космического излучения, является тритий, образующийся в реакциях:
HCnN
3
1
12
6
1
0
14
7
,
HOpO
3
1
14
8
1
1
16
8
.
Под воздействием космического излучения возникают также
Be
7
4
,
Be
10
4
,
P
32
15
,
S
35
16
и др.
4
К радиоактивным газам, поступающим из верхних слоев земной
поверхности, относится прежде всего радон
Rn
222
86
. Каждый из
образующихся газообразных изотопов в той или иной степени
диффундирует в атмосферный воздух. Содержание радиоактивных газов в
грунте увеличивается с глубиной и достигает постоянной величины на
глубине около 5 м. В результате непрерывного поступления
радиоактивных газов из грунта в атмосферу наибольшие концентрации их
обнаруживаются в приземном слое; с высотой они уменьшаются.
Таблица
Содержание радона в атмосферном воздухе в зависимости от высоты
над земной поверхностью.
Высота, м 0,01 1,0 10 100 1000 7000
Содержание радона, % к
исходному
100 95 87 69 38 7
Радиоактивные газы при распаде дают начало коротко- и долгоживущим
активным аэрозолям (изотопы полония, висмута и свинца). Данные ряда
авторов свидетельствуют о том, что активность воздуха по
короткоживущим дочерним продуктам радиоактивных газов в среднем
составляет (0,50,7)10
13
Кил, а активность – 1,610
13
Кил. Удельная
активность долгоживущих продуктов распада радона меньше. Над сушей
по
Pb
210
82
она составляет от 0,310
17
Кил до 410
17
Кил, а по
Po
210
84
- (0,7 –
1,5) 10
18
Кил.
4. РАДИОАКТИВНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД зависит от условий их
нахождения. Радиохимический состав подземной воды зависит от
количества растворенных радиоактивных веществ, содержащихся в
составе грунта, омываемого этой водой. В водах, глубоко залегающих и
более минерализованных, чем поверхностные воды, имеет место
пропорциональное увеличение удельной активности с нарастанием общей
концентрации солей. Радиоактивность подземных вод в основном
обусловлена
K
40
19
,
Ra
226
88
и
Rn
222
86
. Наименьшей активностью обладают
подземные воды в осадочных породах. Содержание урана в этих водах,
чаще всего используемых для водоснабжения населения, составляет в
среднем 510
6
гл, содержание радия обусловливает в среднем удельную
активность 210
12
Кил, радона - 510
11
Кил. Высокие концентрации
радия и урана обнаруживаются в межпластовых водах нефтеносных
районов.
Радиоактивность воды открытых водоемов на суше также зависит от
химического состава пород. Как правило, поверхностные воды (дождевые,
снеговые) содержат относительно меньшие количества радиоактивных
5
веществ, поэтому в период паводка радиоактивность речной воды
понижена. Содержание
K
40
19
в речной воде колеблется в пределах (1 -
16)10
12
Ки/л, урана – от 210
8
до 510
5
г/л, радия – от 2,5 10
13
до
2,210
12
Ки/л.
Активность морской и океанской воды по
K
40
19
находится в пределах
(3 – 5)10
10
Ки/л, содержание
U
238
92
– 210
6
г/л,
Ra
226
88
– (0,6 – 1,0)10
12
Ки/л.
5. РАДИОАКТИВНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО МИРА.
Она обусловлена практически всеми теми радиоактивными изотопами,
которые встречаются в природе, причем все они могут быть условно
разделены на две группы. К одной группе, сравнительно малочисленной,
относят радиоактивные изотопы, которые входят в естественную смесь со
стабильными элементами, активно участвующими в обмене веществ и
обеспечивающими функционирование всех органов и систем живого
организма. К таким изотопам относятся
K
40
19
,
C
14
6
,
H
3
1
. Уровень
содержания этой группы изотопов в организмах зависит от степени
накопления соответствующих стабильных элементов. Например, в горохе
содержится 0,9% калия, а в сливочном масле – 0,014%, поэтому удельная
активность гороха за счет
K
40
19
равна 7,410
9
Ки/л, а сливочного масла –
0,110
9
Ки/л.
Ко второй группе относятся радиоактивные изотопы, роль которых в
обмене веществ значительно слабее и менее изучена (
U
238
92
,
Ra
226
88
,
Th
232
90
,
Pb
210
82
,
Po
210
84
). Уровень содержания в растительных и животных
организмах указанной группы изотопов зависит от их концентрации во
внешней среде. Так, в золе растений, выращенных на обычных почвах,
содержание урана в среднем составляет 310
4
г/кг, а в золе растений,
произрастающих на обогащенных ураном почвах – 210
3
г/кг.
Относительная эффективность накопления радиоактивных изотопов этой
группы понижается при резком увеличении содержания их во внешней
среде.
Из первой группы изотопов главное место по величине создаваемой
активности занимает изотоп
K
40
19
. Количество калия в растительных
организмах по сравнению с его содержанием в земной коре (в расчете на
единицу массы) меньше в 3 – 10 раз. Еще меньшее содержание калия
отмечается в организмах животных (в 10 – 15 раз, по сравнению с его
содержанием в породах).
Удельная активность биомассы по углероду на порядок меньше в
сравнении с активностью по
K
40
19
; активность по тритию
H
3
1
– ничтожно
мала.
6
Главным источником поступления в организм человека
естественных радиоактивных веществ является рацион, в котором
преобладают продукты растительного происхождения.
6. РАДИОАКТИВНОСТЬ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. Она обусловлена
присутствием в организме всех тех радиоактивных изотопов, которые
встречаются в биосфере. Представляется необходимым в первую очередь
рассмотреть радиоактивность, обусловленную присутствием изотопов,
входящих в обязательном порядке в состав живых структур, без которых
невозможно существование организма. К этой группе опять-таки относятся
K
40
19
,
C
14
6
и
H
3
1
. Суммарное содержание калия в организме взрослого
человека (массой 70 кг) составляет 0,19% (130 г).Особенно богаты калием
ткани и органы, обладающие высокой функциональной активностью. К их
числу относятся скелетная мускулатура, нервная ткань, сердце, печень,
селезенка и т.д. Ввиду того, что
K
40
19
встречается в природе в смеси со
стабильными изотопами в количестве 0,0119%, удельная активность
органов и тканей тела человека по
K
40
19
определяется содержанием в них
стабильного изотопа.
Количество трития
H
3
1
в организме практически постоянно и
определяется содержанием стабильного изотопа (около 10,2% в мышцах и
6,4% в костях). Удельная активность мягких тканей тела человека за счет
H
3
1
составляет 1,510
11
Ки/кг, а костей – 0,9210
11
Ки/кг.
Из радиоактивных изотопов тяжелых элементов по содержанию в
организме наиболее хорошо изучен радий. Этот элемент подобно кальцию
накапливается преимущественно в костной ткани. Количество радия в
организме в целом по оценкам различных авторов находится в пределах от
0,4810
10
до 4,810
10
г.
Основная часть
Pb
210
82
(до 70%) содержится в скелете. Удельная
активность
Pb
210
82
в костной ткани составляет от 13 до 110 пКи/кг, в мягких
тканях – 0,2 – 18 пКи/кг.
У человека, выкуривающего одну пачку сигарет в сутки, с дымом в
легкие поступает до 2 пКи
Po
210
84
; у некурящего с воздухом – около 0,02
пКи
Po
210
84
в сутки.
На степень радиоактивности отдельных органов и тканей тела
человека влияет скорость обменных процессов и функциональное
состояние организма, а с другой стороны имеет значение содержание этой
группы изотопов в рационе. При постоянном поступлении с рационом
радиоактивных веществ устанавливается равновесие между поступлением
и выведением их из организма. При этом в отдельных органах и тканях
создается равновесная концентрация. В случае увеличения содержания
изотопов в рационе равновесная концентрация возрастает. Количество
7
радиоактивных веществ неодинаково не только в различных пищевых
продуктах, но часто и в одном и том же продукте, выращенном в регионах
с разными геохимическими условиями, поэтому содержание некоторой
группы изотопов в организме человека во многом зависит от этнических и
экономических особенностей питания населения.
7. ФОНОВОЕ ОБЛУЧЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА. В зависимости от источников
ионизирующего излучения фоновое облучение подразделяется на внешнее
и внутреннее. К источникам внешнего облучения относятся космические
лучи, излучение радиоактивных веществ, содержащихся в породах,
почве и строительных материалах, излучение радиоактивных веществ,
находящихся в воздухе.
Таблица
Мощность доз в тканях тела человека от природных
источников радиации.
Источники облучения Мощность дозы (мрад/год)
Гонады Остеоциты Костный
мозг
Внешние
Космическое излучение
Излучение пород и почвы
28
50
28
50
28
50
Внутренние
K
40
19
20 15 15
Ra
226
88
- 0,6 0,03
Ra
228
88
- 0,7 0,03
Po
210
84
0,3 2,1 0,1
Rn
222
86
(в тканях)
0,3 0,3 0,3
C
14
6
0,4 1,6 1,6
В районах с повышенным количеством радиоактивных элементов
(некоторые регионы в Бразилии, Индии, Франции) наблюдается особенно
высокая интенсивность радиации. Так, в районе монацитовых песков
Бразилии мощность дозы излучения достигает 1000 мрад/год, в Индии –
от 131 до 2814 мрад/год, в горных районах Франции – от 180 до 350
мрад/год.
Особый интерес представляют уровни фона в жилых зданиях.
Наименьший фон отмечается в деревянных постройках (до 50 мрад/год),
в кирпичных зданиях – до 100 мрад/год, в железобетонных – до 170
мрад/год.
При оценке дозы, создаваемой космическим фоном, исходят из того,
что вследствие жесткости космического излучения поглощенная доза в
8
любых тканях и органах человека должна быть одинаковой. Средней
дозой, получаемой населением Земли за счет космического излучения,
является 28 мрад/год.
Излучение естественных радиоактивных веществ, содержащихся в
атмосфере, вызывает ионизацию воздуха, примерно на порядок меньшую,
по сравнению с излучением пород и почвы, поэтому оно вносит
ничтожный вклад в суммарный эффект.
Внутреннее облучение организма человека создается за счет
K
40
19
,
C
14
6
,
Ra
226
88
,
Rn
222
86
,
Po
210
84
и других радиоактивных элементов,
содержащихся в организме.
9