Естественные радиоактивные элементы.

В настоящее время известно более 300 природных радионуклидов, которые образовались одновременно с Солнеч­ной системой или, по крайней мере, с образованием Земли и постоян­но образуются в результате естественного распада долгоживущих ра­дионуклидов или ядерных превращений под действием космического из­лучения в атмосфере.

Среди десятков естественных радиоактивных элементов встречаются элементы, имеющие периоды полураспада от миллиардных долей секунды (дочерние продукты) до миллиардов лет (родоначальники семейств). Все элементы, расположенные в периодической таблице за висмутом (т.е. с Z больше 83), являются радиоактивными. Долгоживущие уран-238 ( ), уран-235 ( ) и торий-232 ( ) возглавляют соответственно урановое, актиниевое и ториевое радиоактивные семейства. В естественных условиях встречаются уран, торий и их дочерние радиоактивные продукты. Это обусловлено тем, что периоды полураспада у родоначальников семейств сравнимы с возрастом Земли, и они пока еще не распались полностью. Продукты распада могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к появлению радиоактивных цепочек или рядов, в которых один элемент порождает другой (или другие). Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. Схемы образования радиоактивных семейств приведены ниже.

Cхемы радиоактивного распада ядер урана и тория

( на схемах указаны виды распада ядер и периоды

их полураспада Т)

Урановое семейство

U (α) Th (β^-) Pa( β^-) U(β^-) Th (α ) Ra(α)

Rn (α) Po(α)

Pb(β^-) Bi (β^-) Po (α ) Pb (β^-) Bi (β^-) Po(α) Pb (стабильный)

Уран- актиниевое семейство.

U (α) Th (β ^-) Pa (α) Ас (β) Th (α) Ra (α) (α) Rn(α) Po(α)

Pb(β) Bi(α) Tl(β)

Pb( стабильный)

Ториевое семейство.

Тh(α) Ra(β^- ) Ac(β^- ) Th(α) Ra(α) Rn (α) Po (α) Pb (β ^-)

Bi (β) Po

α α

Tl(β ^-) Pb (cтабильный)

Среди более легких элементов лишь немногие обладают естественной радиоактивностью. Периоды полураспада у них столь велики, что они до сих пор существуют на Земле в заметных количествах. Радиоактивный калий-40, испуская бета-частицы, превращается в стабильный кальций-40 ( ) (T ~10⁹ лет). Однако он может распадаться и путем захвата электрона, превращаясь в аргон-40. Бета-активный рубидий-87 ( ), распадаясь (T ~6 10¹⁰ лет), переходит в стабильный стронций-87. Встречающийся в природе самарий-152 – единственный более легкий, чем висмут, радиоактивный элемент, испускающий альфа-частицы. Его период полураспада – 10¹² лет.

Химический элемент уран широко представлен в земной коре, хотя встречаются и рудные аномалии, из которых он сейчас и добывается.

Наиболее широко известен из уранового семейства газообразный радиоактивный радон-222, который легко выходит из недр. Газ радон в 7,5 рада тяжелее воздуха, не имеет запаха и вкуса. В окружающей среде радон встречается в двух формах: в виде радона - 222, образующегося из продуктов распада урана - 238, и в виде радона - 220, возникающего при распаде продуктов тория – 232 ( иногда называют тороном). Присутствие радона в воздухе и в воде вносит ~ 50% вклад в эквивалентную дозу, получаемую человеком от всех природных источников радиации. Превращение радона идет по следующим схемам:

(Т = 3,82 суток),

(Т = 54,5 суток).

Образующиеся при этом изотопы полония также являются - активными и имеют периоды полураспада 3,05 мин и 0,15 с, соответственно. Основная доля облучения приходится на дочерние продукты распада радона, а не от него самого. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, и может достигать высокой концентрации внутри помещений в тех случаях, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Основную часть дозы облучения от радона человек получает находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, в особенности подвальном, полуподвальном или в шахте. Радон поступает в помещении из грунта под зданием, просачиваясь через фундамент и пол. Другим источником радона в помещениях являются стены зданий и другие строительные конструкции, изготовленные из материалов, содержащих природные радионуклиды (граниты, глиноземы, фосфогипс, кальций - силикатный шлак и ряд других). Герметизация помещений с целью их утепления только ухудшает положение. С этой проблемой уже столкнулись в некоторых странах мира, особенно в Швеции, Финляндии, Великобритании и США, где концентрация радона в ряде обследованных зданий в (500 – 5000) раз превышала среднюю его концентрацию в наружном воздухе.

Еще одним, менее важным по сравнению с указанными источником радона в жилых помещениях является вода и природный газ. Установлено, что в ряде случаев, особенно при использовании теплого душа, концентрация радона в ванной комнате почти в 3 раза выше, чем на кухне и более чем в 40 раз выше, чем в жилых комнатах.

Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет (0,3- 0,6) мЗв в год. Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше (Посус-ди-Калв, Меаип и Гуарапари в Бразилии расположены на территориях богатых торием, на юго-западе Индии). Эти территории в Бразилии и Индии являются наиболее хорошо изученными <<горячими точками>> нашей планеты. Но в Иране, например в районе городка Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 мЗв в год. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во Франции, Нигерии, на Мадагаскаре. Эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 мкЗв, больше средней индивидуальной дозы облучения, создаваемого космическим излучением 0,30 мкЗв.

Наиболее распространенным радиоактивным изотопом земной коры является ⁸⁷Rb, содержание которого значительно выше урана, тория и ⁴⁰К. Однако радиоактивность ⁴⁰К в земной коре превышает суммарную радиоактивность всех природных радионуклидов, несмотря на то, что его естественное содержание составляет всего 0,0119 % от общего количества калия. С биологической точки зрения изотоп ⁴⁰К является наиболее важным, поскольку все продукты растительного и животного происхождения содержат данный изотоп. Около 89 % атомов ⁴⁰К испытывают - распад по схеме:

(Т = 1,28 ^.10⁹ лет).

Остальная часть⁴⁰К распадается путем К – захвата. При электронном захвате ядро атома поглощает один из электронов собственной электронной оболочки (обычно с ближайшей к нему k - оболочки). При этом один из протонов превращается в нейтрон, что сопровождается испусканием нейтрино и образованием дочернего ядра. Именно так из калия-40 образуется аргон: .

Распад ⁴⁰К сопровождается относительно жестким и γ - излучением в отличие от распада ⁸⁷Rb, который характеризуется мягким γ- излучением и имеет период полураспада 6,2 лет.

Калий-40 широко рассеян в почвах и прочно удерживается глина­ми вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде име­ют повышенное содержание различных радиоактивных элементов по сравнению с песчаными и известняками.

Внутреннее облучение.

Поскольку по химическим свойствам радио­изотопы не отличаются от стабильных аналогов, то они следуют вместе с ними по всем биологическим и пищевым цепочкам в соответ­ствии с химическими и биологическими законами круговорота веществ в природе. Большинство радионуклидов, содержащихся в земной коре, воде и воздухе, проникает в раститель­ные и животные организмы.

Внутреннее облучение от углерода-14 и трития составляет очень незначительную часть общего внутреннего облучения организма чело­века. Основной вклад в него составляют продукты радиоактивного семейства урана-238 и тория-232, а также калия-40. Полная эквивалентная доза внутреннего облу­чения организма человека за счет всех природных радионуклидов составляет в среднем 1мЗв в год (табл.1).

Таблица 1. Природные источники ионизирующего излучения

Искусственные источники радиации

В результате хозяйственной деятельности человека в окружающей среде появились дополнительные источники излучений, связанные с увеличением количества естественных радионуклидов, извлекаемых из недр Земли с нефтью, углем, газом, рудами, минеральными удобрениями, строительными материалами и другими полезными ископаемыми. Кроме того, появились искусственные радионуклиды и источники излучений, не связанные с радиоактивным распадом. Для оценки этих воздействии на окружающую среду принят термин "Технологически усиленный радиационный фон". Остановимся подробнее на источниках дополнительного облучения и их роли в общем балансе радиационного воздействия на организм.

Добыча полезных ископаемых.

Уголь, подобно большинству других природных материалов, содержит ничтожные количества первичных радионуклидов. Последние, извлеченные вместе с углем из недр Земли, после сжигания угля попадают в окружающую среду, где могут служить источником облучения людей.

Еще один источник облучения населения - термальные водоемы. Некоторые страны эксплуатируют подземные резервуары пара и горячей воды для производства электроэнергии и отопления домов.

Добыча фосфатов ведется во многих местах земного шара; они используются главным образом для производства удобрений. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны, и содержащиеся в них радиоизотопы проникают из почвы в пищевые культуры.