Лекция 12.
Радиоактивное загрязнение.
Радиоактивное (радиационное) загрязнение – загрязнение радиоактивными веществами или ионизирующими излучениями.
Ra –элемент №88 открыт супругами Кюри в 1898 г. Слово radium («радий») происходит от латинского radius – «луч», так что дословно название этого элемента переводится как «излучающий», «лучистый».
Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних элементов в другие, сопровождающееся радиоактивным излучением. |
Если это вещества, тогда почему радиоактивное загрязнение относится к физическим загрязнениям? Потому, что главным поражающим фактором является радиационное излучение, или по-другому, оно называется ионизирующим. Такое излучение обладает энергией, достаточной для того, чтобы выбить один или несколько электронов из атомов облучаемого вещества. Ионизирующими свойствами обладает также и космическое излучение. Из различных видов электромагнитного излучения определенной ионизирующей способностью обладает жесткое УФ-излучение солнца, но до поверхности Земли оно практически не доходит из-за поглощения этого излучения озоном и другими газами.
Природа радиоактивного излучения.
Различают следующие виды ионизирующих излучений.
Электромагнитные:
гамма- излучение
рентгеновское излучение
и корпускулярные:
альфа излучение
бета излучение
нейтронное излучение
протонное излучение
Электро-магнитные.
Гамма-лучи (γ) – электромагнитное излучение высокой энергии обладающее высокой проникающей способностью, (поток гамма-квантов, по-другому их называют гамма-фотоны). Гамма излучение возникает при возбуждении ядер атомов во время ядерного распада. Распространяется со скоростью света (300 000 км/с).
Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение меньшей энергии, чем γ-излучение. Переносчик энергии – фотон. Оба вида излучения распространяются со скоростью света (300 000 км/с). В природе наблюдается редко. Возникает при возбуждении электронов атомов во время ядерного распада. Скорость распространения -300 000 км/с.
Бета излучение (β) – поток быстрых электронов или позитронов, скорость движения близка к скорости света (~200 000 км/с).
Альфа излучение (α) – поток положительно заряженных частиц, ядер гелия (~20 000 км/с).
α, β, γ – лучи испускаются радиоактивными изотопами (радионуклидами) при радиоактивном распаде.
Что такое изотопы?
Изотопы – химические элементы с одинаковым зарядом ядра (одинаковым числом протонов), но с разными массовыми числами. Например, изотопы водорода: водород, дейтерий, тритий.
, =D, =T (значения индексов у элементов пояснены на рис.1.). Все изотопы (нуклиды) можно разделить на две группы. Стабильные и нестабильные. Ядра первой группы устойчивы, а второй способны самопроизвольно распадаться и, следовательно, превращаться в ядра других элементов. Такие изотопы называются радиоактивными или радионуклидами. В настоящее время известно около 1500 изотопов, из которых лишь 265 являются стабильными. У некоторых элементов все изотопы радиоактивные (технеций- 43Tc, прометий- 61Pm), а также все элементы таблицы Менделеева, начиная с полония- 84Рo.
Время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада. |
Во что превращаются радиоизотопы?
Некоторые естественные (природные) радиоизотопы превращаются в другие радиоактивные элементы. Различают четыре радиоактивных семейства: урана ( ), актиния1 ( ), тория ( ) и нептуния ( ), которые имеют очень длинные цепочки превращений. Например, для урана –238 – 20 последовательных превращений. Промежуточные продукты распада могут быть источниками разного вида радиоактивного излучения (α, β или γ) различной интенсивности. Важнейшим промежуточным элементом распада первых трех семейств (урана, актиния и тория) является радиоактивный газ радон (Rn), претерпевающий в естественных условиях альфа-распад. Конечным элементом распада семейств урана, актиния и тория является стабильный изотоп свинца с атомной массой 206, 207 и 208 соответственно. Распад нептуния заканчивается стабильным изотопом висмута.
В природе имеются также радиоизотопы, распадающиеся в одну стадию, превращаясь в устойчивый элемент, например, калий –40, углерод – 14 и др. Всего таких изотопов чуть больше 200. Калий–40 распадается с испусканием β- и γ-лучей и превращается в нерадиоактивные изотопы Ca и Ar.
Благодаря деятельности человека в природе с середины ХХ столетия стали интенсивно накапливаться искусственные радионуклиды (атомные взрывы, ядерная промышленность). Наиболее опасные: цезий–137, стронций–90, плутоний–239 (свойства приведены в табл.1)
Таблица 1.
Свойства некоторых искусственных радиоизотопов.
Название |
Символ |
Период п/распада |
Преобладающий тип излучения |
Стронций –90 |
90Sr |
28 лет |
β |
Цезий –137 |
137Cs |
33 года |
β, γ |
Углерод –14 |
14C |
5730 лет |
β |
Плутоний 239 |
239Pu |
2400 лет |
α, γ |
Источники радиоактивного загрязнения:
Атомная промышленность;
Атомная энергетика;
Ядерные взрывы;
4) Медицина, наука, техника (использование радиоактивных веществ в приборах), научно-исследовательские ядерные реакторы (Москва – 37 реакторов).
Атомная промышленность. На территории РФ имеется примерно 800 атомных объекта. Наиболее известные из них – «Маяк» в Челябинской области, «Сибирский химический комбинат» в Томской области, «Горный химический комбинат» в Красноярском крае.
Ядерные взрывы. По некоторым подсчетам всего произведено примерно 2000 наземных и атмосферных взрывов (табл.3).
Таблица 3.
Статистика ядерных взрывов.
Количество взрывов |
Страна |
Год прекращения испытаний в атмосфере |
Полигон |
1985-1990 |
США |
1963 |
Невада |
715 |
СССР |
1962 |
Новая Земля, Семаналатинск |
180-190 |
Франция |
1974 |
Моруроа |
42 |
Великобритания |
1958 |
Невада (США) |
3540 |
Китай |
1980 |
Лобкор |
Таким образом, в 60-е годы 20 столетия благодаря ядерным взрывам в атмосферу попало примерно 5 т плутония –239, который постепенно распространился по всей планете, увеличив тем самым глобальный радиационный фон.
Подземные взрывы. В бывшем СССР произведено более 100 подземных взрыва в мирных целях. В европейской части СССР насчитывается 60 подземных взрыва, в Сибири –30, в ХМАО 5. Тело ядерного взрыва «Ангара» (140 км северо-западнее г. Ханты-Мансийска) было нарушено пробным бурением при поиске нефти2.
В пяти случаях подземные взрывы сопровождались выбросами радиоактивных материалов на поверхность земли (1 в Пермской области, 4- на семипалатинском полигоне).
Единицы измерений радиоактивности.
Активность – число радиоактивных превращений в единицу времени. |
В системе СИ используется единица активности Беккерель (Бк). 1Бк= 1 распад/с. 1 Бк =1 с-1 (1/с).
Часто используется внесистемная единица активности- кюри (Ки). Ки= 3,7х1010 Бк.
Эта единица обычно используется для характеристики значительных загрязнений (Чернобыль).
На практике часто используется удельная активность, (отражающая удельную концентрацию радиоактивного вещества), это – удельная активность единицы площади, объема или массы. Например, Кu/км2, Бк/л и т.п.
Доза излучения (экспозиционная доза)– результат ионизирующего действия радиоактивного излучения на среду. |
Для характеристики действия рентгеновского и γ- излучения используется внесистемная единица рентген (р).
Рентген – это такая доза рентгеновского и γ- излучения, которая способствует образованию 2,08х109 пар ионов в 1см3 воздуха, несущие заряд в 1 CGSE (электростатическая единица).
Доза излучения в единицу времени называется мощность дозы излучения. Пример, рентген в час (р/ч), миллирентген (мР/ч) или микрорентген в час (мкР/ч).
В системе СИ единицей дозы излучения является Кулон, отнесенный к массе ионизированного вещества (Кулон/кг), как мера измерения количества электричества, образующегося за счет образования заряженных частиц – ионов.
Степень лучевого воздействия на организм человека зависит от количества поглощенной энергии, поэтому вводится понятие поглощенной дозы.
Поглощенная доза – количество энергии, поглощенное единицей массы вещества (тела). |
В системе СИ энергия поглощенной дозы измеряется в Дж/кг и имеет название Грей (Гр).
1 Гр= 1 Дж/кг.
Имеется также внесистемная единица рад. 1 рад=1•10-2 Гр или 1 Гр= 100 рад.
Поскольку радиоактивное излучение различной природы обладает разным эффектом воздействия на биологические объекты даже при одинаковой поглощенной дозе, то вводится понятие эквивалентной дозы.
Эквивалентная доза – это поглощенная доза, умноженная на соответствующий коэффициент кратности (К), отражающий силу (степень) отрицательного воздействия на живой организм. |
К
рентгеновское и γ - лучи 1
электроны, позитроны, β - лучи 1
α - лучи 20
нейтроны, протоны 5-20
Единицы эквивалентной дозы.
Бэр – (биологический эквивалент рентгена), внесистемная единица.
бэр= 1 рад х К.
В международной системе СИ используется единица эквивалентной дозы – Зиверт (Зв) в англоязычной литературе – Sv:
Эквивалентная доза =1 Гр•К [Зв] (В СИ).
Эквивалентная доза =1 рад х К [бэр] (устарев. внесист.ед)
Для γ – и β – излучения К=1, следовательно 1 Зв=1 Гр и 1 бэр = 1 рад.
Соотношение между системной и внесистемной единицами: 1 Зв = 100 бэр.
Сведем рассмотренные единицы в одну таблицу (табл.2).
Таблица 2 |
|||
Основные радиологические величины и единицы |
|||
Величина |
Наименование и обозначение единицы измерения |
Соотношения между единицами |
|
Внесистемные |
Си |
||
Активность нуклида |
Кюри (Ки, Ci) |
Беккерель (Бк, Bq) |
1 Ки = 3.7•1010Бк 1 Бк = 1 расп/с 1 Бк=2.7•10-11Ки |
Экспозицион- ная доза |
Рентген (Р, R) |
Кулон/кг (Кл/кг, C/kg) |
1 Р=2.58•10-4 Кл/кг 1 Кл/кг=3.88•103 Р |
Поглощенная доза |
Рад (рад, rad) |
Грей (Гр), Gray (Gy) |
1 рад=10-2 Гр, 1 Гр=100рад 1 Гр=1 Дж/кг |
Эквивалентная доза |
Бэр (бэр, rem) |
Зиверт (Зв, Sv) |
1 бэр=10-2 Зв 1 Зв=100 бэр |