49. Явления радиоактивности, естественные (антропогенные) источники ионизирующих излучений. Радиоактивный радон.

Строение вещества и явление радиоактивности.

Атом (по гречески означает неделимый) это наименьшая частица данного химического элемента, который имеет сложное строение и состоит из положительно заряженного ядра, где сосредоточено 99,95% массы атома и вращающихся вокруг него по определенным орбитам отрицательно заряженных электронов. Ядро атома имеет сложное строение и состоит из положительно заряженных протонов (ядер водорода) и не имеющих заряд нейтронов.

Физические свойства ядер атомов определяются следующими характеристиками:

- порядковым или атомным номером в таблице Менделеева, который показывает число протонов в ядре, а следовательно, величину электрического заряда ядра и число электронов в атоме;

- массовым числом, которое определяет суммарное количество частиц, составляющих ядро, т.е. число протонов и нейтронов в ядре;

- числом нейтронов в ядре, которое определяется как разность между массовым числом и порядковым номером.

Протон несёт единицу положительного заряда и имеет атомный вес, примерно равный единице. Нейтрон имеет массу, почти равную массе протона и является электрически нейтральным.

При химических реакциях происходит перестройка только электронных оболочек без участия ядра. Атомы, ядра которых содержат одинаковое количество протонов, но различное число нейтронов называются изотопами.

В устойчивом состоянии атом удерживается в результате взаимосвязи все элементарных частиц:

- ядерные силы, самые интенсивные силы известные человеку в настоящее время в природе, но действуют они на очень малых расстояниях, удерживая в компактном состоянии нуклоны в ядре;

- электромагнитные силы, которые удерживают электроны на их оболочках на больших расстояниях от ядра;

- гравитационное взаимодействие;

- между одноимённо заряженными частицами ядра т.е. протонами, действуют кулоновские силы отталкивания.

Вследствие огромного превышения сил притяжения над силами отталкивания ядра большая часть химических элементов прочна. Прочность ядра характеризуется энергией связи, которая измеряется в электрон вольтах (ЭВ, КЭВ, МЭВ). Наибольшей прочностью обладают ядра химических элементов расположенных в средине периодической системы с массовым числом от 40 до 120.

Электроны в атомах двигаются без потерь энергии только по определённым орбитам. Переход электрона с ближайшей к ядру орбиты на более удалённую, происходит с поглощением порции (кванта) энергии. При возвращении электрона на ближайшую орбиту происходит выделение такого же количества энергии.

В нормальных условиях атом электрически нейтрален (не выделяет и не поглощает энергию). Если на атом воздействовать силой извне, например рентгеновским лучом, один из электронов перейдёт на внешнюю орбиту.

Энергия атома увеличиться и он перейдёт в «возбуждённое» состояние. Возбуждённый атом неустойчив, поэтому через миллиардные доли секунды он вновь возвратиться в первоначальное положение. При этом переходе освобождается энергия в виде фотона (это элементарная частица электромагнитного излучения двигающаяся со скоростью света). Если увеличить энергию, передаваемую электрону, он может оторваться от атома, в результате чего атом превращается в положительно заряженный ион. Этот

процесс называется ионизацией. Обратный процесс, т.е. захват положительно заряженным ионом свободного электрона называется рекомбинацией. На ионизацию атома затрачивается энергия, равная энергии связи электрона в атоме. При рекомбинации, выделяется энергия равная связи электрона в ядре.

Это явление, открытое Анри Беккерелем и изученное Марией Складовской и Пьером Кюри, получило название радиоактивности (естественной радиоактивности).

В настоящее время известно свыше 40 естественно радиоактивных элементов, которые являются изотопами тяжёлых элементов. Эти радиоактивные вещества образуют несколько семейств: урана (начинается с урана 238), тория, (начинается с тория 232), актиния (начинается с урана 235), все эти семейства оканчиваются стабильным изотопом свинца 236.

Естественная радиоактивность также обнаружена у некоторых лёгких элементов (лантан, рубидий, рений, калий, самарий и др.

В ядерных реакторах и на ускорителях сейчас получено свыше 1000 различных искусственно радиоактивных изотопов, которые широко применяются в науке, технике, сельском хозяйстве и медицине.

Радиоактивность, это способность некоторых химических элементов самопроизвольно распадаться и испускать невидимые лучи.

Радиоактивность, это самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений. Такие элементы называют радиоактивными.

Радиоактивные вещества распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течении которого распадается половина всех атомов.

Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким либо способом.

Если поместить, скажем, радий в свинцовую коробку с узкой щелью, то с помощью приборов можно определить, что через неё проходит пучок лучей, который в магнитном поле разделяется. Лучи, отклоняющиеся в сторону отрицательного полюса называются альфа лучами (с положительным зарядом), а лучи, которые отклоняются в сторону положительного полюса называются бета лучами (с отрицательным зарядом). На третью часть пучка, гамма лучи, магнитное поле не действует (они не имеют электрического заряда).

Различают следующие виды радиоактивных превращений:

- положительный альфа распад;

- отрицательный электронный бета распад;

- «К» распад (захват орбитального электрона ядром);

- самопроизвольное деление ядер;

- термоядерные реакции.

При изучении процесса радиоактивного распада установлено, что не все ядра радиоактивного изотопа распадаются одновременно. В каждую единицу времени распадается лишь некоторая доля от общего числа радиоактивного элемента.

Эта неизменная для каждого радиоактивного вещества величина, которая характеризует вероятность распада, называется постоянной распада, отсюда закон радиоактивного распада формулируется так:

«Количество атомов данного изотопа, претерпевающего ядерное превращение в одну секунду пропорционально общему их количеству или в равные промежутки времени имеет место ядерное превращение равных долей активных атомов».

Атомы радиоактивных веществ распадаются в единицу времени. В зависимости от периода полураспада (т.е. времени в течении которого распадается половина всех атомов данного радиоактивного изотопа), различают:

- короткоживущие изотопы, период полураспада которых исчисляется долями секунды, минутами, часами, сутками;

- долгоживущие изотопы, период полураспада которых от нескольких месяцев до миллиардов лет. Так для урана 238 он равен 4,5 млрд. лет, плутония 239 он равен 24 тыс. лет.

Количество атомов радона уменьшается на половину за 3,8 дня, следовательно, период полураспада радона равен 3,8 дня. Можно подсчитать, что через 10 периодов полураспада, в т.е. через 38 дней остаётся лишь 1/1024 часть исходного числа атомов (лишь 0,1%).

В 1907 году Мария Складовская Кюри подарила Парижскому институту 1 г радия. Через 46 лет этого радия стало на 20 мг меньше. Через 1590 лет (это период полураспада радия) от 1 г вещества останется 0,5 г.

Чем меньше период полураспада, тем большая доля атомов радиоактивного вещества распадается в единицу времени.

Число распадов в единицу времени в данном количестве радиоактивного вещества выражает активность вещества. Поэтому количество радиоактивных веществ удобней выражать не в весовых единицах, а в единицах активности. В системе СИ за единицу активности принимают беккерель (Бк), это количество радиоактивных веществ, в котором происходит один распад в секунду.

В несистемных единицах (в практической дозиметрии) используют кюри (Ки), это такое количество вещества, в котором происходит 37 млрд. распадов атомов в секунду.

Такой активностью обладает один грамм радия 226 (единица активности кюри соответствует активности одного грамма радия 226).

Степень радиоактивной зараженности местности, поверхности техники, одежды, тела человека и животных и других объектов (плотность заражения продуктами ядерного взрыва) измеряется в системе СИ в Бк/кв. метр.

В несистемных единицах Ки/кв.см; МКи/кв.см.; МкКи/кв.см Ки/кв. м; МКи/кв. м; МкКи/кв. м.; Ки/кв. км.; МКи/кв. км.; МкКи/кв.км.

Единицы на поверхности:

1 Ки/ кв. км. = 222 распада в минуту в кв. сантиметре.

1 Ки /кв. см. = 2,22* 10 (минус 12) распадов в мин. в кв.см

Объёмная активность (для измерения концентрации заражения в единицах объёма воздуха, воды)

В системе СИ Бк/ куб. м.

В несистемных единицах Ки/л; МКи/л; МкКи/л.

Удельная активность предназначена для измерения концентрации радиоактивных веществ в твёрдых веществах.

В системе СИ Бк/кг.

В несистемных единицах Ки/кг; МК/кг; МкКи/кг.

2. Ионизирующее излучение. Естественные и искусственные (антропогенные) источники ионизирующих излучений. Радиоактивный радон. Днерпродзержинский химический завод.

Понятие «ионизирующее излучение» объединяет разнообразные виды, разные по своей природе излучения.

Сходство их заключается в том, что все они отличаются высокой энергией, имеют свойство ионизировать и разрушать биологические объекты.

Ионизирующее излучение, это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Различают корпускулярное и фотонное ионизирующее излучение.

Корпускулярное ионизирующее излучение, поток элементарных частиц с массой покоя, отличной от нуля, которые образуются при радиоактивном распаде, ядерных превращениях или генерируется на ускорителях. Это альфа и бета частицы, нейтроны, протоны и др.

Фотонное ионизирующее излучение, поток электромагнитных колебаний, которые распространяются в вакууме с постоянной скоростью 300000 км/сек. Это гамма, рентгеновские и ультрафиолетовые излучения.

Они отличаются условиями образования и свойствами (длиной волны и энергией).

Излучения характеризуются по своей ионизирующей и проникающей способностями.

Ионизирующая способность определяет удельной ионизацией, числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объёма, массы среды или на единице длины пути.

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, пройденный частицей в веществе до её полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия.

Естественные и искусственные (антропогенные) источники ионизирующих излучений.

Излучение исходит как от природных, так и искусственных (антропогенных) источников ионизирующей радиации. Всё население Земли подвергается воздействию радиационного фона (РФ) имеющего относительно постоянный уровень.

Под радиационным фоном (РФ) принято понимать: - ионизирующие излучения от природных источников космического и природного происхождения;

- искусственно рассеянные в биосфере радионуклиды как результат деятельности человека.

Различают:

- природный (естественный) радиационный фон (ЕРФ), который представляет собой ионизирующие излучения, действующие на человека на поверхности Земли от природных источников космического и земного происхождения;

- технологически изменённый естественный радиационный фон (ТИЕРФ) представляет собой ионизирующее излучение от природных источников, претерпевших определённые изменения в результате деятельности человека. Например: излучение от естественных радионуклидов, поступающих в биосферу вместе с извлечёнными из недр Земли полезными ископаемыми; результат поступления в окружающую среду продуктов сгорания органического топлива; излучение в помещениях, построенных из материалов, содержащих естественные радионуклиды;

- с началом широкого испытания ядерного оружия, а также загрязнения в результате аварий и эксплуатации ядерных объектов, возникло глобальное загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами.

Мерой радиационного фона является мощность поглощённой дозы. Оценивая радиационный фон на местности (уровень радиационного фона) измеряют мощность поглощённой дозы в воздухе на высоте 110 см от поверхности земли (соответствует центру тела взрослого человека).

Естественный радиационный фон является основным компонентом радиационного фона, Природные источники ионизирующего излучения, формирующие естественный радиационный фон подразделяются на:

- внеземные внешние космические излучения;

- внешние земного происхождения, т.е. радионуклиды, присутствующие в земной коре, воде, воздухе;

- внутренние, радионуклиды естественного происхождения, накапливающиеся в организме человека.

Солнце можно сравнить с огромным термоядерным реактором или бурлящим котлом, которое выбрасывает в сторону Земли мощный поток:

- коротковолнового электромагнитного излучения, достигает Земли за 8 минут;

- плазмы («солнечный ветер»), достигает Земли через двое суток;

- космических лучей, достигают Земли через несколько часов. Кроме того, они поступают на Землю из Вселенной.

Космические лучи представляют собой поток ядерных частиц, падающих не земную поверхность.

Это, так называемое первичное космическое излучение состоящее из: протонов 92%; альфа частиц 7%; атомов лития, углерода, азота и кислорода 1%.

При попадании космических частиц в атмосферу происходит их взаимодействие с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное космическое излучение.

В экзосфере и стратосфере часть энергии первичного космического излучения стакивается с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона и возникает высокое энергетическое свечение (на высоте около 30 км.).

По мере приближения к поверхности Земли интенсивность космических частиц первичного излучения снижается, интенсивность вторичного излучения на высоте 20-30 км достигает максимума.

Во втором космическом излучении возникает ряд новых частиц: протоны; нейтроны (осколки ядра); пимезоны трёх видов (отрицательный, положительный, на имеющий заряда). Тут появляются космогенные радионуклиды, которые с атмосферными осадками попадают на поверхность Земли: тритий, уголь 14, бериллий 7, натрий 22 и др. (всего более 10).

На уровне моря интенсивность первичного излучения составляет около 0,05% первичной величины.

Вторичное же излучение состоит из пимезонов 80% и электронов 20%. Следует отметить, что уровень космического излучения в определённой степени зависит геомагнитной широты, возрастая от экватора к полюсам (на уровне моря 14%).

Поскольку интенсивность космического излучения растёт, экипажи самолётов и пассажиры, которые часто летают на высоте 8-11 км, со временем получают значительные дозы радиации; за 2 часа полёта больше, чем за неделю на земной поверхности. При полёт на высоте 13 км, человек получает дозу радиации а 1 Мр. за 2400 км расстояния.

Каждый житель планеты в среднем от космического облучения на протяжении года получает радиационную дозу около 300 МкЗв (0,03 бэр).

Природная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами естественного происхождения присутствующими во всех оболочках Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере.

Радиоактивные элементы Земли условно можно разделить на три группы:

- радиоактивные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран 238, торий 231 и др.;

- генетически не связанные сними радиоактивные элементы: калий 40, кальций 48, рубидий 87 и др.;

- радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций под воздействием космических лучей. Наиболее важные из них, углерод 14 и тритий.

Главным источником поступления во внешнюю среду естественных радиоактивных веществ, широко распространённых во всех оболочках Земли, являются горные породы, происхождение которых связано с включением в их состав радиоактивных элементов в периоды формирования и развития Планеты. Большая часть естественных радиоактивных элементов содержится в горных породах, образующих толщу земной коры. Земных природных источников излучения сейчас насчитывается около 60.

Содержание радиоактивных веществ в природных водах зависит от условий их формирования. Все воды можно условно разделить на: метеоритные, воды открытых водоёмов суши и воды морей и океанов.

Воды метеоритные обычно малоактивны. Они содержат следы трития, углерода 14, бериллия 7, возникающих в результате взаимодействия космического излучения с атомами и молекулами атмосферного воздуха.

Радиоактивность подземных вод в основном обусловлена присутствием: калия 40, радия 226, радона 222.

Наибольшей радиоактивностью обладают минеральные воды.

Радиоактивность речной воды обусловлена, в основном, присутствием: калия 40 и радия 226.

Вода морей и океанов содержит следующие радиоактивные вещества: калий 40, уран 238, радий 226.

Естественная радиоактивность воздуха обусловлена радиоактивными изотопами, возникающими в атмосфере в результате воздействия космического излучения, радиоактивных газов (радон 222, торий 220, актиний 219), поступающих из верхних слоёв земной коры, радиоактивных изотопов, образующихся в процессе жизнедеятельности человека и т.д.

Исследования, которые проводились на протяжении последних лет, свидетельствуют, что дома, в которых живут люди, с одной стороны, защищают их от внешних радиационных облучений, а с другой, увеличивают общую дозу облучения за счёт доонуклидов, которые содержатся в строительных материалах, и особенно в радоне, который содержится внутри помещений.

Уже досконально известно, что в деревянных домах мощность радиационной дозы в два-три раза меньше, чем в каменных или бетонных. А в домах, построенных из шлакоблоков, мощность радиационной дозы, как правило, в десятки раз больше, чем в деревянных.

Население городов, особенно больших, в целом всегда получает дозы выше по сравнению с жителями сельских местностей. Самый сильный радиационный фон в городах, где преобладают граниты, в которых урана а 2-3 рада, тория в 3-10 раз больше, чем в песчаниках и известняках.

Человек всегда был подвержен действию радиации. Её величина, в зависимости от местности, варьируется от 100 Мбэр до 1,2 бэр в год. Среднее значение на Украине составляет 300 мбэр в год, а её радиационный фон составляет 10-30 мкбэр/ час.

Ослабленная атмосферой радиация приходит из космоса, восходит от земли, её излучают гранитные здания и химические элементы в теле человека.

Есть территории, где суммарная доза радиации рвущейся из недр Земли выше, чем в Чернобыльской зоне, и основную долю её составляет радон.

Радон, это невидимый, не имеющий цвета, запаха и вкуса, тяжёлый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) радиоактивный газ, который постоянно образуется, накапливается и постепенно по трещинам перемещается к поверхности из глубин Земли, при распаде радиоактивных: урана, тория, актиния.

Радон, имеет большую возможность выхода в атмосферу по сравнению с тором и актинием, т.к. период полураспада его составляет 3,8 суток, тогда как для тория период полураспада равен 54 секунды, а для актиния 3,9 секунды.

Учёные Украинского научного центра радиационной медицины утверждают, что около 70% дозы облучения населения Украины от всех источников природной радиоактивности падает на радон. Виновником является Украинский щит, тектоническая структура, которая тянется с севера на юг почти по средине Украины и занимает около 30% всей территории. Состоит этот щит из гранитов, и других кристаллических пород, которые имеют повышенную радиоактивность.

Радон присутствует везде: в камнях, бетоне, почве, газе, воде. Он проникает в дома из грунта; сквозь трещины в фундаменте и через пол. Скапливается в основном на нижних этажах жилых и производственных зданий. Основную часть дозы облучения от радона человек получает находясь в закрытом непроветриваемом помещении; в среднем в 8 раз она выше, чем в наружном воздухе.

Некоторые жилые дома и производственные корпуса строятся непосредственно на старых отвалах горнодобывающих предприятий, где радиоактивные элементы присутствуют в значительных количествах.

Источником радонной радиации становится материал стен. Самые распространённые строительные материалы: дерево, кирпич (белый), бетон (цемент), песок, гравий, выделяют мало радона.

Если в строительстве применяются такие материалы как: гранит, пемза, фосфогипс (природный гипс стоит дорого), глинозём, красный кирпич (красная глина), кальцево селикатный или доменный шлак, зольная пыль (сжигание угля), источником радоновой радиации становится материал стен.

Ещё одним источником радиации (правдо менее важным) поступления радона в жилые помещения представляет вода и природный газ. Радон проникает в природный газ и артезианскую воду под землёй. Концентрация радона в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и другие нагревательные устройства, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой.

Высокое содержание радона в воде артезианских колодцев, в минеральной и «газированной воде». Однако основная опасность по радону исходит не от пищи и воды т.к. при кипячении (пища, чай, кофе) радон в значительной мере улетучивается, поэтому поступает в организм в основном с некипячёной водой.

Гораздо большую опасность представляет попадание паров с высоким содержанием радона в лёгкие в месте с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. Так при обследовании домов оказалось, что в среднем концентрация радона, в ванной в 3 раза выше, чем на кухне (а ведь радон выделяется из природного газа) и в 40 раз выше, чем в жилой комнате.

Примерный расклад концентрации радона в квартире:

- из почвы под зданием 41,7 Бк/м, или 50% ( 100 Бк/м соответствуют 100%);

- из строительных материалов 6,4 Бк/м, или 10%;

- от воздуха улицы 5 Бк/м, или 8%;

- от бытового газа 0,3 Бк/м, или 1%;

- от воды 0,1 Бк/м, или 1%.

Ещё 400 – 300 лет тому назад в Южной Германии были известны случаи смерти рудокопов горняков, которые отравились под землёй каким то газом. Болезнь горняков исследовал немецкий врач Л. Телепи. Он установил, что смертельная болезнь является раком лёгких и развивалась она из за высокой концентрации радона в воздухе шахт и рудников.

В 1984 году Национальная комиссия радиационной безопасности США сообщила населению своей страны об опасности отравления радоном. Тогда в США было обследовано сотни тысяч домов и во многих из них выявлено повышенное количество радона, влияние которого на организм было негативным, аналогичным выкуриванию 40 сигарет на день. Около 20% домов в США имеют такое количество радона в воздухе, что проживать в них опасно. Американские учёные считают, что от рака лёгких радонового происхождения в США каждый год умирает около 20 тыс. человек.

Украинские учёные в результате исследований установили, что в воздухе жилых помещений, даже в наиболее загрязнённых в результате катастрофы на ЧАЭС населённых пунктов, вклад аварийной компоненты в суммарную дозу облучения населения выше радоновой только в первый послеаварийный период. В настоящее время радон на Украине в большинстве случаев по величине создаваемой дозы стоит на первом месте. Установлено, что одной из причин резкого увеличения концентрации радона в помещениях являются магнитные бури.

В наши лёгкие ежеминутно поступает несколько миллионов радиоактивно опасных атомов радона, вызывая болезненные синдромы. При вдыхании они откладываются в лёгких, путём дальнейшего радиоактивного распада происходит поражение окружающих тканей, что приводит к образованию раковых клеток. Попадая в организм, они сразу же наносят вред железам внутренней секреции, гипофизу, коре подпочичных органов и вызывает у трети населения удушение, сердцебиение, мигрень, тревожное состояние, бессонницу.

В процессе исследования домов на Украине во многих из них выявлена повышенная концентрация радона.

На Украине необходимость проведения измерения радона регламентируется «Положением о радиоактивном контроле на объектах строительства и предприятиях стройиндустрии Украины». Согласно этому нормативному документу, допустимые уровни среднегодовой эквивалентной равновесной концентрации радона в воздухе помещений, строящихся и реконструированных зданий и сооружений с постоянным пребыванием людей, не должна превышать 50 Бк/м, а в противном случае необходимо ограничить пребывание людей в этих зданиях или провести специальные противорадиационные мероприятия.

Наличие радона может быть определено с помощью специальных приборов т.е. профессионального многопараметрического радон - монитора.

Рекомендации к применению:

- для измерения объёмной активности радона в существующих зданиях и жилых помещениях, а также при сдаче в эксплуатацию новых зданий и сооружений;

- для выявления мест поступления радона в жилые помещения.

Отличительные особенности:

- диапазон измерений от 2 Бк/м;

- измерение кроме радона ещё температуры, давления и влажности одновременно.