3. Общее понятие о радиоактивности

Радиоактивность как физическое явление - это способность самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа химического элемента в устойчивый изотоп. Такое превращение сопровождается испусканием элементарных частиц (a-,b-частицы) и излучением (g-кванты). На сегодняшний день в природе известно более 230 радиоактивных ядер естественного происхождения и их количество существенно дополняется искусственными (техногенными) радионуклидами.

Все известные радиоактивные элементы следует разделить на 2 группы: естественные и искусственные. Среди естественных радиоактивных элементов следует выделить долгоживущие (уран, торий, калий, рубидий и др.), короткоживущие продукты распада долгоживущих изотопов (радий, радон и т.д.) и изотопы постоянно образующиеся в природной среде за счет ядерных реакций (углерод-14, тритий). Искусственные радиоактивные элементы можно разделить на: осколочные (продукт деления урана 235 под воздействием тепловых нейтронов), радиоактивные элементы - продукты активации за счет взаимодействия нейтронов, g-квантов с такими веществами как кобальт-60, цинк-65, железо-54, трансурановые радиоактивные элементы, образующиеся в результате поглощения нейтронов по схеме: U²³⁸ + (n⁰) ® U²³⁹ — b ® Np²³⁹

U²³⁸ + 2n⁰ ® Np²³⁸ — b ® Pu²³⁸

Pu²³⁸ + (g,n) ® Pu²⁴⁰ + (g,n) ® Pu²⁴¹ — b ® Am²⁴¹

Наиболее широко распространенными естественными радиоактивными элементами в природе являются уран, торий и калий.

Так, изотоп К⁴⁰ обуславливает 40-45% существующей экспозиционной мощности b-излучения в природе. В природе присутствуют 3 основных изотопа калия: 2 стабильных - К³⁹ и К⁴¹ (93,2 % и 6,77 %), а также один К⁴⁰ (0,0118 %). b-излучатель К⁴⁰ с энергией 1,32 МэВ и периодом полураспада Т_1/2 = 1,28 · 10⁹ лет. В каждом граме природного калия содержится 27 Бк К⁴⁰, т.е. при пересчете на разные типы почв содержание К⁴⁰ в пахотном слое примерно составляет 0,7 - 5,8 Ku/км² (2,7-21,6 · 10¹⁰ Бк/км²). В процессе хозяйственной деятельности за счет стабильных изотопов потоки К⁴⁰ существенно увеличиваются. При средних нормах внесения калийных удобрений 60 кг/га в почву поступает К⁴⁰ примерно в количестве 1,35 · 10⁶ Бк/га.

Природный торий (Th) состоит из 6 радиоактивных изотопов, наиболее важный в радиологическом отношении Th²³². Т_1/2 Th²³² - 1,41 · 10¹⁰ лет, a - излучатель, E=3,98 МэВ. Среднее содержание Th²³² в почвах составляет 31,1 Бк/кг (0,24 - 400 Бк/кг). Источником загрязнения внешней среды Т²³² особенно сельскохозяйственных угодий являются фосфорные удобрения и продукты сжигания ископаемого органического топлива. Состояние и закрепление Th²³² в почвах определяется Ph почвы: при возрастании Ph от 0 до 8 содержание Th²³² в почвах увеличивается. Th²³² практически не сорбируется кремнеземом.

Уран (U). Природный U состоит из 3 радиоактивных изотопов: U²³⁸, U²³⁵, U²³⁴. Наиболее важным в радиологическом и токсикологическом отношении по химическим свойствам является U²³⁸, это a-излучатель с Т_1/2 - 4,5 · 10⁹ лет, Е = 4,18 МэВ. Содержание U²³⁸ в природной среде составляет 99, 28 %, U²³⁵ - 0,71 %, U²³⁴ - 0,006 %. Ведущим источником урана в биосфере является земная кора, в почвах примерно содержание урана составляет 25 Бк/кг. Источники урана в почвах: из топливных циклов, работающих на ядерном и ископаемом топливе, а также из фосфорных удобрений.

На долю Th²³² и продуктов его распада приходится около 35%, а на уран и продукты распада его изотопов - 20-25%.

Тритий (H³) - единственный радиоактивный изотоп водорода, Т_1/2 - 12,34 года, b-излучатель, Е=0,0186 МэВ. Образуется H³ в результате взаимодействия космических излучений (g - и n⁰ - излучения) с N, O, Ar в атмосфере, а также из стабильного изотопа водорода - дейтерия Н². В природе активность примерно составляет 10¹⁸ Бк , причем в мировом океане находится приблизительно 65 % природного , а на земной поверхности и в наземном биоте - 27 %. Антропогенный (искусственный) поступает в окружающую среду после испытаний ядерного и термоядерного оружия, общее количество , поступающего в стратосферу только при термоядерных взрывах до 1979 года, лежит в пределах 10 ²⁰ Бк. Около 99 % природного превращается в тритированную воду Н³НО. Поведение в почве описывается закономерностями поведения Н₂О и зависит от взаимодействия различных процессов переноса Н₂О.

Углерод. В природе рассеяно 2 стабильных изотопа углерода : C¹² (98,89 %) и С¹³ (1,108 %). Основной радиоактивный изотоп С¹⁴ - b-излучатель с Е = 156 кэв и Т_1/2 = 5330 лет. Поступает С¹⁴ из природных источников (космическое излучение) и от антропогенных процессов (ядерные взрывы, производство ядерной энергии, сжигание ископаемого топлива, использование меченных С¹⁴ препаратов). Общее количество космогенного С¹⁴ в биосфере оценивается в 8,5·10¹⁸ Бк. За счет ядерных взрывов с 1954 по 1980 гг в атмосферу поступила 2,2·10¹⁷ Бк С¹⁴. Предполагается, что глобальное поступление С¹⁴ вследствие работы АЭС у 2000 г составит около 10 % от вклада атомных бомб, или 0,3 % от уровня естественного С¹⁴. Миграция С¹⁴ в биосфере продолжается в виде С¹⁴О₂, в круговороте веществ биосферы участвует около 8,2 т/см² углерода. Из этого количества большая часть находится в виде растворенной углекислоты и карбонат-ионов.

Радий. Природный Ra имеет 4 основных радиоизотопа. Ra²²⁶ главный a-излучатель из семейства радия, Т_1/2 - 1622 года, Е= 4,8 - 4,6 МэВ. Содержание изотопов Ra в почвах зависит от щелочноземельных элементов в почвах (Са⁺⁺, Sr⁺⁺, B⁺⁺), торф уменьшает усвояемость Ra²²⁶ растениями. Высокая концентрация Ra (почечный яд) наблюдается в люминесцирующих красках (соли радия), используемых для циферблатов приборов, а также в богемском хрустале. Соли радия также используются в радиометрической и дозиметрической аппаратуре, 1 мг солей радия с фильтром из платины толщиной 0,5 мм на расстоянии 1 см создает мощность экспозиционной дозы, равной 8,4 Р/час, при норме равной 0,2 мР/час. Заводы измерительной аппаратуры, изготавливающие манометры, пользовались люминесцирующими светосоставами на основе солей радия, поэтому отходы от предприятий являются источниками ионизирующих излучений. Часть урана и его дочерних радионуклидов может выбрасываться с вентиляционными выбросами, сточными техническими водами, накапливаться в прудах отстойников.

Полоний. Полоний имеет 7 радиоизотопов, 6 короткоживущих и P²¹⁰ с Т_1/2 - 138,4 суток, a-излучатель, Е=5,29 МэВ. Много Р²¹⁰ в фосфорных удобрениях. P²¹⁰ хорошо накапливается в табаке, и при курении и при вдыхании табачного дыма оседает в тканях курильщиков. Частота заболеваний раком органов дыхания у курильщиков, выкуривающих более 20 сигарет в сутки, увеличивается в несколько раз. Табачный дым считается одним из самых опасных факторов риска заболевания раком. Радиоактивной резистентностью обладают только немногие живые существа. Так например, скорпионы выдерживают ионизирующую радиацию в эпицентре ядерных взрывов. Хитиновый покров скорпионов является лучшим материалом, защищающим организм от радиации.

Радон. Имеется 2 изотопа радона :Rn²²² - газообразный дочерний продукт Ra²²⁶, Т_1/2 - 3,825 суток, a-излучатель с Е=5,48 МэВ. В воздухе над поверхностью суши в среднем содержится 25,9 Бк/м³ Rn²²². Rn²²⁰ называют еще тороном, продукт распада радия из семейства тория, Т_1/2 - 54,5 с, a-излучатель, Е=6,28 МэВ. Радон образуется в почве и материнских радионуклидов, а также поступает в газообразной форме из подстилающих пород почвы. Как инертные газы изотопы радона мало вовлекаются в круговорот из почвы, но их роль как источников внешнего облучения человека и животных весьма значительная. Высокий уровень концентрации радона на территории Белоруссии отмечен в зоне Микашевичско-Житковичского горного карьера и в районе выступов украинского кристаллического щита, а также на западе республики в районах приграничных с Литвой. Концентрация радона в почвенном воздухе таких зон может достигать тысяч и десятков тысяч Бк/м³ при норме 33 Бк/м³. Использование природных материалов (щебень гранита, квасцы, фосфориты) в качестве строительных материалов, а также наполнителей бетонов, фосфогипсов, шлаков приводит к накоплению радона в помещениях. Так в Омске в качестве наполнителя бетона использовался гранитный щебень, добываемый в Северном Казахстане и содержал 7-20 г/т урана и 30-60 г/т тория. В результате в здании было g-излучение более чем 33 мкР/час при норме 9-10 мкР/час.