Для почвоведов 3-го курса по Радиоэкологии. Для повторения. 

Тема №1. Ведение. Современное состояние радиационной экологии.

Изучение последствий глобального антропогенного загрязнения биосферы и охрана окружающей среды находятся в ряду наиболее актуальных и насущных проблем современности. Негативными сторонами деятельности человека является изменение радиологической ситуации, повсеместное увеличение ионизирующей радиации, усиление потока мигрирующих естественных и искусственных радионуклидов, рост числа зон повышенного локального радиационного воздействия. Загрязнение радиоактивными веществами экосистем можно рассматривать как новый абиотический фактор среды обитания организмов, действующий на популяции и сообщества животных, с относительно неизменным значением на протяжении длительного времени

      Основателем радиационной экологии считается Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900 – 1981), который в 1955году впервые выявил воздействие радиационных факторов на расслоение (эволюционно-согласованных) внутри экосистемных межвидовых взаимодействий.

      Ионизирующее излучение является мутагенным и эволюционным фактором, поэтому вопросы их влияния на все проявления жизни занимает важное значение, среди проблем современного естествознания.

Возрастающее производство и использование радиоактивных элементов в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и биологии создают возможность непреднамеренного, случайного загрязнения биосферы радиоактивными продуктами. В промышленном производстве жидкие отходы со сравнительно невысоким содержанием радиоактивных веществ могут сбрасываться в замкнутые пресноводные водоемы – испарители (а иногда и в реки). Известны случаи промышленных выбросов радиоактивных веществ в атмосферу, в результате аварии реакторов, (Эйзенбад 1967, причина аварии на ЧАЭС при эксплуатации стало невозможным отключение системы блокировки. За 40 лет ядерных испытаний выбросы в атмосферу составили 12,5т,  а при аварии ЧАЭС около 15т радиоактивных веществ).

В настоящее время наблюдается резкое увеличение темпов использования атомной энергии во всем мире, показателем чего может служить строительство энергетических реакторов. Естественно, в такой же мере должна возрастать промышленность по добыче и переработке урана (U) и тория (Th), а вместе с тем количество радиоактивных отходов.

Расчет возможного радиоактивного загрязнения биосферы в результате расширения числа атомных электростанций  показывает, что их вклад в общее загрязнение биосферы незначителен, если не происходят аварии и другие катастрофы.

При работе атомных электростанций не происходит расходования О² необходимого для сжигания органического топлива, а следовательно не наблюдается непрерывного роста СО² в атмосфере, который может вызвать необратимые экологические последствия на земном шаре. Оценивая в общем современную радиационную обстановку на прилегающих АЭС и других предприятиях, ученые убедительно констатируют радиоэкологическое и радио-гигиеническое благополучие. Эти оптимистические данные не снимают серьезности радиоэкологических проблем, связанных с интенсификацией развития ядерной энергетики, так как бурное ее развитие в народном хозяйстве увеличивает вероятность возникновения случайных аварийных ситуаций, в результате которых могут образоваться локальное загрязнение суши и акватории с высоким уровнем искусственной радиоактивности. Искусственные радиоактивные элементы, выброшенные во внешнюю среду, активно включаются в разного рода природные пищевые цепи, благодаря чему могут концентрироваться в органах и тканях животных, населяющих естественные экосистемы.

Появление в экосистемах нового фактора внешней среды, небезразличного для популяции животных, может существенно изменить экологию организмов, подверженных постоянному воздействию ионизирующих излучений. Такие изменения влекут за собой существенные сдвиги в популяциях и сообществах животных, населяющих эти экосистемы (экосистема – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическое взаимодействие между ними (обмен веществ, энергии и др).

Различия действия этого фактора на популяции живых разных видов, обитающих в радиационной экосистеме, зависят не столько от плотного загрязнения, сколько от сезонных и видоспецифических особенностей экологии живых организмов и их поведения, распределения по ярусам в лесных экосистемах и периодичности контактов с загрязнителями. В этом основные отличия радиоактивного загрязнения от многих обычных факторов среды обитания организмов.

  Спецификой радиоэкологии животных является изучение взаимодействия популяции с радиоактивной средой, обеспечивающего возможности развития, выживания и созревания организмов, условия сформирования структуры и динамики популяций и зоосообществ. Причина стремительного роста радиоэкологической информации, связано с глобальным рассеянием искусственных радиоактивных элементов, усилением темпов включения искусственных радионуклидов (радионуклид – нуклид, ядро которого способно к радиоактивному распаду, нуклид – общее название атомных ядер, характеризующихся числом протонов в ядре z и числом нейтронов n)  в циклы химического круговорота радиоактивных веществ в биосфере, под влиянием деятельности человека, с одной стороны, и ее признанием значимости соматических и генетических изменений  у животных, под влиянием ионизирующих излучений, с другой.

Изучение реакций популяций животных находящихся в естественной среде обитания, на действие ионизирующей радиации, особенно при длительном обитании в радиационной экосистеме, представляет несомненный интерес в плане экологического нормирования содержания искусственных  радиоактивных элементов во внешней среде.

Особое положение в радиоэкологии животных занимает вопрос о возможности адаптации популяций высших организмов к хроническому ионизирующему облучению. Влияние ионизирующих излучений  на разные виды животных и скорость адаптации их популяции будут различны.

В настоящее время основные задачи радиоэкологии животных могут быть сформированы следующим образом.

1. Изучение реакции популяций на хроническое, ионизирующее облучение в процессе многолетнего развития в радиационной экосистеме.

2. Изучение отдаленных последствий влияние хронического облучения на популяцию.

3. Закономерности радиационного отбора и механизмы радиационной адаптации, способствующие выживанию и воспроизводству популяции в условиях радиоактивного загрязнения.

4. Изучение сопряженного влияния обычных факторов среды обитания, а также теплового и химического загрязнений на фоне воздействия, ионизирующей радиации на популяцию.

     В большинстве случаев радиоэкологические исследования проводятся на загрязнениях с низким уровнем глобальных выпадений радионуклидов из стратосферы, в редких случаях – на участках, экспериментально или случайно, загрязненных промышленными радиоактивными отходами.

Использование ионизирующих излучений прочно вошло в повседневную жизнь человека. Выход человека в космическое пространство также заставил столкнуться с потоками заряженных частиц, от которых ранее его защищали магнитное поле и озоновый экран нашей планеты.

Ионизирующие излучение – неотъемлемая часть окружающего нас мира, биосферы на всем протяжении ее существования. Естественный радиационный фон определяется наличием рассеянных в горных породах, почвах, воде и воздухе радиоактивных изотопов многих химических элементов, а также космическим излучением.

      За последние 40 лет уровни излучения во внешней среде увеличились: за счет поступления в биосферу дополнительных источников ионизирующих излучений – радиоактивных отходов от атомных электростанций и предприятий атомной промышленности, а главное от радиоактивных выпадений, после испытания атомного оружия.

Известны случаи, когда экологические факторы так воздействовали на перераспределение радионуклидов, что те накапливались в теле человека в повышенном количестве и вызывали заметные дозы облучения, хотя и не опасны для здоровья.

Особенности тундровой зоны является наличие простых экосистем, коротких пищевых цепей с участием лишайников, являющихся концентратами радионуклидов из воздуха и дождевой воды. Во многих местах лишайники зимой составляют основной корм оленей, а оленье мясо – пищу людей. Поэтому в организм человека попадает повышенное количество радионуклидов, особенно – цезия 137. Для периода 1955 – 1958гг общая доза радиации, полученная жителями северной Финляндии, а они в основном питаются олениной, превышала в десятки раз, но у жителей южных районов дозы облучения были в 40 раз меньше.

Изучение экосистемы всегда включало своей составной частью также и познание тех изменений которые вносит их в жизнь человек, в том числе и путем повышения фона ионизирующей радиации.

     Аварии на атомных станциях, вызвавшие утечку радиации, еще раз показали, что за всеми работами с использованием радиоактивных материалов, нужен постоянный и всесторонний контроль, в том числе и экологов.

      Многолетние экспертные исследования многих авторов позволили дать ответ на вопрос, по которому шли оживленные дискуссии в течение нескольких десятилетий: что должно быть объектом нормирования и первоочередной защиты в радиационной гигиене окружающей среды – человек или экосистемы?

Экосистемный подход к проблеме показал, что сама постановка проблемы является неверной: надежно защищая среду обитания человека от радиации, действительно можно обеспечить защиту его «соседей по экологической нише». Но в природе остается много других экологических ниш, не защищенных при таком подходе, жизнь в которых обеспечивает нормальное поддерживание функционирования биосферы, ее продуктивность, и в конечном счете существование и самого человека. Достаточно вспомнить о почвах и донных осадках пресноводных водоемов – средах аккумулирующих радионуклиды, и в тоже время наиболее насыщенных живыми микроорганизмами. Поэтому следует добиваться защиты и человека и живой природы, не противопоставляя, их друг другу.

           Радиоэкология во многом обогатила общую экологию, широким внедрением работ с радиоактивной «меткой» в исследованиях самого разного характера.

 

                     

Тема №2. Биологические механизмы воздействия ионизирующей радиации на организм. Виды ионизирующих излучений.

Ионизирующая радиация оказывает сильное биологическое воздействие, в связи с чем радиоэкология тесно связана с решением задач экологического мониторинга и нормирования. С экологической позиции – это разработка и научное обоснование способов биоиндикации антропогенных воздействий на природные экосистемы и составляющие их компоненты. Биоиндикация – это обнаружение и определение экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. Это относится и ко всем радиоактивным загрязнениям.

Многолетний опыт контроля, за состоянием окружающей среды, особенно водных ресурсов, показывает те преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

 а) – они в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать на относительно слабые нагрузки вследствие кумуляции (скопление) дозы.

б) – они суммируют действие всех без исключения биологически важных антропогенных факторов в окружающей среде и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения.

в) – исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды.

г) – фиксируют скорость, проходящих в окружающей среде изменений.

д) – вскрывает тенденции развития окружающей среды.

е) – указывают пути и место скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможности попадания их в пищу человека.

ж) – только биологические индикаторы позволяют судить о степени вредности веществ, для живой природы и человека, причем дают возможность контролировать их действия.

К критическим звеньям природных экологических систем, где происходит аккумуляция загрязняющих веществ, и создаются высокие дозовые нагрузки на биоту, относятся также лесные подстилки и тонкий верхний слой целинных трав, лишайниково-моховые сообщества. Здесь также возможны экологические нарушения при уровнях загрязнения, не создающих серьезных ограничений для населения других ярусов биосообществ.

Использование биогеоценотических показателей позволяет увеличить биоиндукционные исследования. Проблема экологического нормирования может решаться в первую очередь на принципах биогеоценологии.

Перспективным подходом в оценке состояния окружающей человека антропогенной среды, может служить контроль за биогенным круговоротом и продуктивностью. Интенсивность круговорота, запас доступных растениям биогенных элементов, особенно N и P, продуктивность экосистем достаточно объективно характеризует состояние биогеосообществ.

Большую потенциальную опасность представляет радиоактивное загрязнение земной поверхности  продуктами, образующимися при ядерном взрыве. Объектами радиоактивного загрязнения в этом случае могут оказаться не только населенные пункты и промышленные предприятия, но и сама природа.

Во время радиоактивного распада ядер испускаются альфа, бета, гамма  лучи, обладающие ионизирующей способностью. Облучаемая среда частично ионизируется поглощаемыми лучами. Эти лучи взаимодействуют с атомами облучаемого вещества, что приводит к возбуждению атомов и вырыванию отдельных электронов из электронных оболочек. В результате атом превращается в положительно заряженный ион (первичная ионизация). Выбитые электроны взаимодействуют со встречными атомами, вызывая вторичную ионизацию. Электроны, затрачивающие всю энергию, «прилипают» к нейтральным атомам, образуя отрицательно заряженные  ионы. Число пар ионов, создаваемых в веществе ионизирующими лучами на единицы длины пробега, называется удельной ионизацией.

Ионизирующая способность лучей неодинакова. Она наиболее высока у альфа – лучей, бета – лучи вызывают меньшую ионизацию вещества, гамма – лучи обладают самой низкой ионизационной способностью. Проникающая же способность наивысшая у гамма – лучей, а наименьшая у альфа – лучей. Высокой поглощаемой способностью обладает свинец (Рв), бетон и вода, которые чаще всего и используют для защиты от ионизирующих излучений.

Альфа лучи – это положительно заряженные частицы – ядра атомов гелия, движущиеся со скоростью 20000 км/с. При распаде ядра урана-238 испускается альфа – частицы и образуется ядро тория Th.

                                      238             4              234                                                            

                                     U        =     He    +     Th .

                                        92            2               90

Альфа частицы имеют большие размер, обладают большой энергией (4-9 – МЭВ), они вылетают из распавшегося ядра с огромной скоростью, пробегая в воздухе 8-9см и ионизируя его. В мягкую биологическую ткань, альфа-частицы проникают на глубину нескольких десятков микрон. Их можно остановить листком бумаги. Однако, замедляя движение и теряя свою энергию, они вызывают сильную ионизацию. Поэтому альфа-частицы особенно опасны при попадании внутрь организма.

Бета – излучение – это ионизирующее излучение, состоящее из электронов и позитронов, несущихся почти со скоростью света. Они возникают при  бета – распаде ядер. Размер этих частиц мал, длина их пробега в воздухе составляет несколько метров, а в ткани несколько сантиметров. Свою энергию они отдают на притяжении более длинного периода, чем альфа частицы, бета – частицы вызывают ожоги, а в ткань организма проникают на 1-2см.

Гамма – излучение (ионизирующее коротковолновое электромагнитное излучение) имеет различную природу. Прежде всего - это гамма излучение, испускаемое радионуклидами, при  альфа и бета распаде. Испускаемые кванты имеют строго определенную энергию,  зависящую от энергии возбужденных состояний ядер. При  гамма излучении, превращение элементов не происходит, поскольку заряд и масса ядра не меняются.

Гамма – излучение сходно со световым, оно проходит в воздухе большие расстояния со скоростью света и глубоко проникает в живые ткани, ионизируя их на протяжении длительного «следа» (длительный след или пробег – расстояние, пройденное ионизирующей частицей от места ее образования до места потери энергии движения. Действие гамма – лучей, зависит от их числа и энергии, а также от расстояния между организмом и источником излучения. Таким образом, наибольшей проникающей способностью обладают: гамма – лучи, а наименьшим альфа – лучи. Ионизирующая способность альфа – лучей очень высокая, а гамма – лучей низкая. Бета лучи занимают промежуточное положение. Поэтому радиоактивные вещества, испускающие альфа и бета частицы наиболее опасны при попадании внутрь организма. Гамма – лучи оказывают разрушающее действие при нахождении источника радиации как внутри организма, так и вне  его. Альфа, бета – лучи отклоняются в магнитном поле, а гамма – лучи – нет.

Существуют также другие типы излучений.

Рентгеновское излучение – имеет электромагнитную природу. Они возникают при торможении быстрых электронов мишенями из тяжелых металлов. Проникающая способность рентгеновских лучей особенно велика, а ионизирующие свойства минимальны. Рентгеновские лучи получают искусственно в рентгеновских трубках, электронных ускорителях. Они испускаются также космическими телами и некоторыми радионуклидами. Их используют в медицине, науке и других отраслях.

Космические лучи – различают первичные и вторичные. Первичные – это поток частиц высоких энергий, приходящих на землю из космоса и возникающих в процессе термоядерных реакций в недрах Солнца и звезд. Среди них преобладают протоны (ядра водорода (Н)) – около 85% и альфа частицы (ядра Не) около – 13%.

Первичные космические частицы, обладая огромной энергией и скоростью, взаимодействуют с ядрами атомов, составляющих атмосферу, и рождает вторичное излучение, состоящее из всех элементарных частиц (электрон, нейтрон, фотон, позитрон и др.). На высоте ниже 20км космические лучи почти полностью носят вторичный характер.

Элементарные частицы, составляющие вторичное космическое излучение, под действием магнитного поля Земли образуют вокруг нее 2  радиационных пояса – внешний и внутренний. На широте Экватора внешний пояс расположен на расстоянии 20-60 тыс.км, а внутренний 600-6000 км от поверхности Земли.

Ионизация (вызываемая космическими лучами) возрастает в направлении от экватора к полюсам, что является отклонением первично заряженных космических частиц магнитным полем Земли.

Космические лучи и ионизирующее излучение, испускаемыми природными,  радиоактивными веществами, содержащимися в воде, почве и горных породах, образуют фоновое излучение, к которому адаптирована, ныне существующая биота. В разных частях биосферы естественный фон различается в 2-3 раза. Например, в горах на высоте 3км он в 3 раза выше, чем на уровне моря. Однако есть районы, где радиационный фон превышает в десятки и сотни раз. Например, в Бразилии, к северу от  Сан-Паулу, есть возвышенность с уровнем радиационного фона в 800 раз выше среднего. Подобные районы есть в Индии(г.Коччи в штате Керала), Китае, Нигерии, Мадагаскаре, Австралии и других регионах. Повышенной радиационный фон в этих участках планеты обусловлен, выходом на поверхность горных пород, содержащих аномально высокое количество радионуклидов семейства U и Th.

Человек, флора и фауна этих районов в течение длительного времени приспособились к высокому естественному фону и никаких негативных отклонений в развитии живых организмов там не наблюдается.

Искусственная радиоактивность – это радиоактивность, добавленная к фону, и возникает она за счет техногенных факторов. Крупные аварии на ядерных установках приводят к местным или глобальным вспышкам радиационного фона. Во время Чернобыльской аварии радиационный фон в Киеве превышал естественный в десятки раз.

Нейтронное излучение – это крупные незаряженные частицы, которые сами по себе не вызывают ионизацию, но выбивая атомы из их стабильных состояний, создают наведенную радиоактивность в нерадиоактивных материалах или тканях организма. Нейтроны бывают быстрые и медленные. Быстрые нейтроны вызывают в 10, а медленные в 5 раз больше поражение, чем гамма лучи. Быстрые нейтроны эффективно замедляются водосодержащими веществами (вода, бетон, пластмасса). С этими излучениями можно встретиться вблизи атомных реакторов и в местах ядерных взрывов.    

  

Тема №3. Экологические особенности биологически значимых радионуклидов. Естественные и искусственные радиоизотопы и их влияние.

Популяции разных видов животных предпочитают определенные места обитания и занимают в экосистеме разные экологические ниши. Поэтому от характера распределения того или иного радионуклида на территории ландшафта или в экосистеме будет зависеть величина его поступления в популяции близких видов животных, обитающих в сходных условиях, но загрязненных неодинаково. Величина накопления радионуклидов в популяции животных может зависеть от размера их индивидуальных кормовых или охотничьих участков. Подвижность животных будет существенно влиять на степень их контакта с загрязненной территорией, особенно если последняя занимает небольшие участки местности. В этом отношении более высокие концентрации радионуклидов могут быть обнаружены у мелких оседлых животных, имеющих небольшие индивидуальные участки.

Основным механизмом распределения  глобальных радиоактивных выпадений на поверхность земного шара, является количество и характер выпадающих атмосферных осадков, а локальные радиоактивные выпадения определяются климатическими условиями. В месте катастрофы, можно ожидать различия в их распределении и аккумуляции популяциями животных.

  На суше загрязнение местности продуктами деления носит неравномерный характер, большое влияние оказывает особенности рельефа и разнообразие элементов ландшафта на пути движения радиоактивного облака.

Годовые дозы в организме человека, обусловленные естественными источниками излучения, в районах с нормальным фоном.

Источник.	Дозы, м3в/год.
	Внешнее облучение	Внутреннее облучение	Итого
Космические лучи: Ионизирующий компонент Нейтронный компонент Космогенные радионуклиды. Первичные радионуклиды: Калий – 40 Рубидий – 87 Нуклиды семейства  урана – 238. Нуклиды семейства  тория – 232.	0,28 0,02 0,12 - 0,09 0,14	- - 0,015 0,18 0,006 0,95 0,19	0,28 0,02      0,015 0,30          0,006 1,04 0,33
Всего	~0,65	~1,34	~2,0

    Поскольку содержание естественных радионуклидов в почвах в основном наследуется  от почвообразующих пород, и наибольшее содержание радионуклидов отмечается в почвах, развитых на кислых изверженных породах или на глинистых и сланцевых отложениях осадочных пород. Определенную роль в накоплении радионуклидов в почве играют и почвообразовательные процессы.

В некоторых фосфорсодержащих породах осадочного происхождения, служивших сырьем для минеральных удобрений, содержание радиоактивных элементов U (урана), Th (тория), Ra (радий) значительно выше других значений. Ежегодное внесение таких удобрений может привести к заметному повышению их в почве.

Значительные количества тяжелых естественных радиоактивных элементов попадает на почву в составе летучей каменноугольной золы, выбрасываемой ТЭС.

Радиоактивные отходы включают естественные радиоактивные элементы (продукты переработки урановых руд), продукты деления тяжелых ядер и нуклиды, образующиеся при взаимодействии с ядрами стабильных элементов в активной зоне реактора или при переработке  отработанного ядерного топлива.

Характеристика важнейших радионуклидов в выпадениях продуктов ядерных испытаний (по Тихомирову, 1972г),    Бк – беккерель, Кюри – Ки = 3,7х10  Бк.

Радионуклид	Период полураспада	Количество активности от наземного взрыва мощностью 1Мт (деление)
		Через месяц		Через год
		Бк	% общей активно сти.	Бк	%общей активно сти.
Продукты деления
89Sr	51 день	4,1х1016	4,7	4,8х1014	1,3
90Sr	28лет	3,7х1014	0,04	3,7х1014	1,0
91Y        (итрий)	58 дней	4,8х1016	5,7	8,9х1014	2,5
95Zr	65 дней	5,5х1016	5,6	1,6х1014	4,3
106Ru	1 год	1,04х1016	1,2	5,2х1015	14
131I	8 дней	2,3х1016	2,7	0,0	0
137Cs	30 лет	5,9х1014	0,07	5,9х1014	1,6
144Cе (церий)	285 дней	1,3х1016	1,5	5,9х1015	16
247Pm (прометий)	2,6 лет	1,5х1015	0,2	1,1х1015	3,0
Наведенные
45Ca	153 дня	8,6х1014	0,12	2,2х1014	0,6
55Fe	3 года	3,7х1014	0,04	3,3х1014	0,9
14C	5570 лет	1,1х1014	0,01	1,1х1014	0,3

Все эти радионуклиды поднимаются в атмосферу на высоту до 30км, переносятся воздушными потоками, постепенно оседая на почвенно-растительный покров.

В глобальных выпадениях преобладают долгоживущие радионуклиды с периодами полураспада несколько месяцев и более H, C, Sr, Zr, Ru, Cs, Ce, Pm, Y, Pu и их дочерние продукты – Y, Nb, Rh, Pr и др. Через несколько месяцев в состав выпадающей радиоактивной смеси остаются лишь долгоживущие нуклиды, из которых биологически опасны 90Sr (Т_1/2=28 лет), 137Cs(Т_1/2=30 лет) и14C(Т_1/2=5570 лет) так как они вовлекаются в биогенный круговорот элементов, накапливаясь в тканях растений и животных.

Встречающиеся в природе радиоактивные элементы принято называть естественными. Большинство из них тяжелые металлы от 81 – 96 номерами.

Тяжелые естественные радиоизотопы образуют 4 радиоактивных семейства:

1. Урано-радия.

2. Тория.

3. Актиний.

4. Нептуний.

Самый большой полураспад у тория (14млрд.лет).Естественные радиоактивные семейства обладают рядом общих особенностей, которые заключаются в следующем:

1. Родоначальники каждого семейства характеризуются большими периодами полураспада, находящимися в пределах 10⁸ – 10¹⁰ лет.

2. Каждое семейство имеет в середине цепи превращающий изотоп элемента, относящихся к группе благородных газов (эманацию) – (истечение) – промежуточный газообразный продукт распада радиоактивных веществ Ra, Ac и Th.

3. За радиоактивными газами следуют твердые короткоживущие элементы.

4.Короткоживущие ядра семейств испытывают конкурирующие альфа и бета распад, тем самым, образуя разветвления рядов.

5. Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца, с массовыми числами 206, 208, и 207, соответственно для уранового, ториевого и актиниевого семейств.

Характеристика важнейших радиоизотопов.

U – химический элемент с порядковым номером 92. Имеет 3 изотопа 238U,235U и  234U распространены в руде 99,28%, 0,71%, 0,006% соответственно. Это серебристо-белый металл, открыт в 1789 году Клапротом. По внешнему виду напоминает железо. Он окисляется в воздухе до самого воспламенения и горит ярким пламенем. Плотность 19г/см³, температура плавления 1133 градусов по Цельсию, содержится в горной породе, почве и воде.

Ядро U-235 кроме спонтанного распада, способен делится, при захвате нейтрона с колосальным освобождением энергии, поэтому и является одним из ядерных горючих.

Th(торий) – химический элемент с порядковым номером 90. Это светло-серый металл с плотностью 11,72г/см³ и температурой плавления 1750 градусов по Цельсию, открыт Берцелиусом 1828году. Он имеет 6 изотопов, из которых долгоживущих только 2:  Th – 232(T=1,39х10¹⁰ лет ) и Th – 230      (Т=8х10⁴ лет ).

Скорость распада Th очень мала. За 14млрд. лет количество атомов тория уменьшилось только в два раза. Основными источниками тория служат пески содержащие минерал монацит – (Ce, La, Nd, Th)Po₄. Особенно богаты монацитом морские россыпи. Промышленное значение имеет минерал торит – ThSiO₄.

Ac (актиний) – химический элемент с порядковым номером 89. Серебристо-белый металл с температурой плавления 1050 градусов по Цельсию, имеющий 2 изотопа: актиний и мезоторий. Ас, претерпевая альфа и бета распад, образует одно из разветвленного ряда актиния. В основном он является бета излучателем, встречается в рудах урана и тория.

Ra (радий) – химический элемент под номером 88. Серебристо-белый металл с плотностью 6г/см₃ и температурой плавления 700 градусов по Цельсию, открыт Кюри в начале 20-го века. Имеет 4 изотопа: Радий 226(Т=1590 лет), мезаторий (Т-6,7 года), актиний 223(Т=11,4сут) и торий 224(Т=3,64 сут).

В результате распада альфа распада радия – 226, сопровождаемое гамма излучением, образуется радиоактивный газ радон (эманация). В закрытом сосуде он через 40 дней приходит в состав радиоактивного равновесия с Ra, находящимся в сосуде. После этого можно использовать в качестве эталонного источника гамма излучения. Добывается радий из урановых руд и широко применяется в медицине для лучевой терапии.

Rn (радон) – химический элемент под номером 86. Это радиоактивный газ, обладает альфа активностью и других излучений не имеет, используется в медицине.

At (астат) – химический элемент из группы галогенов под номером 85. Это единственный галоген, не имеющий изотопов. Все 4 изотопа астата радиоактивны. В незначительных количествах At входят во все 3 естественные радиоактивные семейства. Его изотопы альфа активны, часть At претерпевает и бета распад.

Ро (полоний) – химический элемент с номером 84. Это мягкий серебристо-белый металл с плотностью 9,3 г/см₃ и температурой 254 градусов Цельсия. Полоний имеет 8 радиоактивных изотопов и является чистым альфа излучателем, что позволяет его использовать в лабораторных исследованиях.

Рв (свинец) – химический элемент с номером 82 – это синевато-серый мягкий ковкий металл с плотностью 11,34 г/см₃ и температурой плавления 327,4 градуса Цельсия, химически стойкий и имеет 3 устойчивых изотопа, которые не радиоактивны, но всегда присутствует в радиоактивных рудах и 4 радиоактивных изотопа которые распадаются путем бета излучения. Из свинца получают стандартные источники альфа и бета излучений.

Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные семейства: Калий-40, рубидий-87, самарий-147, углерод-14, лютенций-176, и рений-187. Радиоактивный распад ядер этих элементов – это изолированный акт то есть после распада образуется устойчивый дочерний изотоп.

Все ядра подвержены бета распаду, за исключением самария , который претерпевает альфа распад. Наибольший интерес представляет Калий-40. Природный калий представляет 3 изотопа: кали-39, калий-40, и калий-41, из которых калий-40 радиоактивен. Особое место занимает и углерод. Природный углерод состоит из 2-х стабильных изотопов, среди которых преобладает С-12(98,89%),остальная часть приходится на С-13(1,11%).

Искусственные радиоактивные изотопы.

В эту группу входят продукты деления ядерного материала, используемого при атомных взрывах и управляемых ядерных реакциях. Искусственные радионуклиды легко включаются в пищевые цепи  и накапливаются в живых организмах таблица №1.

К наиболее опасным искусственным радионуклидам, являющимися продуктами распада урана, относится Cs-137 и Sr-90. Источником поступления их во внешнюю среду являются аварийные выбросы и утечки из атомных реакторов, хранилищ и могильников РАО, заводов ядерного цикла и конечно ядерные взрывы таблица №2.

Цезий по химическим свойствам похож на калий, растворяется в воде. В организме размещается в мягких тканях и селезенке, легко выводится из организма.

Стронций по химическим свойствам похож на кальций. В организме его функция сводится к активному участию в строительстве и обновлении костных тканей, поэтому он накапливается в костях и очень медленно выводится, становясь, источником внутреннего облучения стволовых клеток красного костного мозга бета частицами.

Плутоний серебристо-белый металл с плотностью 19,8г/см3и температурой плавления 600 градусов по Цельсию. Его искусственно получают в атомных реакторах. Является важнейшим ядерным горючим. В природе в малых количествах встречается другой радиоизотоп плутония – плутоний 244 с периодом полураспада 7,5х10  лет.

Йод – имеет 3 радиоактивных изотопа I-131, I-133, I-135. Наиболее опасен I-131, являющийся источником бета и гамма излучений.  В первый момент после атомного взрыва на I-131 приходится 40-50% суммарной активности. Он накапливается в щитовидной железе и является серьезным источником внутреннего облучения организма.

            

Тема №4. Естественный и антропогенный радиационный        фон Земли.

Естественный радиационный фон складывается из излучений рассеянных в почве, воде, воздухе радионуклидов, возраст которых совпадает с возрастом планеты. К таким радиационным относятся: 40К, 238U,232Th и продукты распада тория и урана, радон (219-282Rn), радия (226Ra). Первичным геологическим источником большинства радионуклидов являются верхние слои литосферы (граниты, сланцы, песчаники и др.), постоянное преобразование которых под воздействием микрофлоры почв, воды воздуха, перепадов температур ведет к миграции излучателей в почву, растительность, живой мир.

Первичные источники основных радионуклидов естественного радиационного фона.

Порода литосферы и тип почв.	Концентрация п Ки/г (пико Кюри в граммах).
	40К	238U	232Th
1.Граниты. 2.Сланцы. 3. Песчаники. 4. Известняки. 5. Сероземы. 6. Черноземы. 7. Серые лесные. 8. Подзолистые Ср.данные по литосфере. Колебания.	27 19 10 2,4 18 11 10 4,0 10,  (0,37) 3-20   (0,01-0,74)	1,6 1,2 0,5 0,75 0,85 0,58 0,48 0,24     0,7(0,026) 0,3-1,4   (0,07-0,054)	2,2 1,2 0,3 0,19 1,3 0,97 0,72 0,33 0,7(0,026) 0,2-1,3 (0,007-0,054

Ведущим радионуклидом фона является 40К. Наибольшее биологическое значение природного калия в его смеси с излучателями заключается в обеспечении функций мембран клеток.

Поступая с продуктами питания и водой, элемент всасывается практически полностью. Основными накопителями 40к в организме является – эритроциты, головной мозг, мышечные ткани, печень, легкие, кости.

U – встречается в минералах (уранит, кариотит). Суточные поступления в организм от 1-10мкг, достигает до300мкг. Содержание U в мягких тканях человека на территориях с нормальным радиационным фоном Земли незначительно и составляет 0,33-0,99фКи/г и 0,7- 8,9фКи/г в костях. Дозы излучений, поглощенные тканями равны в среднем 8,0мкГр(0,03-0,8мрад)/год.

 Поведение Ra в организме сходно с миграцией и накоплением Са. Наибольшее содержание Ra, поступающие в организм человека с продуктами питания, пКи/г: с куриными яйцами – 91, с картофелем – до 110, с мясом домашней птицы – до 15.

Данные о мощности радиоактивного воздействия космического происхождения:

Высота над уровнем    

моря, км                                   0            3               5               10

Мощность космического      

излучения мбэр/год

на широте

0 град (экватор)                      34        170             400         1400

30 град                                     40         220             580         2300

50град                                      50         300             800         4500

Очевиден резкий рост радиационного фактора с подъемом на высоту, в том числе и на высоту адаптированных районов планеты. Существенный вклад в дозу внешнего облучения вносят строительные материалы жилищ, стены и крыши, которые являются эффективными экранами космического излучения.

Антропогенные вмешательства в состав естественного радиационного фона:

- искусственная (глобальная) концентрация и перераспределение естественных радионуклидов.

- загрязнение среды экологически новейшими, радиоактивными метаболитами ядерно-энергетического происхождения.

- производство и использование искусственных радионуклидов и других источников ионизирующих излучений в науке, медицине, промышленности.

Искусственная концентрация фоновых радионуклидов при добыче и сжигании топлива, переработке руд, производстве и использовании строительных материалов резко меняет распределение радиоактивной среды (ТЭС). На планете ежегодно сжигается 3700Мт угля, что вносит около 0,02% в естественные лучевые нагрузки на население планеты в целом при преимущественном облучении жителей городов средних и северных широт. Сжигание жидких (углеводородных) топлив в двигателе внутреннего сгорания значительно дополняет аэрозольный состав воздуха городов 14С, 40К.

Суммарные популяционные дозы воздействия на население.

Воздействия                       твердые и                     фосфат

                                           жидкие топлива              удобрения

Годовая

эквивалентная

доза

индивидуальная, МБЭР                0,02                         0,04 

популяционная,  3в чел                2000                        1950

Наиболее великая здесь радиационная агрессивность нитрофосфата, фосфата аммония, фосфоритной муки, активность которых превышает 50Бк/кг при максимальном участии в формировании доз от альфа излучателей, радионуклидов с максимальной биологической эффективностью.

К собственно антропогенным экологически новейшим излучателям относятся радионуклиды ядерно-энергетического происхождения. Основным источником явились испытания ядерного оружия, послужившие причиной относительно неравномерного рассеивания радионуклидов. На Земном шаре с 1945-1995год – общее число ядерных взрывов – 2059, в том числе в атмосфере – 508. В США соответственно 1085 и 205, Россия (СССР) – 715 и 215. Франция 182 взрыва(45 в атмосфере). Великобритания и Китай – соответственно 42 и 35(21 и 22 в атмосфере).

«2-е место занимает ядерные реакторы энергетического назначения (АЭС), вырабатывающие до 30% электроэнергии мира. В настоящее время более – 500 АЭС, из которых 163 в странах Западной Европы, 121 в США и 45 в России.

Основными долгоживущими радионуклидами от радиоактивных загрязнений ядерно-энергетического происхождения, являются цезий(137Cs), стронций(90Sr) и крайне незначительно плутоний(239Pu  и 240Pn). Скорость их распада значительно ниже скорости накопления их в среде.

Уровни накопления 90Sr и 137Cs мКи/км₂ в почве Северного полушария вследствие выпадений из атмосферы.

радионуклид	год
	1958	1963	1968	1973
90Sr 137Cs	6,67(250)    10,7(396)	29,5(1100)     47,2(1750)	37,2(1400)    56,3(2100)	35,2(1200)  56,3(2100)

Цезий (137Cs) – блестящий золотистый мягкий металл, бурно взаимодействующий, взрываясь, с кислородом и водой, по химическому составу близкий к калию. Содержание стабильного изотопа ((Изотоп – разновидность химических элементов ядра атомов, которых отличаются количеством нейтронов)  (133Cs)) в среде крайне незначительно.

Наибольшее радиационно-экологическое значение имеет 137Cs суммарный выброс которого от АЭС мира в 2000году составил 22,2х10¹⁹   Бк(6,0х10⁹Ки) в год. Во время аварии на ЧАЭС выброс этого изотопа составил 22,9х10²   Ки. Он образуется при делении ядер урана, плутония в ядерных реакторах, при ядерных взрывах; используется как гамма излучатель в медицине, металлургии, сельском хозяйстве. В настоящее время(в малых дозах) обнаруживается во всех объектах внешней среды.

Стронций(90Sr) – серебристый кальциеподобный металл, покрытый оксидной оболочкой, плохо вступает в реакции, включаясь в метаболизм экосистем по мере формирования сложных Са-Fe-Al-Sr – комплексов. Естественное содержание стабильного изотопа в почве, костных тканях, среде достигает 3,7х10^-2 %, в морской воде, мышечных тканях 7,6х10^-4 %. Биологические функции не выявлены; нетоксичен, может замещать Са. Радиоактивный изотоп в среде отсутствует. Источники поступления в среду, те же что и у стронция.

Плутоний (239(240)Рu) – серебристый белый металл, образующий твердые нерастворимые оксиды; относится к редкоземельным элементам, является альфа, бета, гамма – излучателем. Используется как компактный источник энергии в производстве ядерных вооружений (ядерное топливо) и в среде радионуклидов ядерного происхождения приходится не более 1%. До 10% плутония может переходить в водорастворимые формы, мигрируя в последующим по биологическим цепочкам.

Нептуний(212-235Np), амерций(237Am), кюрий(238-250Cm) – это близкие по спектрам излучений, физическим характеристикам радионуклиды. Они белые серебристые металлы, в природе не встречаются, относятся к разряду трансурановых элементов актиноидов, подвержены воздействию воздуха, воды, но не щелочей, на воздухе устойчивы, стабильных изотопов и их среде не обнаружено, являются альфа, бета, гамма излучателем. Изотопы получают в ядерном реакторе, выход в среду при загрязнении от аварий на АЭС незначителен. В организм из желудочно-кишечного тракта всасывается плохо. Характер миграции не исследован. Методом депонирования является скелет, наиболее подвергшийся, красный костный мозг, печень и почки. В отличии от Np и Cm, Am хорошо растворим и более подвижен в экосистемах, в организме.

Йод (131(129)) – неметалл черного с блеском цвета. Легко возгорается. I образуется в литосфере при спонтанном делении U. Биологически активен, является обязательным микроэлементом, необходимым для синтеза гормонов щитовидной железы. Необходимое поступление с пищей 0,1-0,2мг. Основным антропогенным изотопом является 131I образующийся при ядерных взрывах, авариях АЭС, авариях реакторов. При поступлении в организм через желудочно-кишечный тракт всасывается 100% изотопа с последующем скоплении его в щитовидной железе, особенно у детей, превышая дозы на щитовидную железу взрослого в 2-10 раз.

Мощными излучателями являются экраны телевизоров, дисплеи компьютеров. Таки образом, радиационная нагрузка на природную среду нашей планеты, и в том числе на организм человека, может быть обусловлена как рядом естественных природных факторов, так и антропогенных изменений среды обитания в результате деятельности человеческой популяции.