Характеристика радіонуклідів

Природний радіаційний фон

Звичайно, рівень радіоактивності гірських порід і ґрунтів, що зумовлюють природний радіаційний фон, варіює у досить широких межах. Це пов'язано з рівнем деструкційних процесів, сорбційними властивостями порід та ґрунтів, розчиненням, вимиванням та перенесенням радіоактивних ізотопів водою і так далі

Природна радіоактивність вод також залежить від ряду факторів: місця їх знаходження, хімічного складу оточуючих порід, кліматичних умов тощо. Як правило, підвищення радіоактивності води за рахунок ⁴⁰К, ²³⁸U та ²²⁶Ra зростає з підвищенням ступеня її мінералізації.

Радіоактивність повітря зумовлюють переважно ізотопи ¹⁴С, ³Н, ²²²Rn і ²²⁰Th, що в свою чергу визначається, насамперед, інтенсивністю космічного випромінювання та рядом інших причин. У середньому ж вважають, що радіоактивність води і повітря на 2 -4 порядки нижча, ніж гірських порід та ґрунтів.

Радіоактивність живих організмів зумовлена в основному ⁴⁰К. Середні рівні природної радіоактивності у продуктах харчування і навколишньому середовищі також коливаються в значних межах: молоко - 50 Бк/л, риба - 50Бк/кг, картопля - 100 -150 Бк/кг, морська вода - 2000 Бк/м³. При цьому споживання людиною з їжею ^І4С досягає 100 Бк/день і ⁴⁰К - 100 Бк/день.

Внесок природних джерел у сумарну дозу опромінення приблизно такий: космос (на рівні моря)1 - 15%, земля (ґрунт, вода, будівельні матеріали) - 69, радіоактивні елементи в тканинах людини -15, інші джерела -1%. На висоті 6100м інтенсивність іонізації повітря в 10-20 разів вища, ніж на рівні моря.

Вважається що більшу частину опромінення від природного радіоактивного фону - 5/6 річної ефективної еквівалентної дози, людина одержує за рахунок земних джерел. Це в основному внутрішнє опромінення. Решта дози - це зовнішнє опромінення переважно за рахунок космічних променів. Ефективна еквівалентна доза від космічного випромінювання - 300 мкЗв/рік, або 0,3 мЗв/рік (на рівні моря).

За даними Наукового комітету Організації Об'єднаних Націй щодо дії атомної радіації (НКДР ООН), середня ефективна еквівалентна доза зовнішнього опромінення, яку людина одержує протягом року від природних джерел, становить 0,35 мЗв, або 2,4 бера за життя. Це дещо більше, ніж середня індивідуальна доза від космічного випромінювання на рівні моря.

Приблизно 2/3 ефективної еквівалентної дози внутрішнього опромінення, яку людина одержує від природних радіоактивних джерел, зумовлюється радіоактивними речовинами, що надходять в організм із їжею, водою та повітрям. Незначна частина цієї дози припадає на космогенні радіонукліди - ¹⁴С та ³Н. Основна ж частка такої дози - до 180 мкЗв/рік - припадає на ⁴⁰К, який засвоюється організмом разом з іншими стабільними ізотопами калію, що є необхідним для життя. Значною мірою дозу внутрішнього опромінення формують радіоактивні ізотопи ряду урану ²³⁸U і меншою - торію ²³²Th.

Індивідуальні дози опромінення навіть у межах однієї країни можуть значно відрізнятися. Найвагоміший внесок у дозу опромінення від природних джерел забезпечує радіоактивний газ радон. З інших джерел природного радіаційного фону слід виділити кам'яне вугілля. З одного боку, вміст радіонуклідів у вугіллі коливається в значних межах, а з другого - він є нижчим, ніж у земній корі. Але в результаті спалювання більша частина його мінеральних компонентів спікається у шлак або золу, де переважно й зосереджені радіонукліди. І хоча основна частина цієї золи та шлак залишаються на дні топки, легкий зольний пил все ж надходить в атмосферу в обсягах, які залежать від ефективності роботи очисних споруд.

Додаткове джерело опромінення людини - це й будівельні матеріали як природного, так і промислового походження. Зокрема, їхня активність за ⁴⁰К може досягати 1500 Бк/кг (граніт), за ²²⁶Ra - близько 2000 Бк/кг (шлак силікату кальцію), за ²³²Тh - до 230 Бк/кг (цегла).

Зазнає додаткового дозового навантаження людини також під час польотів у літаку. Потужність дози опромінення при цьому залежатиме від висоти польоту, частково - від географічної широти та активності Сонця. При трансатлантичному перельоті додаткова доза опромінення становить 40-50мкЗв

Підраховано, що за 70 років життя за рахунок природного радіаційного фону людина одержує дозу в 0,1-0,15 Гр. Негативної дії на організм людини (дорослої та дитини) при цьому не встановлено. Сучасні методи медичного обстеження дають змогу виявити ознаки радіаційного ураження організму при дозах гострого рентгенівського або гамма - випромінювання в 0,1-0,25Гр. При хронічному опроміненні ці дози можуть бути у кілька разів вищими.

Таблиця. Властивості радіоактивного природного випромінювання

Тип	Склад випромінювання	Іонізуюча здатність	Проникаюча здатність
a	Іони Не++	Дуже висока	Низька. Захист: 0,1 мм води, лист папера
b	Електрони	Висока	Висока. Захист: шар алюмінію до 0,5 мм.
g	Електромагнітне випромінювання	Низька	Дуже висока. Захист: шар свинцю до декількох см.

 

Характеристика радіонуклідів

У земній корі виявлено 340 ізотопів хімічних елементів, що мають радіоактивні ядра (з них близько 70 належать до важких елементів). Усі елементи з атомним номером вищим за 80 є радіоактивними. Виділяють три групи радіонуклідів, що містяться в земній корі:

Ø радіоактивні елементи, поява яких зумовлена ядерними реакціями із зарядженими частинками космічних променів - космогенні природні радіонукліди;

Ø радіонукліди, походження яких не пов’язане з важкими радіоактивними елементами, - поодинокі природні радіонукліди;

Ø радіонукліди, що входять до радіоактивних сімейств.

Космогенні радіонукліди виникають унаслідок ядерних реакцій між ядрами елементів земного походження й частинками космічних променів. Оскільки в земній корі космічні промені швидко поглинаються, найбільше цих природних радіонуклідів міститься в атмосфері й верхніх шарах земної кори.

Таблиця 1. Характеристика космогенних природних радіонуклідів, що виявляються в природних тілах

Радіонуклід	Період напіврозпаду	Концентрація в тропосфері, Бк/кг
3Н 7Ве 10Ве 14С 22Na 32P 33P 35S 36Cl	12 років 53 доби 1,6*106 років 5730» 2,6  » 14 діб 24» 28» 3,1*105 років	1,2*10-3 1,0*10-2 1,2*10-9 1,3*10-1 1,0*10-6 2,3*10-4 1,6*10-4 1,3*10-4 2,5*10-10

2. До поодиноких природних радіонуклідів належить досить багато радіоізотопів різних хімічних елементів із масовими числами від 40 до 190. Більшість елементів із такими масовими числами мають по кілька ізотопів, і деякі з них є радіоактивними. Внаслідок біогеохімічних або геохімічних перетворень елементів з указаними значеннями масових чисел їхній ізотопний склад практично не змінюється. Зрозуміло, періоди напіврозпаду поодиноких радіонуклідів дуже великі, бо інакше за час існування Землі вони мали б практично повністю розпастися.

3. Важкі природні радіоактивні елементи відрізняються від поодиноких радіонуклідів тим, що вони пов’язані між собою як продукти послідовних радіоактивних перетворень у трьох групах елементів, що дістали назву радіоактивних сімейств. Практичне значення в природі мають три радіоактивні сімейства: урану – радію, родоначальником якого є ²³⁸U, актиноурану (²³⁵U), що розпочинається від цього ізотопу урану, й торію, родоначальником якого є радіонуклід ²³²Th.

Таблиця 2. Характеристика поодиноких радіонуклідів земного походження

Радіонуклід	Період напіврозпаду, роки	Питома активність елемента, Бк/л
40K 50V 87Rb 115In 123Te 138La 142Ce 144Nd 146Sm 147Sm 148Sm 152Gd 156Dy 174Hf 176Lu 180Ta 187Re 190Pt	1,26*109 6,0*1015 4,8*1010 6,0*1014 1,2*1013 1,12*1011 >5,0*1016 2,4*1015 >1,0*1015 1,05*1011 >2,0*1014 1,1*1014 >1,0*1018 2,0*1015 2,2*1010 >1,0*1012 4,3*1010 6,9*1011	31,6 1,1*10-4 8,9*102 0,18 0,08 0,77 0,9*10-2 0,92*10-2 129,5 5,07*10-2 1,22*10-2 1,6*10-3 4,4*10-8 6,2*10-5 88,8 0,9*10-2 1036 1,3*10-2

 

Біогеохімічні властивості важких природних радіоактивних елементів визначаються фізико-хімічними особливостями цих елементів та середовищ їх міграції. Радіоактивна рівновага в межах сімейств радіоактивних елементів не зберігається, якщо різні швидкості їх міграції. У біосфері радіонукліди важких елементів містяться в будь-яких природних матеріалах у розсіяному стані. В ґрунтах важкі природні радіоактивні ізотопи можуть міститися в кристалічних гратках алюмосилікатних мінеральних частинок, у формі розчинних у воді основ, у вигляді іонів і молекул, адсорбованих органічними й глинистими колоїдами, а також у формі окисних та інших важкорозчинних сполук. Лише в деяких із цих форм радіонукліди доступні для живих організмів, зокрема рослин, а відтак, здатні до біохімічної міграції. Співвідношення між доступними й малодоступними формами радіонуклідів важких природних елементів істотно залежить від типу ґрунту, кислотності ґрунтового розчину, обмінної ємності та деяких інших властивостей ґрунтів.

Середні значення коефіцієнтів нагромадження важких радіоактивних елементів у рослинах здебільшого доволі низькі – порядку 10^-3, проте іноді спостерігаються й істотні коливання їх у межах (0,01…60)10^-3.

Характеристика елементів

Уран дуже поширений у земній корі й міститься в будь-яких породах і ґрунтах. Цей елемент входить до складу мінералів і утворює рудні родовища. Уран належить до водних мігрантів. У ґрунтових розчинах і в природних водах він міститься в 4- та 6-валентних формах, існуючи у вигляді іона уранілу (UO⁺₂), який утворює комплексні сполуки з аніонами неорганічних та органічних кислот. Уран, потрапивши з продуктами харчування в організм людини, відкладається в кістках. У кістяку дорослої людини міститься близько 25 мгк урану, що еквівалентно 0,3 Бк. Відповідно до цієї концентрації урану на кісткову тканину припадає доза порядку 10 мкГр.

Торій також є водним мігрантом. У природі цей елемент міститься в 4-валентній формі. Він також утворює рудні родовища, найчастіше пов’язані з пегматитовими жилами в гранітах, де оксид торію представлений домішкою до фосфатних мінералів рідкісноземельних елементів – монацитів.

Радій – 226 виявляється в будь-яких гірських породах, ґрунтах і природних водах. Дещо підвищений його вміст у вулканічних породах і в ґрунтах, які розвинулися на породах, збагачених цим радіонуклідом. За своїми хімічними властивостями радій подібний до кальцію, й тому подібні їхні поведінка в ґрунтах і участь у мінеральному живленні рослин. Це зумовлює наявність радію в продуктах харчування людини. Деякі рослини характеризуються здатністю нагромаджувати радій у підвищених концентраціях.

Найвагомішим радіонуклідом щодо дозоутворення найчастіше буває дочірній продукт ²²⁶Ra – ²²²Rn. Радон і торон дифундують із ґрунту в атмосферу. Навесні, внаслідок розморожування шару ґрунту, часом спостерігається вихід у атмосферу значних активностей радону, який нагромадився за зиму.

В приміщеннях будівель, споруджених із матеріалів, що мають підвищений уміст радію, концентрація радону може досягати небажано високих значень. Розпад радіонукліда ²²²Rn супроводжується появою низки коротко існуючих ізотопів, які в ході радіоактивних перетворень випромінюють -частинки. Ці дочірні радіонукліди адсорбуються пиловими частинками, котрі в такий спосіб стають носіями радіоактивності й, потрапляючи під час дихання в організм, зумовлюють формування інгаляційної дози. В організмі людини 80% радію міститься в кістках. Середня активність радію в тілі становить 0,85 Бк, хоча буває й вищою (до 3,7 Бк у кістяку).

Природні радіоактивні елементи у своїй сукупності створюють поле іонізуючих випромінювань, що діє в будь-якому місці планети оскільки в різних місцях Землі концентрації природних радіоактивних елементів неоднакові, значення загальної щорічної еквівалентної дози можуть істотно відрізнятися.

Серед природних джерел опромінення виділяють керовану й некеровану компоненти, тобто ті, на які можна впливати, й ті, вплив яких обмежити неможливо.

Якщо на території, де близько до поверхні залягають збагачені важкими радіоактивними речовинами породи, рівень опромінення істотно перевищує середнє значення потужності дози, властивої нерадіоактивним провінціям, то є підстави очікувати на певні радіобіологічні ефекти. Такі території називають природними радіоекологічними аномаліями. Натомість, якщо підвищення потужності експозиційної дози в тій або іншій місцевості зумовлене потраплянням у довкілля техногенних радіоактивних речовин, тобто є наслідком радіонуклідного забруднення, то йдеться про штучні радіонуклідні аномалії. Вони можуть виникати внаслідок аварій ядерних реакторів, у разі відкритих розробок уранових або торієвих родовищ, через розгерметизацію пунктів поховання радіоактивних відходів тощо.

Джерела радіоактивності поділяють на природні та штучні залежно від того, існував нестійкий ізотоп у природі чи був утворений штучно. Отже, природні радіоізотопи, на відміну від великої кількості інших, одержаних у лабораторних умовах, не були створені людиною, а зустрічаються в природі. За хімічною природою вони не належать ні до певного періоду, ні до певної групи елементів періодичної системи.

Первинними природними довгоживучими радіоізотопами, які не встигли розпастися після утворення хімічних елементів сонячної системи, є всі ізотопи з періодом напіврозпаду Т_1/2 > 3*10⁸ років.

За час існування Землі радіоактивність земної речовини поступово знижувалася за рахунок розпаду короткоживучих радіонуклідів.

Нині відомо 1950 радіоактивних ізотопів. Але із них тільки 70 природні, а решта 1880 - штучні. Переважно це ізотопи важких металів з атомним номером 80, які містять радіоактивні ізотопи, а починаючи з порядкового номера 82 - всі відомі ізотопи є радіоактивними, тобто у стабільному стані відсутні взагалі.

Групи природних радіоактивних ізотопів, що утворюють родини, є природними радіоактивними елементами, відомі радіоізотопи яких радіоактивні. Це групи генетично пов'язаних радіоактивних ізотопів, де кожний наступний (дочірній) ізотоп виникає в результаті альфа- або бета- розпаду попереднього (материнського). При цьому сума масових чисел альфа- і бета-частинок в усьому ряді розпаду дорівнює різниці масових чисел першого й останнього членів радіоактивного ряду. Те ж саме стосується і зарядових чисел. Кожний радіоактивний ряд має родоначальника ізотоп із найбільшим періодом напіврозпаду, за яким даний ряд одержує свою назву.

Усі природні радіоізотопи поділяють на три групи: ізотопи радіоактивних рядів урану, актиноурану й торію; ізотопи, які не утворюють родин, і космогенні природні радіоізотопи.

Названі родоначальники радіоактивних рядів мають періоди напіврозпаду, які є сумірними з віком Землі (кілька мільярдів років), тому вони не встигли повністю розпастися. Закінчуються природні радіоактивні ряди стабільними ізотопами свинцю ²⁰⁸РЬ, ²⁰⁷РЬ та ²⁰⁶РЬ.

Ряд урану ²³⁸ U: ²³⁸U_(α) →²³⁴Th_(β,γ) →²³⁴Pa_(β,γ) →²³⁴U_(α) →²³⁰Th(α) →²³⁶Ra_(α) →²²²Rn_(α) →²¹⁸Po_(α) →²¹⁴Pb_(β,γ) →²¹⁴Bi_(β,γ) →²¹⁴Po_(α) →²¹⁰Pb_(β,γ) →²¹⁰Po_(β,γ) →²¹⁰Be_(α) →²²⁶Po

Ряд актиноурану ²³⁵ U, AcU: ²³⁵U_(α) →²³¹Th_(β) →²³¹Pa_(α) →²²⁷Ac_(α) →²²³Ra_(α) →²¹⁹Rn_(α) →²¹⁵Po_(α) →²¹¹Bi_(α) → ²⁰⁷TI_(α) → ²⁰⁷Pb

Ряд торію ²³² Th: ²³²Th_(α) →²³⁸Pa_(β) →²²⁸Ac_(β,γ) →²²⁸Th(α) →²²⁴Ra_(α) →²²⁰Rn_(α) →²¹⁶Po_(α) →²¹²Pb_(β,γ) →²¹²Bi_(β,γ) →²¹²Po_(α) →²⁰⁷TI_(β,γ) → ²⁰⁸Pb

 

До природних ізотопів, які не пов'язані генетично, тобто не утворюють родин, належать ізотопи калію (⁴⁰К), кальцію (⁴⁸Са), рубідію (⁸⁷Rb), цирконію (⁹⁶Zr), лантану (¹³⁸La), самарію (¹⁴⁷Sm) та ін. Найбільше дозове навантаження із згаданих радіоізотопів зумовлює ⁴⁰К та ⁸⁷Rb, особливо при опроміненні внутрішніх органів.

Космогенними природними радіоізотопами називаються такі, які утворюються в стратосфері (на висоті від 8 до 50 км) під дією космічних променів і вторинних нейтронів. До них належать: тритій (³Н), берилій (⁷Ве та ¹⁰Ве), вуглець (¹⁴С), натрій (²²Nа), кремній (³²Si), фосфор (³²Р і ³³Р), сірка (³²S та ³⁵S), хлор (³⁶С1 і ³⁹С1), аргон (³⁷Аг та ³⁹Аг), криптон (⁸¹Кг і ⁸⁵Кг). Із названих радіоізотопів найбільше дозове навантаження зумовлюють ¹⁴С та ³Н.