Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Закон радиоактивного распада. Скорость распада и накопление. Вековое равновесие и примеры применения его. 222Rn и его роль во внутреннем облучении организмов.

Радиоактивность: сущность явления. Единицы измерения активности. Радиочувствительность и методы ее модификации.

24.02. 1896 на сессии Французской АН А. Беккерель сообщил, что соли урана испускают проникающее излучение, которое вызывает почернение фотоэмульсии. В начале А. Беккерель полагал, что его лучи как-то связаны с флуоресценцией и фосфоресценцией, т. е. с процессами, в которых вещество сначала поглощает энергию, а затем ее испускает. В его сообщении не было ничего более того, что одна из солей урана оказалась особенно активной. Он предполагал, что имеет место нечто, подобное рентгеновскому излучению.

Очень слабое урановое излучение не могло конкурировать с сильным рентгеновским излучением.

В 1898 г. было обнаружено, что еще один химический элемент ­— торий также радиоактивен. Стало ясно, что лучи Беккереля могут испускаться не только ураном. К сожалению, излучение тория оказалось также очень мало интенсивным. Затем Пьер и Мария Кюри методом, который получил название радиохимический анализ, открыли новый химический радиоактивный элемент — полоний. В том же 1898 г. они получен еще один новый элемент – радий, испускающий интенсивные потоки проникающего излучения.

Явление спонтанного испускания проникающей, ионизирующей радиации теперь уже четырьмя элементами М. Кюри в 1898 г. назвала радиоактивностью.

В 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди открыли, что радиоактивность связана с изменениями внутри атомов, в результате которых один химический элемент переходит в другой. К подобным результатам независимо пришел и А. Беккерель.

Открытие радиоактивности стимулировало появление первых научных представлений о строении атома.

В 1904 г. Дж.Дж. Томсон предложил первую модель атома, согласно которой атомы представляют собой шарики размером ~10-8 см, внутри которых равномерно распределены электроны.

Э. Резерфорд в 1911 г. обосновал существование атомных ядер и предложил планетарную модель атома. Электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра.

В основе явления радиоактивности лежат не атомные, а ядерные превращения. Так как термин атомное ядро – нуклид появился более чем через десять лет после открытия радиоактивности, то в повседневный лексикон, а затем и в радиоэкологию достаточно прочно вошли термины, образованные от слова атом.

Природа рентгеновского излучения оставалась непонятной до 1912 г., когда было однозначно доказано, что это — возникающие при внутриатомных превращениях электромагнитные колебания, такие же, как и видимый свет, но с существенно меньшими длинами волн. В 1913 г. Н. Бор предложил свою знаменитую модель атома водорода

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение изотопов одного элемента и изотопы другого, происходящее путем испускания элементарных частиц или ядер. Превращения могут происходить как из основного так и из метастабильного состояния материнского нуклида за время Т_1/2>10^-7с. В 1898 г. были сделаны открытия, которые резко изменили дальнейший ход событий. Вначале было обнаружено, что еще один из известных химических элементов-торий также радиоактивен. Излучение тория оказалось очень мало интенсивным. Пьер и Мария Кюри методом, который получил название радиохимический анализ открыли в природных минералах содержащих уран, новый химический радиоактивный элемент-полоний. Так же был получен еще один новый элемент-радий, испускающий интенсивные потоки проникающего излучения. Нуклиды расположенные в районе гребня хребта энергетической поверхности получили название нуклоностабильных.

Единица измерения активности – Беккерель. В СИ Бк= с^-1

Для измерения активности используется также внесистемные единицы измерения кюри и (в последнее время редко) резерфорд:

1 Ки = 3,7×1010 Бк (точно).

1 Бк ≈ 2,703×10−11 Ки.

1 Рд = 1×106 Бк (точно) = 1 МБк.

1 Бк = 1×10−6 Рд (точно)

Радиочувствительность и ее модификация.

Ра­диочувствительность является кардинальным понятием всегда, когда мы анализируем последствия действия ионизирующих излучений на био- и экосистемы. Разные клетки, ткани, органы или орга­низмы характеризуются своей восприимчивостью к воздействиию или своей видовой радиочувствительностью.

В пределах одного вида радиочувствительность разных популяций может сильно различаться. Что касается, например, человека, то индивидуальная радиочувствительность зависит от возраста и пола, от физического состояния человека. Даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочув­ствительности. Наряду с радиочувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются ра­диоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называть радиорезистентными.

В наиболее общем случае в качестве меры радиочувствительности удобно использовать величину, обратную отношению доз ионизирующего излучения, вызывающих количест­венно равные специфические эффекты (одного типа) в сравниваемых системах. Пусть N — число выживших клеток из общего их начального количества — N0. Снижение выживаемости с возрастани­ем дозы описывается выражением вида

N = N ₀ exp(– D / D ₃₇),

где D ₃₇ — доза, при которой доля жи­вых клеток уменьшается в сравнении с исходной в е раз [1]. Значения D ₃₇ применяют в радиобиологии для определения радиочувствительности (S) биосистем: S = 1/ D ₃₇, т. е. под радиочувствительностью биообъектов понимают меру чув­ствительности их к действию ионизирующего излучения.

В экологии наиболее часто используют вели­чину ЛД_50/30 — так называемую летальную дозу, вызывающую гибель 50% животных за 30 дней. Выбор 30 дней для наблюдения за состоянием животных основывается на том обстоятельстве, что острый период заболевания у млекопитающих обычно заканчи­вается к концу первого месяца после облучения.

Наиболее низкой радиочувствительностью обладают бактерии Micrococcus radiodurens (микрококк радиорезистентный), обнаруженные в канале ядерно­го реактора, где поглощенная доза за сутки составляла ~ 10⁶ Гр. В этих условиях бактерии не только не погибали, но и продолжали размножаться.

Подводя итоги, мы можем сказать, что мерой количественной оценки радиочувствительности является доза облучения, при которой возникает регистрируе­мый эффект. При сравнении радиочувствительности различных био­логических систем (например клеток, тканей или животных) должны использоваться адекватные критерии — в одинаковой мере легко регистрируемые в сравниваемых системах.

.Наиболее активно проблема модификации ра­диочувствительности начала развиваться после 1945 г. в связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия, ког­да возникла реальная угроза возникновения массовых лучевых по­ражений человека. Внимание ученых в тот период времени было привлечено к поиску средств противолучевой защиты. Затем общим направлением исследований стало ослабление или усиление радиочувствительности в зависимо­сти от поставленной задачи. Были развиты такие методы, как изменение выхода первичных радиационно-химических реакций, дезактивация свободных радикалов и других активных продуктов радиолиза, активация или ингибирование репарационных процессов…

Модификацию радиобиологическх эффектов стали осуществлять на разных уровнях организации клетки, вторгаясь в разные этапы формирования лучевого поражения.

Еще в 1909 г. Г. Шварц обнаружил явление усиления лучевого пораже­ния организмов в присутствии кислорода (при повышении его кон­центрации) по сравнению с поражением при облучении в условиях гипоксии или аноксии.

Кислород повышает радиочувствительность вследст­вие его высокого сродства к электрону. Он легко присоединяется к макромолекулам ДНК в местах разрывов межатомных связей, вызванных ионизацией. Присоединение кислорода снижает эффективность работы систем репарации ДНК.

Кислород является наиболее значимым модификатором радиочувствительности, но не единственным. В настоящее время в арсенале ученых имеются различные модификаторы лучевого поражения (радиомодификаторы), различающиеся по своей физической и химической природе.

Для оценки радиомодифицирующего эффекта используют разные критерии. Наиболее употребительным является фактор изменения дозы (ФИД) — отношение равноэффективных доз в опыте и контроле; при этом как при усилении, так и при ослаблении лучевого эффекта берется отношение большей дозы к меньшей. Если радиомодифицирующий эффект обусловлен кислородом, то говорят о коэффициенте кислородного усиления (ККУ). Значение ФИД (ККУ) может достигать нескольких единиц. Например, в опытах по изучению выживаемости клеток китайского хомячка кислород сенсибилизи­ровал клетки, что дало ФИД = 2,8. Считается, что при действии редкоионизирующих излучений ФИД аноксии достигает 3 в области больших доз и составляет 2,0—2,5 при облучении клеток в дозах до 2 Гр. Радиомодифицирующий эффект кислорода зависит от ЛПЭ излучений. Эффект максимален при действии редкоио­низирующих излучений (ЛПЭ в диапазоне 1—2 кэВ/мкм) и исчезает при ЛПЭ ~150 кэВ/мкм.

Закон радиоактивного распада. Скорость распада и накопление. Вековое равновесие и примеры применения его. 222Rn и его роль во внутреннем облучении организмов.

Радиоактивность — это свойство, относящееся к индивидуальным

нуклидам. Спонтанный (самопроизвольный) переход нуклидов одного элемента в нуклиды другого может происходить только несколькими специфическими путями. Вновь образовавшийся нуклид часто оказывается в возбужденном состоянии и переходит затем в основное, испуская у-излучение. Природа радиоактивного распада естественно встречающихся в окружающей нас среде радионуклидов такая же, как и у искусственно произведенных радионуклидов. Независимо от типа испускаемой частицы все виды радиоактивного распада, как и переход возбужденных ядер в основное состояние, подчиняются одному и тому же закону радиоактивного распада.

Распад радионуклидов — это процесс, существенно отличный от процессов разрушения, распада или превращений привычных для нас объектов, с которыми мы повседневно имеем дело. Вероятность распада радионуклида (элементарной частицы, ядра или атома в возбужденном состоянии) совершенно не зависит от того когда этот радионуклид образовался (сколько времени до рассматриваемого момента он прожил). Момент распада данного радионуклида предсказать невозможно, можно говорить только о вероятности такого события. Несмотря на то что при каждом акте радиоактивного распада только небольшая часть массы исходного ядра превращается в энергию количество высвобождаемой при этом энергии на единицу массы препарата велико. После получения радия ученые смогли оценить, что 1 г этого элемента, находящегося в замкнутом объеме в равновесии с продуктами своего распада, выделяет в течении 1 ч около 670 Дж тепловой энергии. Иными словами, 1 г такого препарата каждые двое суток выделяет приблизительно 3,2*10⁴ Дж энергии, т.е. столько, сколько высвобождается при сгорании примерно 1 г каменного угля. При этом в радии не наблюдаются никаких химических изменений и, кажется, что этот процесс может продолжаться сколь угодно долго. После открытия радиоактивности А. Беккерель, П. Кюри и дру­гие ученые пытались повлиять на процесс радиоактивного распада различными внешними воздействиями и обнаружили, что.возможно сделать. Ученые долго не могли связать концепцию самопроизвольного распада, при котором изотоп одного элемента переходит в изотоп другого, с тем фактом, что атомы (элементы) представляют собой простейшую форму материи. Конечно никакого противоречия здесь нет и элементы не могут переходить друг в друга в результате химических реакций. Однако радиоактивность коренным образом отличается от химических реакций и превращение одного элемента в другой — ее неизбежное.следствие. Более того, вскоре возникла область науки, изучающая ядерные реакции, в результате которых можно синтезировать элементы и изотопы, не встречающиеся в окружающей нас природе.

N=N₀e^-λt - это выражение является математическим выражением закона радиоактивного распада, а коэффициент λ имеет простой смысл: это доля атомов, претерпевающих превращения в единицу времени. Константа распада имеет размерность, обратную времени, а показатель экспоненты — всегда безразмерная величина.

Особый интерес для радиоэкологии представляет случай λ2 >> λ1 — вековое равновесие (Secular Equilibrium). За время, малое по сравнению с T1/2 материнского радионуклида, в системе устанавливается равновесие и затем суммарная активность, равна удвоенной материнской активности

N 1/ N 2 = λ2/ λ1 и A 1 = A 2. ()

Такая ситуация справедлива для радиоактивных семейств 238U, 235U и 232Th, определяющих радиоактивность окружающей нас среды. Здесь мы имеем дело с цепочкой из более, чем 10 последовательных распадов. С анализом превращений во всей цепочке или в отдельных ее звеньях приходится сталкиваться при рассмотрении многих задач, связанных с поведением тяжелых естественных радионуклидов в биосфере.

В радиоэкологии хорошо известна и ситуация, когда λ1 > λ2. Это 241Pu, имеющий λ1 = 2,2·10-9 с-1, и распадающийся путем β-распада в более опасный радионуклид 241Am ( λ2 = 7,35·10-11 с-1), распадающийся путем α-распада.

Разветвленный распад, т. е. материнский радионуклид может превратиться в разные дочерние. Пусть радионуклид Х распадается путем α-распада с постоянной распада λα в нуклид Б и путем β-распада с постоянной распада λβ в нуклид В. В этом случае количество атомов N X вещества Х уменьшается со скоростью (λα + λβ)· N X, а вещество Б образуется со скоростью λα· N X. Вещество Х, конечно, характеризуется только одним периодом полураспада T 1/2 = 0,693/(λα + λβ), а определенно сказать, в какой нуклид превратится после распада радионуклид Х, нельзя.

Внутреннее облучение человека естественными радионуклидами происходит в результате накопления их в организме при поступлении с воздухом, питьевой водой и пищевыми продуктами. Среди них космогенные радионуклиды — 7Be, 14C, 22Na и земного происхождения — 40К, 87Rb и рядов урана и тория. Наибольший вклад в дозу внутреннего облучения дает 40К, который практически равномерно распределен в организме. Средняя годовая эффективная доза облучения жителей России, обусловленная этим радионуклидом, составляет 200 мкЗв. Облучение за счет радионуклидов рядов урана и тория (в первую очередь 210Рв и 210Ро) составляет 160 мкЗв/год. Прочие радионуклиды в сумме обусловливают дозу до 20 мкЗв/год. Следовательно, суммарная годовая эффективная доза внутреннего облучения равна 380 мкЗв.

В плане дозообраования интерес представляет в основном ²²²Rn. На открытом воздухе основным источником поступления ²²²Rn является почва, менее важным источником являются грунтовые воды, моря и озера, природный газ, геотермальные выбросы, сжигание угля. Образующийся при распаде радия, находящегося в почвенных частицах, радон должен попасть в заполненные воздухом поры между частицами и диффундировать по ним в атмосферу. Выход радона в воздушные поры происходит тогда, когда распад радия произошел вблизи поверхности частицы почвы, и осуществляется в основном за счет энергии отдачи. Большинство атомов ²²²Rn распадается в частице почвы до выхода в воздушные поры. Та часть радона, которая образовалась в почве и вышла в воздушные поры, называется силой эманации. Её величина для ²²²Rn изменятся от 5 до 70%. Из этих атомов одна часть достигает поверхности почвы и поступает в атмосферу, другая из-за хаотичности диффузионного движения попадает в закрытые поры и распадается в них. Перенос атомов радона может осуществляется путем диффузии и конвекции. Конвекционное движение возникает за счет обусловленной метеорологическими условиями разности давлений. Оно изменяется п времени и плохо поддается количественной оценке. Концентрация радона в атмосферном воздухе зависит от географического положения региона, времени, высоты над поверхностью земли и метеоусловий. Концентрация его уменьшается по мере удаления от земли. На концентрацию радона вне помещения влияние оказывают атмосферные процессы, приводящие к перемешиванию воздуха. Усредненные концентрации ²²²Rn вне помещения составляют 10 Бк*м^-3 у поверхности земли. Концентрации радона меньше над островами и арктическими областями (примерно в 2-4 раза), чем над континентом, т.к.там меньше почвы – основного источника радона.

Внутри помещений первым источником радона является почва под зданием и около него. Добавляются строительные материалы, атмосферный воздух, водопроводные сети и природный газ.

Поток радона в эталонный дом составляет примерно 56 Бк*м^-3*ч^-1.

Основными параметрами для строительных материалов являются: скорость эксхаляции, длительность диффузии, коэффициент эманирования и удельная активность радона в строительных материалах.

Строительные материалы с повышенным содержанием радона – гранит, итальянский туф и др.

Атм. Воздух так же служит источником радона. Воздухообмен осуществляется за счёт естественной вентиляции и принудительной вентиляции и фильтрации за счет неконтролируемой утечки воздуха через трещины в строительных покрытиях.

Водопровод и канализация – радон хорошо растворим в воде. При нагревании и разбрызгивании воды радон частично переходит в воздух. Концентрация радона в поверхностных водах значительно меньше чем в грунтовых.

Природный газ – Концентрация радона в природном газе м. достигать 5*10⁴Бк*м^-3. При сжигании газа для обогрева помещения и приготовления пищи концентрация радона возрастает.

По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 микрозивертов, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из-за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода- 14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения.

В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232.

Некоторые из них, например нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения.

Десятки тысяч людей на Крайнем Севере питаются в основном мясом северного оленя (карибу), в котором оба упомянутых выше радиоактивных изотопа присутствуют в довольно высокой концентрации. Особенно велико содержание полония-210. Эти изотопы попадают в организм оленей зимой, когда они питаются лишайниками, в которых накапливаются оба изотопа. Дозы внутреннего облучения человека от полония-210 в этих случаях могут в 35 раз превышать средний уровень. А в другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо и требуху овец и кенгуру.

И β-распад, γ-излучение. Схематической представление переходов. Детерминированные и стохастические эффекты. География испытаний ядерного оружия в мирных целях: в каких странах, где, когда и сколько.

Кратко

α-распад-это ядерные превращения, при которых наряду с сильными взаимодействиями существенную роль играют и электромагнитные взаимодействия. Наблюдать его удается только при распаде тяжелых ядер, начиная с ¹⁴⁴ ₆₀Nd (кинетическая энергия α частиц 1,83 МэВ). Ядра, подвергающиеся α-распаду, характеризуются Т1/2 > 10^-7 с. Среди радионуклидов, распадающихся за счет слабых взаимодействий, т.е. за счет β-распада, известные самые короткоживущии радионуклиды имеют Т1/2 > 10^-2 с. В случае α и β распадов значения периодов полураспада по крайней мере примерно в 10¹⁶ раз превышают характерное ядерное время ~10^-23с, позволяет объединить в один класс — нуклоностабильных ядер — как стабильные нуклиды так и радионуклиды. Всего таких нуклидов может быть несколько тысяч, а в настоящее время известно около двух тысяч. β- Распад имеет место начиная с трития ³Н (³Т) и наблюдается с той или иной вероятностью у радионуклидов всех элементов. β-распад— это ядерное превращение, при котором число нуклонов в ядре не изменяется, но меняется заряд ядра. Все природные радионуклиды содержат больше нейтронов, чем необходимо для их устойчивости, поэтому, претерпевая β^--распад, они испускают электроны.β⁺-Радиоактивность обнаружили значительно позднее.

В действительности объяснение явления β-распада требовало решения еще одного парадокса: внутри ядра, состоящего из протонов и нейтронов, никаких электронов нет и испускаться, казалось бы, нечему. Более того, согласно квантовой механике каждая частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. В случае электрона это приводит к тому, что при энергии порядка 1 МэВ, что характерно для β-распада, соответствующая электрону длина волны намного больше размеров ядра, и его там просто не может быть.

γ-л учи — это коротковолновое электромагнитное излучение испускаемое нуклидами, находящимися в возбужденном состоянии. В каждом из возможных состояний (в основном и в возбужденное) ядро характеризуется вполне определенными распределениями зарядов и токов, т.е. является мультиполем (характеристика системы, создающий вокруг себя постоянное или переменное электромагнитное поле). γ-Излучение возникает из-за электромагнитных эффектов, сопутствующих изменениям распределений зарядов и токов в ядре при переходе его из одного состояния в другое, γ-Излучение, возникающее в результате превращений, не превосходит, как правило, ~ 10 Мэв. При испускании γ-кванта не происходит измене­ния состава ядра, т.е. превращения изотопа одного элемента в изотоп другого. Испускание γ-квантов сопровождает обычно с той или иной вероятностью все типы радиоактивных превращений. Изучение с энергией 511 кэВ, возникающее при аннигиляции электрона и позитрона, также принято называть γ-излучением. Как результат электромагнитных эффектов оно ничем не отличается от других хорошо известных типов электромагнитных колебании Электромагнитное излучение и с намного большей энергией независимо от его природы, принято в настоящее время называть γ-излучением.