Естественная и искусственная радиоактивность природных вод. Реферат: по физике на тему: «Естественная и искусственная радиоактивность

ГОУ Гимназия № 1505.

Реферат по физике на тему:

«Естественная и искусственная радиоактивность»

(адаптированный текст)

Ученицы 10 «Б» класса

Кравцовой Галины.

Руководитель:

Дмитриев Геннадий Владимирович.

2009 год, Москва.

Введение.

Часть 1.История открытия радиоактивности.

Часть 2. Физика ядра.

Глава 1 .

Строение атомного ядра.

Ядерные силы.

Энергия связи ядра.

Изотопы.

Глава 2.

Закон радиоактивного распада.

Виды радиоактивных излучений и распадов.

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Искусственная радиоактивность.

Ядерное оружие.

Ядерный реактор.

Часть 3. Воздействие малых доз радиации на живой организм.

Газоразрядный счетчик.

Счетчик Гейгера - Мюллера.

Пузырьковая камера.

Камера Вильсона.

Дозиметр и радиометр.

Заключение.

Введение.

Тема моей работы - измерение радиоактивного фонового излучения на территории гимназии. Я, конечно, сомневаюсь, что мы занимаемся в помещениях, в которых радиоактивный фон сильно превышает санитарные нормы. Но механизмы воздействия малых доз радиации на человеческий организм мало изучены. Это как с солнцем: свети оно чуть меньше - мы все замерзнем насмерть, а не будь хоть части озонового слоя - мы умрём от повышенного количества излучения. Слишком много, как и слишком мало - не к добру. Но где начинается много и заканчивается мало? Я не ставлю себе задачу проверить это. В мои цели входит более подробно познать материал, связанный с радиацией (которая делится на естественную и искусственную), с помощью радиометра измерить уровень радиации в разных диапазонах частот, составить таблицы и сравнить их результаты с санитарными нормами. Насколько я знаю, СНИПы – часто изменяемые нормы и сравнивать с ними результаты будет довольно сложно, но я хочу это сделать и постараюсь получить наиболее точные результаты сравнения. Я планирую составить несколько таблиц. Их количество зависит от того, насколько чувствительный радиометр я смогу достать и от того, хватит ли мне времени исследовать помещения гимназии с включенной и выключенной аппаратурой. Сам же реферат я представляю как текст, не сильно выходящий за рамки школьного курса и наиболее понятно, на мой взгляд, объясняющий основные вопросы темы.

Часть 1.

История открытия радиоактивности.

Французский физик А. Беккрель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория.

Радиоактивность (от латинского radio – излучаю, radus – луч и activus – действенный), такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран и торий Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий, а Мария, кроме того обнаруживает (независимо от немецкого физика Г.Шмидта) явление радиоактивности у тория. Кстати, она первой и предложила термин радиоактивность. Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. За 10 лет совместной работы они сделали очень многое для изучения этого явления. Это был беззаветный труд во имя науки – в плохо оборудованной лаборатории и при отсутствии необходимых средств. Пьер установил самопроизвольное выделение тепла солями радия. Этот препарат радия исследователи получили в 1902 году в количестве 0,1 гр. Для этого им потребовалось 45 месяцев напряженного туда и более 10000 химических операций обогащения и очистки. В 1903 году за открытие в области радиоактивности супругам Кюри и А.Беккерелю была присуждена Нобелевская премия по физике. Всего за работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии (А.Беккерелю, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э.Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д.Хэвиши, О.Гану, Э.Макмиланн и Г.Сиборгу, У.Либби и др.). В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с порядковым номером 96 – кюрий.

В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную тонкую сетку, заполненную отрицательно заряженными электронами-изюминами, - модель так и называлась «модель сетки с изюмом» (Модель Томпсона).

В 1898 году английский ученый Э.Резерфорд (ученик Томпсона) приступил к изучению явления радиоактивности. В 1903 году Э.Резерфорд доказывает ошибочность предположения своего учителя Томпсона о его теории строении атома и в 1908-1911 г.г. проводит опыты по рассеянью частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил “пушку”, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Резерфорд заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озадачивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, чтобы окончательно исключить такую возможность.

В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия - материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами, сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.

Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу, но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги.

Опыты по рассеянью частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме – атомном ядре, диаметр которого примерно в 100000 раз меньше диаметра атома.

Большинство частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение частицы с ядром и тогда она может отскочить назад.

Таким образом, первым его фундаментальным открытием в этой области было обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном. Так в науку о радиоактивности впервые вошло понятие о лучах. Он также предложил и названия: распад и частица. Немного позже была обнаружена еще одна составляющая часть излучения, обозначенная третьей буквой греческого алфавита: гамма-лучи. Это произошло вскоре после открытия радиоактивности. На долгие годы эти частицы стали для Э.Резерфорда незаменимым инструментом исследований атомных ядер. В 1903 году он открывает новый радиоактивный элемент – самопроизвольный распад тория. В 1901-1903 годах он совместно с английским ученым Ф.Содди проводит исследования, которые привели к открытию естественного превращения элементов (например радия в радон) и разработке теории радиоактивного распада атомов.В 1903 году немецкий физик К.Фаянс и Ф.Содди независимо друг от друга сформулировали правило смещения, в котором описывается поведение ядра при альфа-распаде. Весной 1934 года в «Докладах Парижской академии наук» появилась статья под названием «Новый тип радиоактивности». Ее авторы Ирен Жолио-Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что бор, магний, и алюминий, облученные альфа–частицами, становятся сами радиоактивными и при своем распаде испускают позитроны. Так была открыта искусственная радиоактивность. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов альфа–частицами или нейтронами) образуется радиоактивные изотопы элементов, в природе не существующие. Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и, тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Так из общего числа известных ныне около 2000 радиоактивных изотопов около 300 – природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной радиацией нет принципиального различия.

В 1934 г. И. и Ф.Жолио-Кюри в результате изучения искусственной радиации были открыты новые варианты α-распада – испускание позитронов, которые были первоначально предсказаны японскими учеными Х.Юккавой и С.Сакатой. И. и Ф. Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию, продуктом которой был радиоактивный изотоп фосфора с массовым числом 30. Выяснилось, что он испускал позитрон. Этот тип радиоактивных превращений называют бета-распадом (подразумевая под бета-распадом испускание электрона).

В последствии целым рядом ученых разных стран (Дж.Данинг, В.А.Карнаухов, Г.Н.Флеров, И.В.Курчатов и др.) были обнаружены сложные, включающие бета-распад, превращения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов.

Одним из первых ученых в бывшем СССР, который приступил к изучению физики атомных ядер вообще и радиоактивности в частности был академик И.В.Курчатов. В 1934 году он открыл явление разветвления ядерных реакций, вызываемых нейтронной бомбардировкой и исследовал искусственную радиоактивность ряда химических элементов. В 1935 году при облучении брома потоками нейтронов Курчатов и его сотрудники заметили, что возникающие при этом радиоактивные атомы брома распадаются с двумя различными скоростями. Такие атомы назвали изомерами, а открытое учеными явление изомерией.

Наукой было установлено, что быстрые нейтроны способны разрушать ядра урана. При этом выделяется много энергии и образуются новые нейтроны, способные продолжать процесс деления ядер урана. Позднее обнаружилось, что атомные ядра урана могут делиться и без помощи нейтронов. Так было установлено самопроизвольное (спонтанное) деление урана. В честь выдающегося ученого в области ядерной физики и радиоактивности 104-й элемент периодической системы Менделеева назван курчатовием.

С 1943 Курчатов возглавлял научные работы, связанные с атомной проблемой. Под его руководством был сооружен первый в Москве циклотрон (1944) и первый в Европе атомный реактор (1946), созданы первая советская атомная бомба (1949) и первая в мире термоядерная бомба (1953), сооружены первая в мире промышленная атомная электростанция (1954) и крупнейшая установка для проведения исследований по осуществлению регулируемых термоядерных реакций (1958).

Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники, Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры веществ. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности, военной области медицине и других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. Однако наряду с положительными факторами использования свойств радиоактивности в интересах человечества можно привести примеры и негативного их вмешательства в нашу жизнь. К числу таких можно относится ядерное оружие во всех его формах, затонувшие корабли и подводные лодки с атомными двигателями и атомным оружием, захоронение радиоактивных отходах в море и на земле, аварии на атомных электростанциях и др. а непосредственно для Украины использование радиоактивности в атомной энергетике привело к Чернобыльской трагедии.

Часть 2. Физика ядра.

Строение атомного ядра.

После опытов Резерфорда по рассеянью частиц (ядер гелия) стало понятно, что модель атома «булка с изюмом» несправедлива. Так же, на основе своих опытов, учёный выдвинул теорию о планетарном строении атома. Она заключается в том, что есть ядро малых размеров (заряженное положительно), вокруг которого вращаются электроны*. Так как суммарные заряды протонов и электронов равны, а заряд нейтрона равен нулю, то атом не имеет заряда, т.е. он нейтрален. Это и есть привычная для нас модель атома. Радиус атома приблизительно равен 10 -10 м, а масса – 10 -22 г. Почти вся масса атома сосредоточенна в плотном(приблизительно 18 . 10 17 г/см 3) ядре.

Итак, атомное ядро. Вскоре после открытия нейтрона, была выдвинута гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой идее все ядра состоят из протонов** и нейтронов***. Вместе они называются нуклеотидами.

*Электрон - отрицательно заряженная частица, находящаяся в оболочках атомного ядра. Химические свойства атома определяются находящимися вокруг ядра электронами, особенно принадлежащим внешним оболочкам.

**Протон - положительно заряженная частица, находящаяся в ядре атома. Имеет массу, равную массе нейтрона, и в 1840 раз тяжелее электрона. Его заряд равен по модулю заряду электрона.

***Нейтрон – нейтрально заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. Нейтрон состоит из 2-х частиц: протона и электрона, но в ядре их разделить нельзя. Но если ”изъять” один нейтрон из ядра, то он распадётся на составляющие через 10 мин. Т.к. масса электрона очень мала, то масса нейтрона приблизительно равна массе протона.

Число протонов в атомном ядре равно зарядовому числу Z. Число нейтронов равно N. Их сумму называют массовым числом и обозначают буквой A:

A = Z + N (1)

Масса ядра измеряется в атомных единицах массы. 1а.е.м. приблизительно равна массе протона (массе ядра атома гелия) => A=1а.е.м. . количество нуклеотидов. Т.е. A- это приблизительная масса ядра в а.е.м..

Одна из основных характеристик атомного ядра – его электрический заряд. Электрический заряд атома равен произведению элементарного электрического заряда e на порядковый номер Z химического элемента в таблице Д. И. Менделеева:

q = Ze (2)

Не менее важным параметром является масса атомного ядра. Массы атомов и атомных ядер измеряются с помощью масс-спектрографа. Положительные ионы исследуемого вещества разгоняются электрическим полем.Специальное устройство пропускает - на щель только ионы с некоторой определенной скоростью V. Через щель пучок ионов попадает в вакуумную камеру. Эта камера находится между полюсами магнита; вектор магнитной индукции перпендикулярен вектору скорости ионов. Как известно, на электрически заряженную частицу, движущуюся со

Рис.1 Масс-спектрограф скоростью V в поперечном магнитном поле с индукцией В, действует сила Лоренца, направленная под прямым углом к векторам скорости заряда и индукции магнитного поля; модуль этой силы равен F = qU В . Под действием силы Лоренца ион движется по окружности, радиус которой R определяется соотношением mU ²/ R = qU B .

Описав полуокружность, все ионы одинаковой массы попадают в одно место фотографической пластинки. По известным значениям индукции магнитного поля, скорости, заряда иона и радиуса окружности определяется масса иона:

mU 2 /R=qUB => m=qUBR/U 2 =>

m = qBR / U . (3)

Ядерные силы.

Так как атомные ядра достаточно устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими. Что же это за силы? К началу двадцатого века ученым было известно только два вида сил: гравитационные и электромагнитные. Совершенно точно можно сказать, что это не гравитационные силы. Они для этого слишком слабы. Расчеты показывают, что сила гравитационного притяжения, действующая между двумя протонами в ядре, примерно в 1036 раз меньше силы кулоновского отталкивания между ними. Устойчивость ядра также не может быть объяснена электромагнитными силами из-за того, что между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание. А нейтроны вообще лишены электрического заряда. Следовательно, между нуклонами действуют какие-то другие силы. Эти силы назвали ядерными.

Свойства ядерных сил изучены достаточно хорошо. Два главных свойства этих сил - их короткодействующий характер и сила. Современные эксперименты позволили установить, что на расстоянии 10 -15 м от центра протона ядерные силы примерно в 35 раз больше кулоновских и в 10 38 раз больше гравитационных. Однако с увеличением расстояния ядерные силы очень быстро убывают и на расстояниях, больших 1,4*10 -15 м, их действием можно пренебречь.

Энергия связи ядра.

Важную роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, узнать, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т. е. сообщить ядру огромное количество энергии.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основании закона сохранения энергии* можно также утверждать, что энергии связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика.

Точные измерения масс атомных ядер показали, что масса любого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс такого же числа свободных протонов и нейтронов:

m я < Zm p + Nm n (4)

Существует так называемый дефект масс. Он равен (с обратным знаком) энергии связи нуклонов в ядре. Его смысл заключается в том, что разность масс

Δ m = Zm p + N m n - m я (5)

положительна. К примеру, для гелия масса ядра на 0,75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соответственно для одного моля гелия Δm = 0,03 г.

Чем больше дефект масс, тем выше E св, следовательно, тем устойчивее ядро. Дефект масс измеряется в а.е.м..

Уменьшение массы ядра при образовании его из нуклонов означает то, что при этом уменьшается и энергия этой системы нуклонов на величину энер­гии связи Е св:

E св = Δmc ²= ( Zm p + Nm n - m я ) c ² (6)

*Закон сохранения энергии утверждает, что энергия не может создаваться или исчезать, но может только превращаться из одной формы в другую.

Но куда же при этом деваются энергия E св и масса Δm?

При образовании ядра из частиц, эти частицы за счет действия ядерных сил устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом γ-кванты как раз обладают энергией E св и массой

Δ m = E св / c ² (7)

О том, как велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и сгорание 1,5-2 вагонов каменного угля.

Изотопы.

В результате наблюдения большого числа радиоактивных превращений выяснилось, что существуют вещества, совершенно одинаковые по своим химическим свойствам, но распадающиеся совершенно по-разному. Их никак не удавалось разделить. На этом основании физик Содди в 1911 г. высказал теорию о существовании элемен­тов с одинаковыми химическими свойствами, но различных по своей радиоактивности. Эти эле­менты нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Менделеева. Содди назвал их изото­пами (т. е. занимающими одинако­вые места).

Предположение Содди подтвердилось год спустя, когда Томсон произвёл точ­ные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электри­ческих и магнитных полях. Томсон обнаружил, что атомы неона бывают двух видов. Большая часть атомов имеет относитель­ную массу, равную 20. Но есть незначительное количество атомов с от­носительной атомной массой 22. В ре­зультате относительная атомная мас­са смеси равна 20,2. Так выяснилось, что атомы, обладающие одинаковыми химическими свойствами, имеют разную массу.

Изотопы могут быть как радиоактивными, так и стабильными. Чаще всего они радиоактивные. Но встречаются и стабильные ядра. Например дейтерий - нерадиоактивный изотоп водорода, имеющий атомную массу равную двум. Но у водорода есть и другой изотоп – тритий, радиоактивный и имеющий период полураспада 12 лет (он имеет атомную массу равную трём).

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Менделеева.

Итак, изотопы являются атомами одного и того же элемента (так как у них оди­наково число протонов и электронов) с различным числом нейтронов и, следственно, с различным массовым числом. Почти все элементы, найденные в природе, являются смесью различных изотопов. Изотопы оп­ределенного элемента имеют одинаковые химические свойства и разные физические свойства (плотность, скорость диффузии и т.д.).

Глава 2.

Закон радиоактивного распада.

Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, в течение которого активность убывает в два раза. Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т - это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов, т.к. уменьшения активности препарата в два раза можно достичь простым делением его на две равные части.

Рис.2 Найдем теперь математическую форму закона радиоактивного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t=0) равно N 0 . Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно N 0 /2. Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным

½ * N 0 /2 = N 0 /4= N 0 /2 2 (8)

По истечении времени t = nT, т.е. спустя n периодов полураспада T, радиоактивных атомов останется:

N = N 0 . 1/2n (9)

Поскольку

N = t/T (10)

N = N 0 . 2 -t / T (11)

Это и есть основной закон радиоактивного распада. По последней формуле находят число нераспавшихся атомов в любой момент времени.

Период полураспада основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени живут атомы, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения. Период полураспада радия равен 1600 лет. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.

Чтобы, пользуясь формулой, определить период полураспада, надо знать число атомов N 0 в начальный момент времени и подсчитать число не распавшихся атомов N спустя определенный интервал времени.

Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона понять нелегко. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется. Радиоактивные атомы не «стареют». Так, атомы радона, возникающие при распаде радия, имеют одинаковые шансы претерпеть радиоактивный распад как сразу же после своего образования, так и спустя 10 мин после этого. Вероятность распада одного ядра за 1с называется постоянной распада и обозначается λ. Для любого ядра данного изотопа постоянная распада одинакова, ядра различных изотопов имеют разные постоянные распада.

Если имеется N ядер радиоактивного изотопа с постоянной распада λ, то за малый промежуток времени dt из них должно испытать радиоактивный распад количество ядер dN, пропорциональное λ, N и dt:

d N= - λ . N . dt (12)

Распад любого атомного ядра это, так сказать, не «смерть от старости» а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не существует понятия возраста. Можно определить лишь среднее время жизни τ.

Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, в то время как его соседи благополучно продолжают оставаться в прежнем состоянии. Среднее время жизни τ - это просто среднее арифметическое времени жизни достаточно большого количества атомов данного сорта. Оно прямо пропорционально периоду полураспада. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Закон радиоактивного распада определяет среднее число атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и чем меньше количество атомов в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статистическим законом.

Говорить об определенном законе радиоактивного распада для малого числа атомов не имеет смысла. Этот закон справедлив в среднем для большого количества частиц.

Виды радиоактивных излучений и распадов .

Когда в руках исследователей появились мощные источники радиации, они смогли более подробно ознакомиться со свойствами радиоактивного излучения. В первых исследованиях на эту тему самое активное участие приняли Эрнест Резерфорд супруги Мария и Пьер Кюри, А.Беккерель и многие другие. Сначала была изучена проникающая способность лучей и действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение неоднородно, а представляет собой смесь некоторых «лучей». Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Он обнаружил новый вид лучей, которые назвали Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято предложение немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием. Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию. Рентген заметил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый тетрацианоплатинатом бария Ba (раньше его называли платиносинеродистым барием). Это вещество дает яркое желто-зеленое свечение под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску, через алюминиевую пластину... Рентген понял возможности своего открытия: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.

Пьер Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. Было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. По направлению отклонения убедились в том, что отклоняемые β-лучи заряжены отрицательно. Дальнейшие опыты показали, что между катодными и β-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов. Отклоняющиеся лучи обладали более сильной способностью проникать через различные материалы, а не отклоняющиеся легко поглощались даже тонкой алюминиевой фольгой – так вело себя, например, излучение нового элемента полония.

Рис.3 Отклонение различных видов лучей в магнитном поле. При использовании более сильных магнитов оказалось, что α-лучи тоже отклоняются, только слабее, чем β-лучи и в другую сторону. Следовательно они были заряжены положительно и имели большую массу (как потом выяснили, масса альфа-частицы в 7740 раз больше массы электрона).

Впервые это явление обнаружили в 1899 А.Беккерель и Ф.Гизель. В дальнейшем выяснилось, что α-частицы представляют собой ядра атомов гелия с зарядом +2 и массой 4 а.е.м. Когда же в 1900 году французский физик Поль Вийар исследовал отклонение α- и β-лучей более подробно, он обнаружил в излучении радия и третий вид лучей, не отклоняющихся в самых сильных магнитных полях.

Этот вид излучения был назван гамма-лучами. Гамма-лучи оказались сходными с лучами Рентгена, т.е. они представляют собой электромагнитное излучение, но с более короткими длинами волн и большей энергией.

Долгое время было неясно, откуда берутся все эти лучи. В течение нескольких десятилетий трудами многих физиков была выяснена природа радиоактивного излучения и его свойства, были открыты новые типы радиоактивности.

Альфа-лучи испускают, главным образом, ядра самых тяжелых и потому менее стабильных атомов (в периодической таблице они расположены после свинца). Обычно наблюдается несколько групп α-частиц, каждая из которых имеет строго определенную энергию. Так, почти все α-частицы, вылетающие из ядер 226 Ra, обладают энергией в 4,78 МэВ* (мегаэлектрон-вольт) и небольшая доля альфа-частиц энергией в 4,60 МэВ. Другой изотоп радия – 221 Ra испускает четыре группы α-частиц с энергиями 6,76, 6,67, 6,61 и 6,59 МэВ. Это свидетельствует о наличии в ядрах нескольких энергетических уровней, их разность соответствует энергии излучаемых ядром γ-лучей. Известны и «чистые» излучатели α-частиц** (например, 222 Rn).

Альфа-частицы обладают самым сильным ионизирующим действием: сталкиваясь с любыми другими атомами в газе, жидкости или твердом теле, они «обдирают» с них электроны, создавая заряженные частицы. При этом α-частицы очень быстро теряют энергию: они задерживаются даже листом бумаги. В воздухе α-излучение радия проходит всего 3,3 см, α-излучение тория – 2,6 см и т.д. В итоге потерявшая кинетическую энергию α-частица «захватывает» два электрона и превращается в атом гелия. При захвате электронов выделяется огромная энергия (более 7600 кДж/моль).

Очень большая кинетическая энергия альфа-частиц позволяет «увидеть» их невооруженным глазом. Впервые это продемонстрировал в 1903 английский физик

*1эВ =1,6 . 10 -19 Дж => 1МэВ=1,6 . 10 -13 Дж

**«Чистые» излучатели α-частиц – вещества, излучающие только α-частицы.

и химик Уильям Крукс. Он приклеил на кончик иглы еле видимую глазом крупинку радиевой соли и укрепил иглу в широкой стеклянной трубке. На одном конце этой трубки, недалеко от кончика иглы, помещалась пластинка, покрытая слоем люминофора (им служил сульфид цинка), а на другом конце было увеличительное стекло. Если в темноте рассматривать люминофор, то видно: все поле зрения усеяно вспыхивающими и сейчас же гаснущими искрами. Каждая искра – это результат удара одной α-частицы. Крукс назвал этот прибор спинтарископом (от греч. spintharis – искра и skopeo – смотрю, наблюдаю). С помощью этого простого метода подсчета α-частиц был выполнен ряд исследований, например, этим способом можно было довольно точно определить постоянную Авогадро*.

Так как в ядре протоны и нейтроны удерживаются вместе ядерными силами, было непонятно, каким образом α-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, может покинуть ядро. Ответ дал в 1928 американский физик Джордж Гамов. По законам квантовой механики α-частицы, как и любые частицы малой массы, обладают волновой природой и потому у них есть некоторая небольшая вероятность оказаться вне ядра, на небольшом (примерно 6 . 10 –12 см) расстоянии от него. Как только это происходит, на частицу начинает действовать с кулоновское отталкивание от очень близко находящегося положительно заряженного ядра.

Альфа-распаду подвержены, в основном, тяжелые ядра. Их известно более 200. Известны также более легкие альфа-излучатели, в основном, это атомы редкоземельных элементов. Но почему из ядра вылетают именно α-частицы, а не отдельные протоны? Качественно это объясняется энергетическим выигрышем при α-распаде (α-частицы устойчивы). Количественная же теория α-распада была создана лишь в 1980-х годах.

Она называется правилом смещения и звучит так: При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2e и масса его убывает приблизительно на 4 а.е.м. В результате элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы. Символически его можно записать так:

M Z X - M - 4 Z -2 Y + 4 2 He (12)

*Постоянная Авогадро равна 6,02 . 10 23 моль -1

Бета-распад наблюдается как у тяжелых, так и у легких ядер. Легкие частицы (быстрые электроны) обладают более высокой проникающей способностью. Так, в воздухе β-частицы могут пролететь несколько десятков сантиметров, в жидких и твердых веществах – от долей миллиметра до примерно 1 см. Энергия вылетающих из ядра электронов может меняться почти от нуля до некоторого значения, максимального для данного радионуклида. Обычно средняя энергия β-частиц намного меньше, чем у α-частиц. Долго было неясно, каким образом из одинаковых атомов одного и того же элемента вылетают частицы с разной скоростью. Когда стало понятно строение атома и атомного ядра, появилась новая загадка: откуда вообще берутся вылетающие из ядра β-частицы – ведь в ядре никаких электронов нет. После того как в 1932 английский физик Джеймс Чедвиком открыл нейтрон,

отечественные физики Дмитрий Дмитриевич Иваненко и Игорь Евгеньевич Тамм и независимо немецкий физик Вернер Гейзенберг предположили, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. В таком случае β-частицы должны образоваться в результате внутриядерного процесса превращения нейтрона в протон и электрон. Поэтому β-распад наблюдается, в основном, у ядер с избыточным числом нейтронов.

Превращение нейтрона в протон при β-распаде практически не изменяет массу нуклида, но увеличивает заряд ядра на единицу. Следовательно, образуется новый элемент, смещенный в периодической системе на одну клетку вправо. Символически его можно записать так:

M Z X - M Z +1 Y + 0 -1 e (13)

И α- и бета-распад сопровождается испусканием гамма-лучей.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длиной волны и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц (γ-квантов). Гамма-излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Сопровождающее распад радиоактивных ядер, гамма-излучение, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное.

В межзвёздном пространстве гамма-излучение возникает в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Подобное явление встречается и на Земле при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см). Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект*) и образование пар электрон-позитрон.

Примеры распадов: 1) α-распад 235 92 U- 231 90 Th + 4 2 He

2) β-распад 14 6 С - 14 7 N + 0 -1 e

3) γ-распад 1 0 n + 238 92 U - 239 92 U + γ

*Внутренний ф отоэффект – это процесс, при котором атом поглощает гамма-квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освобождающееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек. И фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Таблица1. Параметры излучений

	При-рода	За-ряд	Один из источ-ников	Погло-щается	Иони-зация	Отклонение в электрич. и магнитном поле	Опасность для здоровья
	ядро гелия (2прото-на, 2нейтро-на)		Амери-ций-241	листом бумаги		очень слабое	низкая, пока не внутри тела
	Элект-рон высо-кой энергии		Строн-ций-90	5-мм листом алюминия			Повреждает клетки и ДНК
	Элект-ромаг­нитные волны		кобальт-60	25-мм листом свинца (уменьш. интенсив-ность вдвое)	очень слабая		опасно при высокой интенсив-ности

*Ионизация – процесс образования отрицательных и положительных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Естественная радиоактивность (или фоновое излучение) - следствие спонтанного распада естественных радиоизотопов, имеющихся в скальных породах и живой материи. Она растет с глубиной из-за окружающих скальных пород и с высотой под воздействием космических лучей. Некоторые области могут иметь высокую природную радиоактивность из-за скальных пород (например, изверженных скальных пород, таких как гранит), испускающих газ радон.

Природные радионуклиды можно разделить на две большие группы - первичные, т. е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и космогенные, которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают с внеземным веществом. Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли.

Таблица2. Основные первичные радионуклиды

Радионуклид		Доля в природной смеси изотопов, %
	5 10 10

Три первичных радионуклида - 238 U, 235 U и 232 Th - являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов*. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие - состояние, в

Рис.4 Пример образования естественных радиоактивных рядов. Котором радиоактивности (!но не количества ядер!) всех членов ряда равны между собой.

Вековое равновесие между радионуклидами устанавливается в том случае, если период полураспада материнского радионуклида велик по сравнению с периодом полураспада дочернего.

Накопление дочернего радионуклида подчиняется закону

А=А 0 (1-е -λ t ) (14)

где А - активность дочернего радионуклида, А 0 - активность материн­ского радионуклида, λ - постоянная радиоактивного распада дочернего радионуклида, t - время, прошедшее с начала накопления дочернего радионуклида (предполагается, что в начальный момент присутствует толь­ко материнский нуклид).

Искусственная радиоактивность.

В природе не встречаются изотопы, распадающиеся с испусканием позитрона. Такие

*Радиоактивные ряды (радиоактивные семейства) - ряды генетически связанных радиоактивных нуклидов, в которых каждый последующий возникает в результате α- или β- распадов предыдущего.

изотопы впервые получили искусственно в 1934 г. Ф. и И. Жолио-Кюри. Они обнаружили, что при облучении потоком альфа-частиц ядра изотопа алюминия 27 13 Al превращаются в ядра изотопа фосфора 30 15 P, при этом испускаются свободные нейтроны:

27 13 Al + 4 2 He = 30 15 P + 1 0 n (15)

Искусственно полученный изотоп фосфора 30 15 P оказался радиоактивным; его ядро распадается с испусканием позитрона:

30 15 P = 30 14 Si + 0 1 e + 0 0 ν e (16)

Последующие опыты по бомбардировке атомных ядер стабильных изотопов альфа-частицами, протонами, нейтронами и другими частицами показали, что искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены практически у всех элементов.

Среди изотопов легких элементов (до кальция) стабильными являются те, в которых содержание протонов и нейтронов примерно одинаково. Нестабильными по отношению к электронному бета-распаду оказываются ядра, в которых число нейтронов заметно больше числа протонов. Изотопы с избытком протонов над числом нейтронов в ядре испытывают позитронный бета-распад.

Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ. Локальными источниками служат аварии самолетов с ядерным оружием на борту, гибель подводных лодок, оснащенных атомными силовыми установками и ядерным оружием. В течение ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Вклад в техногенную радиоактивность окружающей среды вносят и аварии искусственных спутников Земли с ядерными источниками энергии. Развитие атомной энергетики также привело к тому, что радионуклиды поступали и продолжают поступать в окружающую среду, как при штатной работе АЭС, так и в результате аварийных ситуаций, из которых наиболее серьезные последствия имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г.

Ядерное оружие.

Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Рис.5 Цепная ядерная реакция. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3 10 4 кВт ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Но для осуществления цепной реакции нельзя использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. В силу ряда причин из ядер, встречающихся в природе, пригодны лишь ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. 238 92 U.

Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения». Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого «поколения» и рождаются новые нейтроны.

Если k1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным и цепная реакция идет. При k<1 число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна.

Коэффициент размножения определяется следующими четырьмя факторами:

1) захватом медленных нейтронов ядрами урана с последующим делением и захватом быстрых нейтронов (также с последующим делением);

2) захватом нейтронов ядрами урана без деления;

3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки;

4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов (в основном за счет деления 235 92 U). Все остальные приводят к их убыли. Цепная реакция в чистом изотопе 238 92 U невозможна, так как в этом случае k<1 (число нейтронов, поглощаемых ядрами без деления, больше числа нейтронов, вновь образующихся за счет деления ядер).

Для равномерного течения цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть ранен единице. Это равенство необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k=1,01 почти моментально произойдет взрыв..

Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в атомной бомбе.

Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран или плутоний. Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими.

Рис. 6 Схема атомной бомбы.

То и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ. При ядерном взрыве происходит образование продуктов деления, ядерного синтеза и нейтронной активации.

При делении тяжелых ядер под действием нейтронов образуются сотни различных радионуклидов с разными периодами полураспада. Соотношение продуктов деления зависит от природы делящегося радионуклида и энергии нейтронов. Распределение дочерних продуктов по массовым числам имеет два максимума, находящихся в интервалах 85-105 и 130-150. Реакции ядерного синтеза протекают при взрыве термоядерных боеприпасов. При этом происходит, в частности, слияние ядер дейтерия и трития с образованием альфа-частицы и нейтрона. При взрыве бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой температуре резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве бомбы сильно радиоактивны и опасны для живых организмов.

Атомные бомбы были применены США в конце второй мировой войны против Японии. В 1945 г. Они были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.

Эти акты массового уничтожения людей не были вызваны военной необходимостью, так как в то время капитуляция Японии уже была предрешена. С созданием ядерного оружия победа в войне стала невозможной. Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия. Испытания ядерного оружия в атмосфере стали основным источником искусственной радиоактивности в окружающей среде (до 95%). Выпадения радионуклидов происходили неоднородно по поверхности планеты. Около 76% глобальных выпадений стронция-90 пришлось на северное полушарие, где было проведено 90% от общего числа испытаний. Максимум глобальных выпадений при пришелся на 40-50° с.ш.

При проведении подземных ядерных взрывов большая часть радионуклидов остается в полости взрыва, однако во многих случаях наблюдается выброс в атмосферу радиоактивных газов и других летучих продуктов взрыва.

В термоядерной (водородной) бомбе источником высокой температуры, которая необходима для термоядерного синтеза, служит взрыв атомной бомбы (урановой или плутониевой), помещенной внутри термоядерной. Технические возможности увеличения энергии взрыва этих бомб ничем не ограничены.

Пример цепной реакции: 239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

239 93 Np → 239 9 4 Pu + 0 -1 e

Атомный реактор.

Ядра урана, особенно ядра изотопа 235 92 U, наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения "коэффициента размножения нейтронов

Рис.7 Атомный реактор.

Основные элементы ядерного реактора: ядерное горючее (235 92 U, 239 92 Pu, 238 92 U и др.), замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.) и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор - вещества, которые хорошо поглощают нейтроны).

Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей

γ-излучение и нейтроны. Оболочку выполняют из бетона с железным заполнителем.

Лучшим замедлителем является тяжелая вода. Обычная вода сама захватывает нейтроны и превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем считается также графит, ядра которого не поглощают нейтронов.

Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция.

При малых размерах слишком велика утечка нейтронов через поверхность активной зоны реактора (объем, в котором располагаются стержни с ураном).

С увеличением размеров системы число ядер, участвующих в делении, растет пропорционально объему, а число нейтронов, теряемых вследствие утечки, увеличивается пропорционально площади поверхности.

Поэтому, увеличивая размеры системы, можно достичь значения коэффициента размножения k приблизительно равного 1. Система будет иметь критические размеры, если число нейтронов, потерянных вследствие захвата и утечки, равно числу нейтронов, полученных в процессе деления. Критические размеры и соответственно критическая масса определяются типом ядерного горючего, замедлителем и конструктивными особенностями реактора.

Для чистого (без замедлителя) урана 235 92 U, имеющего форму шара, критическая масса приблизительно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см (уран очень тяжелое вещество). Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k>1, а при полностью вдвинутых стержнях k<1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Аварии.

В настоящее время на дне Атлантического океана покоятся пять погибших атомных подводных лодок (две американских и три отечественных), которые являются потенциальными источниками техногенных радионуклидов. Однако, как показали многолетние наблюдения за затонувшей в Норвежском море АПЛ «Комсомолец», поступление радионуклидов за пределы корпуса лодки происходит крайне медленно, кроме того, многие радионуклиды прочно сорбируются донными осадками, так что серьезной опасности для окружающей среды затонувшие АПЛ, по-видимому, не представляют.

В 1968 г. в 11 км к западу от авиабазы Туле, вблизи побережья Гренландии, произошла катастрофа американского самолета В-52, несущего четыре ядерные боеголовки. В результате взрыва самолета плутоний, содержавшийся в боеприпасах, был перемешан со льдом, а также частично поступил под лед с фрагментами боеголовок. В итоге в донные осадки попало около 1 ТБк плутония. В 1966 г. произошло столкновение в воздухе двух самолетов американских ВВС над побережьем Испании. В результате произошло падение четырех термоядерных бомб: три упали на берег, одна - в Средиземное море. Однако эти инциденты не привели к серьезным последствиям для окружающей среды, поскольку большая часть плутония была удалена в результате своевременных дезактивационных работ.

В 1964 г. потерпел аварию американский навигационный спутник: он не вышел на орбиту и упал в Индийский океан. Энергоснабжение спутника обеспечивалось изотопным источником энергии. Авария спутника привела к распылению в атмосфере 629 ТБк 238 Pu. Около 95% этого плутония выпало на поверхность Земли к концу 1970 г. Падение спутника привело к существенному изменению соотношения изотопов плутония в глобальных выпадениях.

Авария советского спутника «Космос-954» в 1978 г. привела к поступлению в окружающую среду продуктов деления из бортового атомного реактора. Примерно три четверти от общего количества радионуклидов рассеялись в верхних слоях атмосферы. Падение обломков произошло на территории Северной Америки.

Известен ряд аварий на предприятиях ядерного топливного цикла. Например, в Селлафилде в 1957 г. произошла авария на исследовательском реакторе с расплавлением активной зоны.

27 сентября 1957 г. произошла авария в Кыштыме (Челябинская область) на предприятии по переработке радиоактивных отходов, где находились около 60 охлаждаемых водой емкостей из нержавеющей стали объемом по 250 м 3 с высокорадиоактивными отходами. В результате перебоя в подаче охлаждающей воды произошел взрыв мощностью 5-10 кт. Было эвакуировано 23 населенных пункта с населением 10180 человек. Радиоактивное облако поднялось на высоту 1 км и стало перемещаться на северо-восток.

Рис.8 Схема атомной электростанции.

Однако наиболее серьезная авария произошла на Чернобыльской АЭС в ночь на 26 апреля 1986 года. На Чернобыльской АЭС были установлены реакторы типа РБМК (реактор большой мощности кипящий), основной компонент выбросов которых в окружающую среду - РГ (радиоактивные газы), не создающие опасности внутреннего облучения. Штатная загрузка РБМК - 192 т ядерного топлива (UO 2) с обогащением 2% и 1760 т графита. Для предотвращения окисления графита в кожух реактора подается газовая смесь, состоящая из 80% гелия и 20% водорода. Полная кампания топлива длится 1080 суток. За это время в топливе накапливается свыше 500 радионуклидов от трития до кюрия с общей активностью 6,8 10 20 Бк. Среди этих радионуклидов достаточно много короткоживущих, активность которых быстро уменьшается со временем.

Авария на ЧАЭС произошла в результате грубейших нарушений техники безопасности при остановке 4-ого блока для проведения замены тепловыделяющих элементов. Произошел взрыв. Рассеяние крупных осколков топлива наблюдалось на расстоянии до сотен метров. Затем загорелся графит. Из общего количества накопившихся в реакторе РБМК радионуклидов при аварии 4-го блока ЧАЭС значительная часть была выброшена в окружающую среду. По мере того как графитовый компонент сердцевины реактора выгорал, он позволял оставшемуся топливу разъедать нижнюю биологическую защиту (НБЗ) и протекать в нижние части здания реактора. Через девять дней сердцевина реактора быстро затвердела и авария остановилась без прямого вмешательства человека (сбрасывание различных материалов с вертолета было неэффективным). Тепло распада быстро снизилось в связи с захватом окружающих материалов (нержавеющей стали и серпентина НБЗ) в соединении с быстрым распространением расплавленного топлива на расстояние до 40 м от эпицентра расплавленной сердцевины.

В течение первых 9 дней после аварии наблюдались четыре фазы процесса:

Третья фаза (2-5 мая) - сердцевина разогревается до температуры выше 2000°С; протекает реакция между кислородом и графитом; аэрозольные формы продуктов деления комбинируются с частицами графита;

Четвертая фаза (5-6 мая) - быстрое снижение эмиссии продуктов деления, связанное с остановкой процесса деления.

Выброс радиоактивных продуктов в атмосферу продолжался до конца августа со скоростью нескольких кюри в день.

В саркофаге, сооруженном вокруг аварийного блока, находится от 1270 до 1350 т содержащих топливо материалов (около 10,5% частично им горевшего ядерного топлива), 64000 м 3 других материалов (цемент, строительные материалы и др.), приблизительно 10000 т строительных металлоконструкций и от 800 до 1000 т загрязненной воды. В затвердевших остатках топлива остается значительное количество цезия-137 (35% от его исходного количества).

Главные пятна загрязнения на территории бывшего СССР - площади с уровнем радиоактивности на грунте более 560 кБк/м 2 . Большие площади на Украине и в Белоруссии имели уровень радиоактивности выше 40 кБк/м 2 . Наиболее загрязнена была 30-километровая зона, окружающая реактор, где уровень загрязнения цезием-137 обычно превосходил 1500 кБк/м 2 . В наиболее загрязненном Брянско-Белорусском пятне, находящемся в 200 км к северо-северо-востоку от 4-ого блока, уровень загрязнения цезием-137 достигал 5 МБк/м 2 .

Предельно высокие уровни выпадений, в том числе и в местах, находящихся в тысячах километров от места аварии, в основном были связаны с дождями. Сухие выпадения играли существенно меньшую роль в распространении Чернобыльских радионуклидов, чем в случае выпадений после испытаний ядерного оружия.

Все эти аварии - наглядный пример того, как опасна может быть радиация.

Часть 3.

Воздействие малых доз радиации на живой организм.

Эта тема не является основной для моего реферата, так что про неё я скажу совсем немного.

Механизм излучения, поражающего биологические объекты, еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены в хромосомах. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли γ-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе m облучаемого вещества:

D=E/m (17)

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в грэях (сокращенно: Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2-10 -3 Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3-10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Существенный вклад в облучение человека вносит радон и продукты его распада. Именно он, вызывает особую тревогу у ученых. По мнению правительственных экспертов за счет радона и продуктов его распада люди получают 3/4 дозы от общего количества радиации, поступающей в процессе облучения естественными источниками радиации. Таким образом, отрицательное действие радона на здоровье людей значительно превосходит воздействие от радиации, выброшенной в окружающую среду атомными станциями.

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора, в которой он образуется в результате естественного радиоактивного распада. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон поступает в первые этажи зданий и подвальные помещения и в них задерживается и накапливается (радон в 7,5 раз тяжелее воздуха). Как следствие, концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов обычно ниже, чем на первом этаже.

Еще один источник радона в помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич и т.д.), содержащие естественные радионуклиды. До 80% времени мы проводим в помещениях - дома или на работе. С одной стороны, здания защищают от излучений извне, но если в материалах, из которых они построены, содержатся природные радионуклиды, то из защитных сооружений здание превращается в источник опасности. Вот почему так важно приобретать стройматериалы, неопасные для здоровья. Особенно если речь идет о строительстве или отделке собственного жилья, которое призвано прослужить не одному поколению.

Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. Регулярное проветривание снижает концентрацию радона в несколько раз.

При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких. Так Американское Агентство по охране окружающей среды считает, что радон занимает второе после курения место в ряде причин, вызывающих это заболевание.

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории:

1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению.

2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

Таблица3. Радиационные эффекты облучения человека.

Часть 4. Методы регистрации частиц.

Газоразрядный счетчик.

В связи с распространением автоматического контроля различных производственных процессов с применением источников радио­активных излучений широкое применение получил газоразрядный счетчик, регистрирующий эти излучения. Его работа основана на ионизирующем действии радиоактивного излучения.

Рис.9 Газоразрядный счетчик.

Газоразрядный счетчик представляет собой стеклянный или металлический баллон с двумя электродами - внешним (катод(2)) и внутренним (анод(1)). Катодом является или металлический баллон, или проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Анодом служит тонкая металлическая проволока, натянутая внутри баллона вдоль его оси.

Счетчик обычно наполнен специальной смесью газов под давлением 100 мм рт. ст.

Когда газ внутри счетчика не ионизирован ядерными частицами, несмотря на приложенное к нему напряжение, ток между его электродами не протекает. Как только газ внутри счетчика будет ионизирован попавшими в него ядерными частицами, в цепи счетчика появится электрический ток.

Источником ионизации газа могут быть γ-, α- и β-лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения. Для работы счетчика используется такой режим, при котором ток в цепи счетчика пропорционален числу ионизирующих частиц. Этот режим называется «областью Гейгера» и используется для работы газоразрядных счетчиков. Последовательно со счетчиком включается сопротивление порядка 1 - 10 Мом, являющееся нагрузкой, с зажимов которого снимаются импульсы напряжения. Частота следования импульсов пропорциональна числу частиц, вызывающих ионизацию.

Газоразрядный счетчик воспринимает ядерное излучение и превращает его в электрические импульсы. Эти импульсы попадают в регистрирующее устройство. Количество поступающих импульсов характеризует степень радиоактивности.

В практике применяют разнообразные типы счетчиков, которые реагируют на различные излучения. Они рассчитаны на разное рабочее напряжение, имеют различный срок службы, исчисляемый миллионами импульсов, а также разные размеры - длину и диаметр.

Счётчик Гейгера-Мюллера.

Это газоразрядный прибор для подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, пробивающийся при пролёте ионизирующей частицы через объём газа.

Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 V), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом и материалом (и толщиной) его стенок.

Широкое применение счетчика Гейгера - Мюллера объясняется высокой чувствительностью, возможностью регистрировать разного рода излучения, сравнительной простотой и дешевизной установки. Счетчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.

Рис.10 Счетчик Гейгера-Мюллера.

Цилиндрический счетчик Гейгера - Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка - катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 1500 В.

Работа счетчика основана на ударной ионизации. γ-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счетчика является его эффективность. Не все γ-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия γ-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема

Эффективность счетчика зависит от толщины стенок счетчика, их материала и энергии γ-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счетчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счетчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счетчика выбирается из условия ее равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счетчика и возникновение импульса тока не произойдет. Так как гамма-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность γ-счетчиков также мала и составляет всего 1-2 %. Другим недостатком счетчика Гейгера - Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию.

Пузырьковая камера

Это трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

Рис. 11 Пузырьковая камера.

Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины, пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – 10-100 расширений в секунду. Моменты возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.

Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости, являясь одновременно мишенью и детектирующей средой, обладают на 2-3 порядка большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения, и позволяют целиком “уместить” в своём объёме треки высокоэнергичных частиц.

Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м 3). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер 0,1 мм.

Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро “включить” по сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.

Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Рис.12 Схема камеры Вильсона. Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей.

На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 -3 -10 -4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно 0,3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0,1 -2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

Дозиметр и радиометр.

Дози́метр - устройство для измерения дозы или мощности дозы ионизирующего излучения, полученной прибором (и тем, кто им пользуется) за некоторый промежуток времени, например, за период нахождения на некоторой территории или за рабочую смену.

Измерение вышеописанных величин называется дозиметрией.

Иногда «дозиметром» не совсем точно называют радиометр - прибор для измерения активности радионуклида в источнике или образце (в объеме жидкости, газа, аэрозоля, на загрязненных поверхностях) или плотности потока ионизиру-

Рис. 13 Дозиметр.

щей излучений для проверки на радиоактивность подозрительных предметов и оценки радиационной обстановки в данном месте в данный момент.

Измерение вышеописанных величин называется радиометрией.

Рентгенметр - разновидность радиометра для измерения мощности гамма-излучения.

Бытовые приборы, как правило, комбинированные, имеют оба режима работы с переключением «дозиметр» - «радиометр», световую и (или) звуковую сигнализацию и дисплей для отсчёта измерений. Масса бытовых приборов от 400 до нескольких десятков граммов, размер позволяет положить их в карман. Некоторые современные модели можно надевать на запястье, как часы. Время непрерывной работы от одной батареи от нескольких суток до нескольких месяцев.

Рис14. Схема дозиметра . Диапазон измерения бытовых радиометров, как правило, от 10 микрорентген в час до 9,999 миллирентген в час (0,1 - 99,99 микрозиверт в час), погрешность измерения ±30 %.

Детектором (чувствительным элементом дозиметра или радиометра, служащим для преобразования явлений, вызываемых ионизирующими излучениями в электрический или другой сигнал, легко доступный для измерения) может являться ионизационная камера (военный прямопоказывающий дозиметр «ДП-50», похож на авторучку с окошком в торце), сцинтиллятор (геологический поисковый радиометр «СРП-88»), счётчик Гейгера (военный радиометр «ДП-12», бытовые комбинированные «Белла», «Сосна», «Эксперт» (позволяет измерять мягкое бета

Рис.15 Радиометр.

излучение), «РКСБ-104» (радиометр с возможностью работы в дежурном режиме, подаёт сигнал при превышении установленного пользователем уровня), «Мастер» (маленький экономичный рентгенметр и так далее) или же специальный полупроводниковый диод.

Заключение.

Итак, моя работа над рефератом выполнена ровно на половину. Как я и предполагала вначале, времени на измерение уровня радиоактивности и составление таблиц,к сожалению, не хватило.

Выше изложенный материал – это то, в чем в течение года разбиралась я, и, надеюсь, после прочтения, разобрались и Вы.

Я планирую в следующем году завершить практическую часть своей работы и составить таблицы с радиационным паспортом гимназии.

Список используемой литературы.

Прескотт К. Оксфордский справочник школьника. – изд. ООО «Издательство Астрель», 2008, -стр.200.

Радиоактивность окружающей среды./ Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – стр32.

1. А.А. Пинской. Учебник по физике за 11 класс.

2. Г.Я. Мякишев. Учебник по физике за 11 класс.

3. Ю.Б. Кудряшов. Радиационная биофизика.

4. Физический энциклопедический словарь.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Поступление радионуклидов в окружающую среду

1.1. Естественная радиоактивность

1.2.Искусственная радиоактивность

2. Радионуклиды в гидросфере

2.1. Естественная радиоактивность гидросферы

2.2. Искусственная радиоактивность гидросферы

2.3. Актиниды в гидросфере

Список использованной литературы

Введение

Определение естественных и техногенных радионуклидов в объектах окружающей среды (в воздухе, в природных водах и почвах, в продуктах питания) позволяет оценить возможную опасность радиационного воздействия на здоровье человека. В то же время исследование распределения радионуклидов в окружающей среде может дать ценную информацию о происходящих в ней процессах. Радионуклидные методы применяются для изучения перемещения водных и воздушных масс, определения времени жизни аэрозолей, датирования геологических и археологических объектов.

Загрязнение поверхностных вод началось в центральной России еще в XVI в., когда начали удобрять поля навозом. С тех пор в центральных районах страны основным загрязнителем вод было сельское хозяйство. В более северных районах большую роль играл сплав леса, особенно молевой, при котором бревна тонули и гнили в воде. С развитием промышленности и ростом городов стала расти роль коммунальных и промышленных загрязнений.

Резкое усиление загрязнений произошло в ХХ в. Особая опасность связана с совпадением периода роста сбросов загрязненных сточных вод и многовековой тенденции нарастания сухости климата, снижения водности водоемов. В этих условиях растут концентрации поллютантов в растворах и, следовательно, степень их вредного воздействия на природные системы и здоровье человека.

Цель работы заключается в рассмотрении естественной и искусственной радиоактивности природных вод.

1. ПОСТУПЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

1.1 ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Природные радионуклиды можно разделить на две большие группы - первичные , т.е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и космогенные , которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают со внеземным веществом.Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли (табл. 1)

Таблица 1. Основные первичные радионуклиды

Радионуклид	Т 1 / 2 , лет	Доля в природной смеси изотопов, %

Три первичных радионуклида- 238 U, 235 U и 232 Th - являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие - состояние, в котором радиоактивности (но не количества ядер) всех членов ряда равны между собой. Вековое равновесие между радионуклидами устанавливается в том случае, если период полураспада материнского радионуклида велик по сравнению с периодом полураспада дочернего. Накопление дочернего радионуклида подчиняется закону

A= A 0 (1-e - лt)

где А - активность дочернего радионуклида, А 0 - активность материнского радионуклида, л- постоянная радиоактивного распада дочернего радионуклида, t- время, прошедшее с начала накопления дочернего радионуклида.

Для установления радиоактивного равновесия достаточен промежуток времени, равный 10 периодам полураспада дочернего радионуклида. Различные геохимические процессы могут приводить к фракционированию членов радиоактивных рядов, поэтому вековое равновесие сохраняется только в системе, замкнутой относительно материнского и дочерних радионуклидов.

Когда образовалась Земля, в состав природной смеси изотопов урана входило определенное количество урана-238, и миллиард лет назад доля урана-235 в природном уране была значительно выше. Для поддержания устойчивой работы ядерного реактора достаточно 3% урана-235.

В настоящее время именно природные радионуклиды составляют основу дозовой нагрузки на человека.

А. Беккерель, изучая флуоресценцию соединений урана, установил примерно через 100 дней после открытия рентгеновских лучей, что фотопластинки, даже завернутые в черную бумагу, темнеют при соседстве с солями урана. Явление было названо «радиоактивность»

В последствии было показано, что радиоактивность -это самопроизвольный распад атомных ядер вещества с испусканием ядерных излучений:б-частиц (ядер гелия), в-частиц (электронов) и г-квантов. Позже были открыты и другие, более редкие виды распада: спонтанное деление ядер, двойной в- распад, испускание ядерных кластеров и т.д.

б-Частицы и г-кванты, испускаемые ядрами при радиоактивных превращениях, обладают дискретными значениями энергии, так как они возникают при переходе ядер из одного определенного энергетического состояния в другое. Распределение частиц или квантов по энергиям называется спектром. Спектры б-частиц и г-квантов дискретны.

При в- распаде одновременно с в- частицами испускается нейтрино, и энергия распада распределяется между в- частицей и нейтрино. В результате в- частицы обладают не дискретным, а непрерывным спектром.

Для оценки воздействия ионизирующего излучения на вещества и живые организмы используют понятие «дозы». Поглощенная доза-это отношение энергии, переданной веществу излучением, к массе вещества. Единица поглощенной дозы-грей (1 Гр=1 Дж/кг). Для оценки воздействия излучения на живые организмы используют эквивалентную дозу, при расчете которой учитывается тот факт, что ионизирующие излучения разного типа и энергии по-разному воздействуют на организм. Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв). Поглощенная доза трудно поддается непосредственным измерениям, поэтому для расчета эквивалентной и поглощенной доз используют экспозиционную дозу, являющуюся мерой ионизации, т.е. непосредственно измеряемой величиной. Единицей экспозиционной дозы является рентген (Р).

1.2 ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ. Локальными источниками служат аварии самолетовс ядерным оружием на борту, гибель подводных лодок, оснащенных атомными силовыми установками и ядерным оружием. В течении ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Вклад в техногенную радиоактивность окружающей среды вносят и аварии искусственных спутников Земли с ядерными источниками энергии. Развитие атомной энергетики также привело к тому, что радионуклиды поступали и продолжают поступать в окружающую среду, как при штатной работе АЭС, так и в результате аварийных ситуаций, из которых наиболее серьезные последствия имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986. В таблице 2. Представлены обобщенные данные о поступлении техногенных радионуклидов в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия (в том числе и подземных), деятельности предприятий ядерного топливного цикла и аварийных ситуаций на них.

Таблица 2. Оценка выброса техногенных радионуклидов

Источник	Активность выбросов, Пбк
			Радиоакт. благород. газы.
Атмосферные ядерные взрывы
Подземные ядерные взрывы
Работа реакторов
Переработка
Производство и использование радионуклидов
Три-Майл-Айленд
Чернобыль
Селлафилд
Космос-954

2. Радионуклиды в гидросфере

Понятие гидросферы включает океаны, моря, озера, реки, болота, льды, подземные воды, а также атмосферную влагу.

Определяющую роль в радиоактивности гидросферы играют в настоящее время естественные и искусственные радионуклиды, характер распределения которых в атмосфере, водной толще и в донных отложениях определяется совокупностью геохимических и биогеохимических процессов, протекавших в гидросфере за время ее существования.

Роль искусственных радионуклидов в общем балансе радиоактивности гидросферы относительно невелика. Однако локальные уровни радиоактивного загрязнения, связанные главным образом с работой предприятий ядерного топливного цикла, в частности со сбросом низкоактивных отходов по трубопроводам непосредственно в море (Ядерный центр в Селлафилде, Великобритания; предприятие «Кожема» на мысе Аг, Франция), с захоронением контейнеров с высокоактивнми отходами (Тихий и Атлантические океаны, США и Великобритания; Арктические моря), а также с авариями судов с ядерными энергетическими установками, могут заметно превышать уровни радиоактивности, обусловленные естественными причинами.

Продолжает вносить свой вклад в глобальном масштабе и радиоактивность из стратосферного резервуара, где продукты деления длительное время накапливались в результате испытаний ядерного оружия. Значительная часть радионуклидов, поступающих в окружающую среду на континентах, рано или поздно с водами рек или подземным стоком оказываются в морской среде .

2.1 Естественная радиоактивность гидросферы

Основной вклад в природную радиоактивность гидросферы вносит 40 К. Заметный, но существенно меньший вклад вносят 87 Rb, а также первичные радионуклиды уран-238, уран-235 и торий-232 с продуктами их распада, составляющими естественные радиоактивные ряды. Кроме того, на земную поверхность постоянно поступают радионуклиды, образующиеся пр взаимодействии космического излучения с ядрами атомов газов и паров, входящих в состав верхних слоев атмосферы. Концентрации в природных водах некоторых радионуклидов, вносящих значительный вклад в радиоактивность гидросферы, приведены в таблице 3.

Таблица 3.Средние удельные активности некоторых естественных радионуклидов (Бк/л) в природных водах

Радионуклид	Дождевая вода	Озера, реки	Грунтовые воды	Питьевая вода	Поверхностные воды океана
Терригенные радионуклиды
Космогенные радионуклиды

Радиоактивность подземных вод. Подземными водами, в самом общем смысле, называют влагу, заполняющую пустоты земной коры. С точки зрения радиоактивности окружающей среды наибольший интерес представляет лишь та часть влаги, которая находится в области эрозионных врезов поверхностных водоемов и участвует в обще и внутриматериковом влагообороте.

Объем подземных вод земного шара достигает примерно 100 млн км 3 , .е. в 14 раз меньше объема воды Мирового океана и примерно в 8000 раз больше объема атмосферной влаги. В круговороте радионуклидов в биосфере подземная влага принимает меньшее участие, чем другие воды. Так, если объем влаги в атмосфере меняется каждые 9 суток, а в поверхностных водах океанов и морей примерно каждые 2000лет, то подземные воды меняются в среднем только через 8000 лет. В самой верхней части земной коры подземные воды движутся обычно со скоростью 1-1000 м/год, а на глубинах 1000-2000 м. радиоактивность подземный гидросфера излучение

По условиям залегания подземные воды делятся на почвенные, грунтовые, межпластовые. В состав последних входят и так называемые минеральные воды, часто отличающиеся сравнительно высокой радиоактивностью. Как правило, уровень активности подземных вод зависит от их химического состава, который физико-химическими, физико-географическими, геологическими, гидрологическими, физическими, биологическими и искусственными факторами.

Так как почвенные вод залегают вблизи земной поверхности и формируются за счет атмосферных осадков, то их активность зависит от количества растворимых радионуклидов, содержащихся в почвенных слоях. Этим же обстоятельством определяется и радионуклидный состав грунтовых вод, которыми называются воды, скапливающиеся на первом от поверхности водоупорном слое пород.

Межпластовые воды представляют собой скоплении водной массы между водоупорными слоями в толще осадочных пород. В случаях преобладания процессов испарения над процессами увлажнения радиоактивность почвенной воды может достигать весьма больших величин.

В водах, глубоко залегающих и сильно минерализованных, содержание калия, как правило, повышено. Увеличение активности артезианских вод идет более или менее параллельно увеличению общей концентрации солей, в них содержащихся. Высокая концентрация калия найдена и в минерализованных водах древнепалеозойских отложений Белоруссии.

Радиоактивность минеральных вод. Согласно принятой в радиогидрогеологии классификации, все воды радиоактивных минеральных источников в зависимости от преобладания в их составе того или иного радиоактивного элемента делятся на три группы: радоновые, радиевые и урановые. Кроме того, существуют промежуточные типы вод: радоново-радиевые и радиево-мезоториевые воды. В некоторых минеральных источниках концентрация радия достигает очень высоких значений.

Радиоактивность речной воды в основном обусловливается 40 К, содержание которого зависит как от химического состава пород, омываемых этими водами, так и от ряда климато-метеорологических факторов. Как правило, поверхностные воды (снеговые, дождевые, ледниковые и т.п.) содержат относительно небольшое количество радиоактивных веществ, и поэтому в период весеннего снеготаяния или интенсивных ливней поступление в реки больших масс воды этого происхождения сопровождаются понижением удельной активности речной воды. Во время паводка общая радиоактивность воды рек несколько снижается, а в период межени повышается.

В некоторых случаях химический состав растворенных веществ в воде реки в течении года изменяется столь сильно, что река переходит из одного класса в другой (природные воды классифицируются на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные). Такие резкие колебания в химическом составе сопровождаются соответствующими изменениями и в уровне радиоактивности рек.

Радиоактивность озерных вод. Активность воды озер тесно связана с химическим составом воды впадающих в них рек и питающих их подземных вод. Как правило, существует прямая зависимость между степенью минерализации и радиоактивностью озерной воды. Озера с низким уровнем минерализации воды и слабой активностью встречаются в Карелии, на Кольском полуострове, в северных областях Сибири. Озера со средним уровнем минерализации и соответствующим уровнем активности преимущественно расположены в районе средней полосы европейской части России и в Сибири.

В тех случаях, когда озеро находится в зоне избыточного увлажнения и приток воды превышает ее испарение, возникает сток воды из озера. В результате таких соотношений активность озерной воды мало чем отличается от степени активности воды рек и, как правило, бывает невысокой. Вследствие превышения испарения над притоком сток из таких озер отсутствует и в них происходит аккумуляция солей и соответственное увеличение радиоактивности воды.

Естественная радиоактивность морской воды. Основные источники первичных радионуклидов, содержащихся в океанической воде, - речной сток и гидротермальные потоки из зон разломов океанической коры. Космогенные радионуклиды и значительная часть техногенных поступают в океан из атмосферы.

Калий -40 вносит в настоящее время наибольший вклад в радиоактивность земной коры и вод океана. Распад ядер происходит по двум основным направлениям: 89,5% ядер испускают в-частицы с максимальной энергией 1.33 Мэв, а 10,5 % ядер испытывают К-захват с последующим испусканием г-квантов с энергией 1,46 МэВ. Удельная в-активность земного калия составляет 28, 27±0,05 Бк/кг, а удельная г-активность калия составляет 3,26±0,05 Бк/кг. Таким образом, калий -40 вносит вклад и в в и в г-радиоактивность окружающей среды.

Из естественных радионуклидов средней части периодической системы следующим после калия-40 по значению удельной активности в океанической воде является рубидий-87 , а также относящийся к первичным радионуклидам. В природной смеси изотопов рубидия на долю 87 Rb приходится 27,85%, период его полураспада равен 6,5Ч10 10 лет. Ядра рубидия испускают в-излучение с максимальной энергией 0, 394 МэВ. Из-за низкой скорости распада и относительно небольшой энергии испускаемого в-излучения вклад этого радионуклида в уровень дозовых нагрузок в окружающей среде весьма незначителен.

Уран. В состав природной смеси изотопов урана входят уран-234, уран-235 и уран-238. Последние два изотопа являются родоначальниками актиниевого и уранового рядов, а уран-234-продукт распада урана-238.

В речном стоке доли урана во взвешенном и растворенном состоянии примерно равны. Основная масса взвешенного речного урана осаждается в прибрежной зоне, на шельфе и на материковом склоне. Однако часть его остается в составе терригенных частиц в океаническом взвешенном материале, а в поверхностных водах наблюдается пропорциональность между содержанием во взвеси карбоната кальция и концентрацией взвешенного урана. .

В водах морей и океанов уран находится преимущественно в растворенной форме в виде устойчивого уранилкарбонатного комплекса 4- .

Радиоактивное равновесие между 238 U и 234 U в океанической воде нарушается из-за того, что 234 U прочно удерживается кристаллической решеткой в исходных продуктах выветривания пород. Среднее значение соотношения 234 U / 238 U в водах океана равно 1, 15 .

Торий . Торий-232 поступает в океан с речным стоком главным образом во взвешенном состоянии в виде мельчайших терригенных частиц, в состав кристаллической решетки которых он входит, и основная масса его осаждается в устьевых районах и на шельфе. В поверхностных водах открытого океана, где концентрации взвеси низка, для взвешенного тория обычно не превышает 10-20 %.

Источником остальных изотопов тория в водах океана является в основном распад материнских радионуклидов. Поступление тория-238 и тория-234 с речным стоком пренебрежимо мало из-за короткого времени их жизни. Торий подвергается процессам гидролиза, комплексообразования, в также адсорбции на частицах взвеси. Этим определяется и существенный сдвиг радиоактивного равновесия тория-230 с ураном: в океанической воде содержится лишь 0,005-0,12 % равновесного тория-230, что свидетельствует об очень быстром удалении его из вод океана.

Основная роль в удалении тория-230 из вод океанов принадлежит адсорбционным процессам на поверхности взвешенных частиц и их осаждению на дно, а в поверхностных слоях- биогенному извлечению. По мере движения взвеси через толщу вод доля взвешенного тория -230 увеличивается. Торий-228 и торий-234 в отличие от тория-230 имеют малые периоды полураспада и основным путем удаления их из вод океана является радиоактивный распад.

Время пребывания тория в водах океана оценивается сотнями лет. Для короткоживущих тория-238, тория-234 перенос со взвешенным веществом приводит к заметным смещениям радиоактивного равновесия с материнским радием-228 и ураном-238.

Отношения концентраций взвешенных и растворенных форм тория-230 и тория-228 составляют около 0,15-0,20.

Радий . Основной источник поступления радия в воды морей и океанов-донные осадки. Роль речного стока и образования в водной толще в результате распада находящихся там изотопов урана и тория незначительна. Период распада радия-226 составляет 1560 лет, и концентрация растворенных форм радия постепенно убывает с уменьшением глубины. Продукт распада радия-226 благородный газ радон-222 хорошо растворим в воде, и поскольку он обладает сравнительно коротким периодом полураспада, вертикальный профиль его концентрации в океане в значительной степени повторяет распределение радия. Продукты распада радона-222 - полоний-218, свинец-214 и висмут-214 - обладают короткими периодами полураспада. Они вносят свой вклад в б-,в- и г-радиоактивность морской воды, так как практически находятся в состоянии радиоактивного равновесия с радоном-222. Свинец-210 обладает уже достаточно большим периодом полураспада и его поведение в морской среде определяется совокупностью сорбционных и десорбционных процессов, аналогичных рассмотренным выше для изотопов тория.

Радий в морских водах находится преимущественно в катионной форме, и воды океана недонасыщены его наиболее труднорастворимыми соединениями. Незначительная роль биоты в связывании радия подтверждается отсутствием корреляции между концентрацией радия и содержанием органического вещества во взвешенном материале, а также малой долей радия, связанного с планктонными организмами. Прибрежные и придонные воды наиболее обогащены радием-228. Благодаря интенсивному обмену в поверхностных слоях он переносится в центральные районы океанов адвектным и диффузионным путями, и в процессе этого переноса концентрация его уменьшается.

Максимальные значения концентрации радия-238 наблюдается в области пикноклина (слой водной толщи, в котором происходит скачкообразное изменение плотности), что связано с медленным обменом поверхностных вод с нижележащими. В природных слоях радия-228, поступающий из донных отложений, диффундирует в вышележащие слои воды в соответствии с интенсивностью протекающих здесь процессов вертикального обмена, и заметные концентрации его обнаруживаются на расстояниях до 1-1,5 км до дна.

Радон. Все изотопы благородного газа радона - продукты распада соответствующих изотопов радия. Самый долгоживущий из них- радон-222.

Радон в океане в основном образуется в результате распада радия и из-за малого периода полураспада находится в равновесии с радием-226. Некоторая часть радона поступает из донных осадков, и его концентрация в придонных слоях воды может превышать равновесное значение в несколько раз. В поверхностных водах открытого океана определенная часть радона уходит из океана в атмосферу, и дефицит радона в перемешанном слое может достигать половины равновесной с радием концентрации. Влияние потоков радона через границы раздела сказывается лишь в узкой области, прилегающей к границе. Удаление его из океана происходит в основном вследствие радиоактивного распада.

Свинец-210. Основной источник его в океане - это распад материнского радия-226. Он поступает с речным стоком и из атмосферы. Распределение изотопов свинца в океане в значительной степени связано со взвешенным веществом. Время пребывания свинца в водной толще океанов составляет 50-100 лет, так что двух третей свинца-210 может выводиться из океанических вод в результате радиоактивного распада, а остальная часть - в результате процессов гравитационного осаждения на взвеси и адсорбции донными осадками.

В поверхностных слоях морской воды содержание свинца-210 обычно превышает равновесное с радием-226 значение, что является следствием поступления его из атмосферы. Нарушается эта система в районах с низким атмосферным поступлением свинца-210 и высоким содержанием взвешенного вещества.

С глубиной отношение активности свинца-210 к активности радия-226 уменьшается и, начиная с нескольких сотен метров, становится меньше единицы. Однако в районах с низкой биологической активностью равновесие между свинцом -210 и радием-226 может сохраняться до значительных глубин. В глубинных слоях концентрация свинца-210 может отличаться от равновесной с радием-226 в два раза и более. По мере приближения ко дну отношение активностей свинца-210 и радия-226 быстро уменьшается до минимальных значений. Влияние этих процессов благодаря вертикальному перемешиванию сказывается только в пределах 1000 м над поверхностью дна.

Полоний. Полоний-210 - продукт распада свинца-210, являющегося основным источником полония-210 в океане. Вклад речного стока и атмосферы незначителен.

Полоний в океане в значительной степени ассоциирован со взвешенным веществом. В верхнем перемешанном слое отношение активностей полония-210 и свинца-210 почти всегда меньше единицы. Это связано с тем, что время пребывания полония-210 в поверхностном слое меньше, чем свинца-210, составляя 0,6 года для вод Атлантического и Тихого океанов.

Ниже поверхностного слоя отношение полония-210 к свинцу-210 быстро растет до равновесного значения и в дальнейшем с глубиной колеблется, оставаясь в среднем несколько меньше единицы. Наблюдается рост с глубиной концентрации взвешенного полония-210 относительно свинца-210, что свидетельствует о более быстром удалении полония-210 из глубинных вод .

Космогенные радионуклиды. Поступившие из атмосферы космогенные радионуклиды включаются в циклы соответствующих элементов в океане. Благодаря существованию широтных вариаций в распределении космогенных радионуклидов в нижней атмосфере, аналогичный эффект для трития, бериллия-7 и углерода-14 отмечается и в поверхностных водах океанов.

Поступившие на поверхность океана радионуклиды распространяются в нижележащие слои воды. При этом глубина их проникновения определяется (помимо процессов вертикального обмена, общих для всех радиоактивных изотопов различных элементов) скоростью радиоактивного распада, от которой зависит и время установления стационарного вертикального распределения.

Тритий в виде молекул НТО является составной частью воды, а малая его часть входит в состав органического вещества (содержание органического вещества в поверхностных водах около 1 мг/л). До начала ядерной эры соотношение концентраций трития и протия в природных водах составляло 1:10 18 . Затем он стал поступать в природные воды в результате испытаний ядерного оружия и деятельности предприятий ЯТЦ.

В перемешенном слое концентрация трития меняется мало, затем идет слой с резким градиентом, а далее с ростом глубины наблюдается плавное уменьшение концентрации. На такую общую картину могут накладываться эффекты горизонтального переноса. На высоких широтах северной Атлантики в глубинных слоях наблюдается повышенные концентрации трития, что связано с быстрым опусканием вод.

Бериллий-7 поступает в океан из атмосферы, главным образом с атмосферными осадками. Благодаря небольшому периоду полураспада, он содержится в основном в перемешанном слое пикнолина. В ультрамалых концентрациях в водных растворах бериллий, по-видимому, довольно легко адсорбируется на поверхности взвешенных частиц. Коэффициент концентрирования бериллия морскими организмами достигает 10 3 .

Углерод-14 (в виде 14 СО 2) поступает в океан в процессе обмена углекислым газом с атмосферой. В океане он включается в углеродную систему, состоящую из растворенного и взвешенного органического углерода, карбонатной системы и карбонатов взвесей. Большая часть углерода в той или иной форме находится в растворе. Так, органический взвешенный углерод составляет в поверхностных слоях лишь несколько процентов от растворенного, с глубиной эта доля уменьшается. Содержание неорганического растворенного углерода (?СО 2) в океане составляет около 90-105 мг/л, и, следовательно для углерода (в пересчете на СО 2) в составе карбонатов кальция и магния в поверхностной океанической взвеси составляет несколько десятых долей процента и менее. Эта доля с глубиной уменьшается вследствие растворения карбонатов в процессе оседания взвешенного материала. Сравнение содержания неорганического и органического углерода в растворе показывает, что в составе органического вещества углерода примерно в 30 раз меньше. Очень малая часть радиоуглерода в океанических водах может находиться во взвешенном состоянии. Благодаря большому периоду полураспада углерода-14, космогенный радиоуглерод довольно однородно распределен в водах океана по глубине. Значительные количества углерода-14, поступающие от ядерных взрывов, привели к большому росту концентрации в поверхностных слоях и большим градиентам концентрации в верхнем 1000-метровом слое Тихого океана.

Кремний-32 в океане находится преимущественно в растворенном виде. Фильтрация через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм показала, что в поверхностных водах Тихого и Атлантического океанов во взвешенном состоянии находится менее 10% кремния. С глубиной эта величина уменьшается. Подавляющая часть кремния-32, поступающего из атмосферы в океан, должна находиться в растворенной форме .

2.2 ИСКУСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ ГИДРОСФЕРЫ

История радиоактивного загрязнения окружающей среды началась с пуском заводов по переработке урана и первых реакторов в Хэнфорде на реке Колумбия (США). До 1971 г. там работало 8 реакторов. Жидкие отходы низкой активности разбавляли водой до удельной активности около 4 Бк/л и сбрасывали в реку. Отходы более высокой активности выдерживали в специальных емкостях до распада короткоживущих радионуклидов.

В реки США в 1958 г. было сброшено 7Ч10 15 Бк радиоактивных отходов. В результате многолетнего сброса искусственных радионуклидов в реки в их устьях образовались обширные области с повышенной радиоактивностью техногенного происхождения.

Различные радионуклиды по-разному ведут себя по отношению к взвешенному веществу и донным осадкам рек. Стронций-90 образует преимущественно растворимые формы и легко переносится водными массами на большие расстояния. Радиоактивные изотопы цезия способны сорбироваться на глинистых составляющих почв и речной взвеси, что во многом затрудняет его миграцию с речными водами, богатыми взвешенным веществом. Это принципиальное различие в поведении цезия-137 и стронция-90 было наглядно продемонстрировано многочисленными исследованиями техногенной радиоактивности Дуная и Днепра, проведенными после Чернобыльской аварии.

Воды Дуная составляют около 60 % речного стока в Черное море, а его бассейн - это почти половина территории Западной Европы. Поэтому Дунай в настоящее время служит наиболее значимым источником поступления искусственной радиоактивности в Черное море. Характерная особенность Дуная - высокое содержание взвешенного вещества. .

В настоящее время Днепр в среднем и нижнем течении представляет собой систему водохранилищ. Скорости течения Днепра малы, перемещение водных масс от верховья до устья занимает около года. В результате создаются идеальные условия для связывания растворенных компонентов со взвешенным веществом и поступления их в донные осадки Днепровского каскада. Около 94% взвешенного вещества оседает в пределах водохранилища и только 6% достигает следующего резервуара. Скорость переноса 90 Sr с днепровскими водами существенно выше по сравнению со скоростью переноса 137 Cs .

Радиоактивное загрязнение морской среды приняло глобальный характер с началом испытаний ядерного оружия. Было испытано более 350 боеприпасов и над землей, ив океане, в том числе 2 подводных взрыва, 11- над открытым океаном. 113- над или на коралловых островах, 79- на арктических островах.

Продукты ядерных взрывов поднимались на большие высоты в стратосферу и распространялись по всему земному шару. Искусственные радионуклиды из стратосферного резервуара, куда они попали при испытаниях в атмосфере, на поверхности Земли или океана, продолжают поступать на поверхность суши и океана с атмосферными выпадениями. Радионуклиды, поступающие на поверхность суши, которая является площадью водосбора рек, с речными водами также могут поступать в океан.

На долю океана приходится около 70 % поверхности Земли, непосредственные выпадения на поверхность океана создали в конце 50-х-начале 60-х гг. прошлого века заметные уровни искусственной радиоактивности в поверхностных слоях морской воды.

Процессы биогеохимической седиментации привели к довольно быстрому удалению многих радионуклидов из поверхностных слоев морской воды через всю водную толщу на дно. Распределение продуктов деления, поступающих из стратосферного резервуара на земную поверхность, было неравномерным и максимум выпадений пришелся на 40-50-е градусы северной широты. Экватор оказался важным барьером, препятствующим проникновению значительной части радионуклидов из северного полушария, где проводилась большая часть испытаний в южное.

Реки приносят в океан растворенные и взвешенные формы радионуклидов, собранные сов сего своего бассейна. На границе происходит геохимические превращения, связанные со скачкообразным изменением на этом барьере многих гидрохимических параметров: рН, температуры, солености, окислительно-восстановительного потенциала. В результате ряд радионуклидов, присутствовавших в речных водах в растворенной форме, в зоне смещения пресных и морских вод уходит на дно.

Поведение искусственных радионуклидов, попадающих в океан, и их распределение в океане определяются их физико-химическими свойствами, в том числе способностью к гидролизу, сродством к взвешенному веществу, участием в биогеохимических процессах. Важная особенность поведения многих радионуклидов в морской среде связана с их взаимодействием с органическим веществом с образованием комплексных соединений. Поверхность океана покрыта тончайшим микрослоем, содержащим поверхностно-активные вещества, где концентрируются многие микроэлементы.

Постоянно образующиеся в подповерхностном слое воздушные пузырьки лопаются, поднимаясь на поверхность, и этот процесс приводит к выносу на поверхность не только главных ионов солевого состава океанической воды, но и с большей эффективностью ионов многих микроэлементов из поверхностного микрослоя. В результате морские аэрозоли оказываются обогащенными микроэлементами по отношению к главным компонентам морской соли. В подобных процессах могут участвовать и радионуклиды.

Около 80% плутония, сбрасывавшегося европейскими предприятиями по переработке ядерного топлива в растворенной форме, удалялось в процессе седиментации, до того как водные массы достигали Баренцева и Гренландского морей .

В поверхностных водах открытого океана взвешенная фаза содержит 12-35% плутония, а в подповерхностных водах около 6% плутония. Основным источником плутония-239,240 в водах океана являются глобальные выпадения, а источник плутония-238 - европейские предприятия по переработке ядерного топлива. Заметную роль в загрязнении окружающей среды плутонием-238 сыграли аварии космических аппаратов с ядерными энергетическими установками.

2.3 АКТИНИДЫ В ГИДРОСФЕРЕ

В водных системах для актинидов характерен ряд степеней окисления от +3 до +6. Степеням окисления +5+6 отвечают конетически и термодинамически стабильные линейные диоксокатионы. Из-за стерических затруднений координационные числа пяти- и шестивалентных актинидов в водных растворах равны 4 и 6 соответственно. Для An 3+ и An 4+ координационные числа могут меняться от 6 до 12.

Торий в растворе исключительно четырехвалентен. Наиболее характерная степень окисления урана - +6. Для нептуния и протактиния наиболее типично пятивалентное состояние, нептуний может окисляться или восстанавливаться до шести- и четырехвалентного состояний соответственно. Америций и кюрий в условиях окружающей среды проявляют лишь одну степень окисления +3. Наибольшее разнообразие степеней окисления проявляет плутоний: в природных условиях, по-видимому, могут сосуществовать четыре степени окисления от +3 до +6.

В водных растворах актиниды во всех степенях окисления проявляют свойства типичных «жестких» кислот, что определяет электростатическую природу их взаимодействия с анионами и предпочтительное связывание с кислородсодержащими лигандами. В природных водах поведение актинидов определяется реакциями гидролиза и комплексообразования, главным образом с карбонат-ионами.

Гидролиз четырехвалентных актинидов начинается в кислых растворах, а для пятивалентных актинидов он незначителен до рН 9. Плутоний, сорбированный на поверхности взвешенных частиц, находится в восстановленной форме (+4). В прибрежных донных осадках и в почвах плутоний в основном связан с гуминовыми кислотами, имеющими относительно высокий молекулярный вес и с легкими фульвокислотами. .

Время пребывания плутония в водной толще меняется в широких пределах - от десятков дней в прибрежных водах, богатых взвешенным веществом, до десятков лет в открытом океане.

В замкнутых водоемах, а также в прибрежных зонах, богатых взвешенным веществом, может происходить изменение состояния окисления плутония. Восстановление плутония также может происходить под действием сероводорода, что наблюдается, в частности, в Черном море, где сероводород встречается повсеместно на глубине более 100 метров, и в норвежских фьордах. .

Для разделения плутония в высших и низших степенях окисления использовали различия в степени сорбции на трифториде лантана. Для контроля химического выхода использовали две изотопные метки, вводимые в различных химических формах. Плутоний проявляет консервативное поведение в морской воде, это обусловлено его окисленным состоянием.

1. Время пребывания плутония в водной толще меняется в широких пределах - от десятков дней в прибрежных водах, богатых взвешенным веществом, до десятков лет в открытом океане.

2. Поведение искусственных радионуклидов, попадающих в океан, и их распределение в океане определяются их физико-химическими свойствами, в том числе способностью к гидролизу, сродством к взвешенному веществу, участием в биогеохимических процессах.

3. Искусственные радионуклиды из стратосферного резервуара, куда они попали при испытаниях в атмосфере, на поверхности Земли или океана, продолжают поступать на поверхность суши и океана с атмосферными выпадениями.

4. Различные радионуклиды по-разному ведут себя по отношению к взвешенному веществу и донным осадкам рек.

5. Радиоактивность -это самопроизвольный распад атомных ядер вещества с испусканием ядерных излучений:б-частиц (ядер гелия), в-частиц (электронов) и г-квантов.

6. Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ.

7. Загрязнение вод проявляется в изменении их физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запаха, вкуса), увеличении содержания солей (сульфатов, хлоридов, нитратов и др.), токсичных тяжелых металлов, сокращении содержания растворенного в воде кислорода, увеличении содержания радионуклидов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Перцов Л.А. Ионизирующее излучение биосферы.- М.: Атомиздат, 1973.228 с

2.Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. - Наука, 1979.327 с.

3.Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. -М.: Наука, 1967. 215 с.

4. Батраков Г.Ф., Еремеев В.Н., Земляной А. Радиоактивные изотопы в океанографических исследованиях.- Киев: Наукова думка, 1979. 180 с.

5.Громов В.В., Москвин А.И. Сапожников Ю.А. Техногенная радиоактивность Мирового океана. - М: Энергоатомиздат, 1985. 272 с.

6.Гедеонов Л.И., Гритченко З.Г., Иванова Л.М., Орлова Т.Е., Тишков В.П., Топорков В.П., Прокопенко В.Ф. Радионуклиды стронция и цезия в низовье Дуная в 1985-1990. -Атомная энергия, 1993, т.74, №1, с.58.

7.Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. М:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 -- 286 с:

8. Голицын А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды: Учебник. Издательство: ОНИКС, 2010 г. - 335 с.

9. Еремин В.Г., Сафонов В.Г. Экологические основы природопользования. М. 2002 г. - 220 с.

10. Снакин, В.В. Экология и охрана природы: Словарь-справочник. / Под ред. акад. А.Л. Яншина. - М.: Academia, 2000. - 384с.

11. Жуков А. И., Монгайт И. Л., Родзиллер И. Д. Методы очистки

производственных сточных вод М.: Стройиздат. 1991. - 204 с.

12. Повякало А. Д., Шангарев И. Р. Экологические проблемы современности -М.: Квота, 2001. - 228 с.

13. Учебник для вузов: «ЭКОЛОГИЯ» / Н.И.Николайкин, Н.Е.Николайкина, О.П.Мелехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2003. - 624 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие радиации и радиоактивности, ее виды и причины возникновения. Категория бытовых предметов, которые излучают радиацию, хотя и в пределах допустимых нормативов. Воздействие радиоактивности на живые организмы. Эффекты влияния радиации на человека.

реферат , добавлен 13.03.2017


Характеристика действующих атомных электростанций в Германии: местонахождение, количество энергоблоков, типы реакторов, электрическая мощность. Принципы построения системы контроля радиоактивности окружающей среды, загрязнений поверхности земли и воды.

реферат , добавлен 14.12.2016


Применение основных методов водоподготовки для удаления радиоактивности. Процесс сорбции из водных растворов. Происхождение природных сорбентов. Регенерация ионообменных смол. Основные требования к анионитам, используемым для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 17.04.2014


курсовая работа , добавлен 03.11.2011


Образование радиоактивных отходов (РАО), проблема с их обращением и утилизацией. Биологическое действие ионизирующих излучений и основные способы защиты от них. Единицы измерения радиоактивности и доз облучений. Обеспечения безопасности хранилищ РАО.

реферат , добавлен 17.05.2010


Методы и средства регистрации радиоактивного излучения (фотографический, ионизационный, люминесцентный). Радиометрические поля нефтегазоносных площадей. Характеристики радиоактивного излучения, приборы для их измерения. Метод биологической дозиметрии.

презентация , добавлен 10.02.2014


Источники радиоактивного загрязнения объектов окружающей среды естественными радиоактивными элементами. Примеры регионов с высокими содержаниями естественных радиоактивных элементов на земном шаре. Аномалии радиоактивности в осадочных толщах, их причины.

презентация , добавлен 10.02.2014


Общие понятия об атомных реакторах, ядерная энергетика и экология. Единицы измерения, используемые в радиационной экологии человека. Токсичность радионуклидов и пути их попадания в организм человека, накопление в продуктах питания и кормах животных.

курсовая работа , добавлен 18.04.2011


Радиоактивные отходы на СХК. Производственные и аварийные выбросы радиоактивности на СКХ. Аварийные происшествия. Томская авария, 6 апреля 1993 г. Роль средств массовой информации при освещении последствий аварии.

реферат , добавлен 05.10.2006


История открытия явления деления ядра урана-235 под воздействием тепловых нейтронов. Характеристика и причины образования в природе радионуклидов. Понятие природных ядерных реакторов. Анализ размещения буровых скважин на месторождении Богомбо (Габон).

Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен (1897–1956) и Фредерик (1900–1958) Жолио-Кюри. 15 января 1934 года их заметка была представлена Ж. Перреном на заседании Парижской Академии наук. Ирен и Фредерик сумели установить, что после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие элементы - магний, бор, алюминий - испускают позитроны. Далее они попытались установить механизм этого испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время случаев ядерных превращений. Ученые поместили источник альфа-частиц (препарат полония) на расстоянии одного миллиметра от алюминиевой фольги. Затем они подвергали ее облучению в течение примерно десяти минут. Счетчик Гейгера - Мюллера показал, что фольга испускает излучение, интенсивность которого падает во времени по экспоненциальной зависимости с периодом полураспада 3 минут 15 секунд. В экспериментах с бором и магнием периоды полураспада составили 14 и 2,5 минут соответственно. А вот при опытах с водородом, литием, углеродом, бериллием, азотом, кислородом, фтором, натрием, кальцием, никелем и серебром таких явлений не обнаруживалось. Тем не менее супруги Жолио-Кюри сделали вывод о том, что излучение, вызванное бомбардировкой атомов алюминия, магния и бора, нельзя объяснить наличием какой-либо примеси в полониевом препарате. «Анализ излучения бора и алюминия в камере Вильсона показал, - пишут в своей книге „Биография атома“ К. Манолов и В. Тютюнник, - что оно представляет собой поток позитронов. Стало ясно, что ученые имеют дело с новым явлением, существенно отличавшимся от всех известных случаев ядерных превращений. Известные до того времени ядерные реакции носили взрывной характер, тогда как испускание положительных электронов некоторыми легкими элементами, подвергнутыми облучению альфа-лучами полония, продолжается в течение некоторого более или менее продолжительного времени после удаления источника альфа-лучей. В случае бора, например, это время достигает получаса». Супруги Жолио-Кюри пришли к выводу, что здесь речь идет о самой настоящей радиоактивности, проявляющейся в испускании позитрона. Нужны были новые доказательства, и, прежде всего, требовалось выделить соответствующий радиоактивный изотоп. Опираясь на исследования Резерфорда и Кокрофта, Ирен и Фредерику Жолио-Кюри удалось установить, что происходит с атомами алюминия при бомбардировке их альфа-частицами полония. Сначала альфа-частицы захватываются ядром атома алюминия, положительный заряд которого возрастает на две единицы, вследствие чего оно превращается в ядро радиоактивного атома фосфора, названного учеными «радиофосфором». Этот процесс сопровождается испусканием одного нейтрона, вот почему масса полученного изотопа возрастает не на четыре, а на три единицы и становится равной 30. Устойчивый изотоп фосфора имеет массу 31. «Радиофосфор» с зарядом 15 и массой 30 распадается с периодом полураспада 3 минут 15 секунд, излучая один позитрон и превращаясь в устойчивый изотоп кремния. Единственным и неоспоримым доказательством того, что алюминий превращается в фосфор и потом в кремний с зарядом 14 и массой 30, могло быть только выделение этих элементов и их идентификация с помощью характерных для них качественных химических реакций. Для любого химика, работающего с устойчивыми соединениями, это было простой задачей, но у Ирен и Фредерика положение было совершенно иным: полученные ими атомы фосфора существовали чуть больше трех минут. Химики располагают множеством методов обнаружения этого элемента, но все они требуют длительных определений. Поэтому мнение химиков было единодушным: идентифицировать фосфор за такое короткое время невозможно. Однако супруги Жолио-Кюри не признавали слова «невозможно». И хотя эта «неразрешимая» задача требовала непосильного труда, напряжения, виртуозной ловкости и бесконечного терпения, она была решена. Несмотря на чрезвычайно малый выход продуктов ядерных превращений и совершенно ничтожную массу вещества, претерпевшего превращение, - лишь несколько миллионов атомов, удалось установить химические свойства полученного радиоактивного фосфора. Обнаружение искусственной радиоактивности сразу было оценено как одно из крупнейших открытий века. До этого радиоактивность, которая была присуща некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как-нибудь изменена человеком. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, получив новые радиоактивные изотопы. Ученые предвидели большое теоретическое значение этого открытия и возможности его практических приложений в области биологии и медицины. Уже в следующем году первооткрыватели искусственной радиоактивности Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были удостоены Нобелевской премии по химии. Продолжая эти исследования, итальянский ученый Ферми показал, что бомбардировка нейтронами вызывает искусственную радиоактивность в тяжелых металлах. Энрико Ферми (1901–1954) родился в Риме. Еще в детстве Энрико обнаружил большие способности к математике и физике. Его выдающиеся познания в этих науках, приобретенные в основном в результате самообразования, позволили ему получить в 1918 году стипендию и поступить в Высшую нормальную школу при Пизанском университете. Затем Энрико получил временную должность преподавателя математики для химиков в Римском университете. В 1923 году он едет в командировку в Германию, в Геттинген, к Максу Борну. По возвращении в Италию Ферми с января 1925 года до осени 1926 года работает во Флорентийском университете. Здесь он получает свою первую ученую степень «свободного доцента» и, что самое главное, создает свою знаменитую работу по квантовой статистике. В декабре 1926 года он занял должность профессора вновь учрежденной кафедры теоретической физики в Римском университете. Здесь он организовал коллектив молодых физиков: Разетти, Амальди, Сегре, Понтекорво и других, составивших итальянскую школу современной физики. Когда в Римском университете в 1927 году была учреждена первая кафедра теоретической физики, Ферми, успевший обрести международный авторитет, был избран ее главой. Здесь в столице Италии Ферми сплотил вокруг себя несколько выдающихся ученых и основал первую в стране школу современной физики. В международных научных кругах ее стали называть группой Ферми. Через два года Ферми был назначен Бенито Муссолини на почетную должность члена вновь созданной Королевской академии Италии. В 1938 году Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. В решении Нобелевского комитета говорилось, что премия присуждена Ферми «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». Об искусственной радиоактивности Энрико Ферми узнал сразу же, весной 1934 года, как только супруги Жолио-Кюри опубликовали свои результаты. Ферми решил повторить опыты Жолио-Кюри, но пошел совершенно иным путем, применив в качестве бомбардирующих частиц нейтроны. Позже Ферми так объяснил причины недоверия к нейтронам со стороны других физиков и свою собственную счастливую догадку: «Применение нейтронов как бомбардирующих частиц страдает недостатком: число нейтронов, которым можно практически располагать, неизмеримо меньше числа альфа-частиц, получаемых от радиоактивных источников, или числа протонов и дейтронов, ускоряемых в высоковольтных устройствах. Но этот недостаток частично компенсируется большей эффективностью нейтронов при проведении искусственных ядерных превращений Нейтроны обладают также и другим преимуществом. Они в большой степени способны вызывать ядерные превращения. Число элементов, которые могут быть активированы нейтронами, значительно превосходит число элементов, которые можно активировать с помощью других видов частиц». Весной 1934 года Ферми начал облучать элементы нейтронами. «Нейтронные пушки» Ферми представляли собой маленькие трубочки длиной несколько сантиметров. Их заполняли «смесью» тонкодисперсного порошка бериллия и эманации радия. Вот как Ферми описывал один из таких источников нейтронов: «Это была стеклянная трубочка размером всего 1,5 см… в которой находились зерна бериллия; прежде чем запаять трубочку, надо было ввести в нее некоторое количество эманации радия. Альфа-частицы, испускаемые радоном, в большом числе сталкиваются с атомами бериллия и дают нейтроны… Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещают пластинку алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляют на несколько минут, часов или дней (в зависимости от конкретного случая). Нейтроны, вылетающие из источника, сталкиваются с ядрами вещества. При этом происходит множество ядерных реакций самого различного типа…» Как все это выглядело на практике? Исследуемый образец находился заданное время под интенсивным воздействием нейтронного облучения, затем кто-либо из сотрудников Ферми буквально бегом переносил образец к счетчику Гейгера-Мюллера, расположенному в другой лаборатории, и регистрировал импульсы счетчика. Ведь многие новые искусственные радиоизотопы были короткоживущими. В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 года, Ферми сообщил, что бомбардируя алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и Ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении расщепления «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов». В сущности, многое было известно. Нейтроны попадали в ядро обстреливаемого атома, превращали его в нестабильный изотоп, который спонтанно распадался и излучал. В этом излучении и таилось неизвестное: некоторые из искусственно полученных изотопов излучали бета-лучи, другие - гамма-лучи, третьи - альфа-частицы. С каждым днем число искусственно полученных радиоактивных изотопов возрастало. Каждую новую ядерную реакцию необходимо было осмыслить, чтобы разобраться в сложных превращениях атомов Для каждой реакции надо было установить характер излучения, потому что, только зная его, можно представить схему радиоактивного распада и предсказать элемент, который получится в конечном результате. Затем приходила очередь химиков. Они должны были идентифицировать полученные атомы. На это тоже требовалось время. С помощью своей «нейтронной пушки» Ферми подверг бомбардировке фтор, алюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро и йод. Все эти элементы активировались, и во многих случаях Ферми мог указать химическую природу образовавшегося радиоактивного элемента. Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов. Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О. ДАгостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами». 22 октября 1934 года Ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. Ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсодержащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. Опыты Ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов. Но, помимо замечательных экспериментальных результатов, в этом же году Ферми достиг замечательных теоретических достижений. Уже в декабрьском номере 1933 года в итальянском научном журнале были опубликованы его предварительные соображения о бета-распаде. В начале 1934 года была опубликована его классическая статья «К теории бета-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория бета-распада, основанная на существовании нейтрино: при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра бета-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом». Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейтронной модели ядра, приняв также гипотезу изотонического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели. Опираясь на высказанные Ферми идеи, Хидеки Юкава предсказал в 1935 году существование новой элементарной частицы, известной ныне под названием пи-мезона, или пиона. Комментируя теорию Ферми, Ф Разетти писал: «Построенная им на этой основе теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме».

Радиоактивность - это. способность ядер атомов некоторых химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра дру­гих химических элементов с выделением энергии в виде излучений. Естественно радиоактивными называются вещества, существующие в природе, а искусственно радиоактивными - приобретшие это свойство искусственно. Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем при изучении фос­форесценции солей урана. При спонтанном, не зависящем от внеш­них причин, распаде солей урана испускались лучи, сходные с рентгеновскими: они проникали через непрозрачные вещества, засвечивали фотобумагу, ионизировали газы, воздействовали на живую ткань. В 1898г. Мария Склодовская-Кюри открыла радио­активность тория. Она показала также, что урановая руда обла­дает большей радиоактивностью по сравнению с чистым ураном. Мария и Пьер Кюри высказали предположение, что соли урана содержат примеси других радиоактивных веществ, ими оказались полоний и радий.

Излучения естественно радиоактивных элементов, как показал английский физик Э. Резерфорд (1911), имеют различные физиче­ские свойства. Часть лучей в электрическом поле отклоняется к отрицательно заряженному проводнику, что свидетельствует об их положительном заряде; их назвали ά-лучами. Другая часть лучей отклонялась к положительно заряженному проводнику. Эти отрицательно заряженные лучи получили название β-лучей. Электронейтральные лучи, которые не отклонялись в электриче­ском поле, были названы γ-лучами.

Изучение сущности естественного радиоактивного распада при­вело Э. Резерфорда к заключению о возможности искусственного расщепления ядер. В 1919 г. при бомбардировке ά -частицами ядра атома азота он выбил из него положительно заряженную частицу - протон. При этом образовался новый химический элемент - кислород.

В 1932 г. появились данные о существовании в ядре атомов наряду с протонами аналогичных им по величине нейтронов. Со­ветские физики Д. Д. ИЕаненко, Е. Г. Гапон и немецкий физик Гольдхабер разработали теорию о протонно-нейтропном строении ядра атома. Английский физик Chadwick в 1933 г. открыл нейтрон. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри при бомбардировке ά -частицами алюминия, бора, магния наряду с нейтронами получили позит­рон. Причем позитроны испускались и после прекращения облу­чения алюминия, т. е. впервые были получены радиоактивные элементы искусственным путем.

2713А1 +42 ά→10n + 3015P→ е+ + 3014Si

Первый генератор нейтронов, которые образовывались в ускори­теле тяжелых заряженных частиц (циклотроне), сконструировал в 1936 г. Laurence.

В 1940 г. советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли явление самопроизвольного деления ядер урана на круп­ные осколки с выделением 2-3 свободных нейтронов, которые, в свою очередь, вызывали деление других ядер с высвобождением новых нейтронов и т. д. Показана возможность цепной реакции, которая могла быть использована для облучения нейтронами ста­бильных химических элементов и превращения их в радиоактив­ные. В противоположность а-частицам нейтроны, будучи электро­нейтральными, легко внедряются в ядра атомов, переводя их в возбужденное состояние.

В 1942 г. в США итальянский физик Э. Ферми впервые получил цепную реакцию на практике, создав работающий атомный реак­тор. Ко времени второй мировой войны относится разработка пер­вых образцов атомного оружия. Его применили США в 1945 г. при бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки. В 1954 г. в СССР началась промышленная эксплуатация первой в мире атомной электростанции.

Благодаря созданию атомных реакторов и мощных ускорите­лей заряженных частиц в настоящее время получены радиоактив­ные изотопы всех химических элементов, которые можно исполь­зовать для нужд народного хозяйства, в том числе и для меди­цины.

Искусственно радиоактивные изотопы получают путем бомбар­дировки ядер атомов стабильных химических элементов нейтро­нами, протонами, дейтронами, а также из продуктов деления урана или плутония в атомных реакторах.

В качестве примера можно привести реакцию получения радио­фосфора:

3115P + 10n → 3215Р или 3115P + 11H → 3215P + e+ + п.

Все известные радиоактивные элементы разделяют на две группы: естественные и искусственные (техногенные).

Внутреннее облучение.

Земная радиация.

В природе существует три ряда (семейства) радиоактивных веществ: ряд урана-радия, ряд тория и ряд актиния. В каждом ряду с течением времени атомы претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой ступени α- или β- частицы (с сопровождением γ- излучения или без него) и превращаясь в атомы других химических элементов.

Существование в природе этих трех рядов определяется наличием в каждом случае родоначального нуклида, период полураспада которого сравним с возрастом Земли. В уран-радиевом ряду родоначальником является изотоп урана -238 (238 U) с периодом полураспада 4,5 · 10 9 лет. Актиноуран (235 U) служит родоначальником ряда урана с периодом полураспада 7,1 · 10 8 лет. Изотоп тория-232 (232 Th) с периодом полураспада 1,4 · 10 10 лет является исходным элементом в ториевом ряду. Стабильными конечными продуктами каждого ряда превращений являются изотопы свинца - соответственно 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb.

В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 10 7 лет и выше. Физические характеристики некоторых из них представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1.

Физические характеристики некоторых долгоживущих радиоактивных элементов.

Радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле.
Радионуклид	Весовое содержание в земной коре	Период полураспада, лет:	Тип распада:
Уран -238	3 · 10 -6	4.5 · 10 9	-распад
Торий-232	8 · 10 -6	1.4 · 10 10	-распад, -распад
Калий-40	3 · 10 -16	1.3 · 10 9	( - распад, -распад
Ванадий -50	4.5 · 10 -7	5 · 10 14	-распад
Рубидий -87	8.4 · 10 -5	4.7 · 10 10	-распад
Индий-115	1 · 10 -7	6 · 10 14	-распад
Лантан-138	1.6 · 10 -8	1.1 · 10 11	-распад, -распад
Самарий -147	1.2 · 10 -6	1.2 · 10 11	-распад
Лютеций-176	3 · 10 -8	2.1 · 10 10	-распад, -распад

В трех радиоактивных семействах: урана (238 U), тория (232 Th) и актиния (235 Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.

Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0.3 до 0.6 мЗв в год. Около 3% получает в среднем 1 мЗв в год и около 1.5% более 1.4 мЗв в год.

Структура и величины средних за год эффективных доз облучения населения Украины от природных источников ионизирующего излучения приведены на рисунке 11.1.

Средняя годовая доза облучения составляет 4,88 мЗв, а с учетом последних данных по содержанию радона - 220 (220 Rn) в воздухе жилых помещений значение средней годовой дозы облучения составляет 5,3 мЗв в год.

В разных странах мира величины средних доз различаются от 2,0 мЗв/год (Англия) до ~ 7,8 мЗв/год (Финляндия). Но общим является то, что наибольший вклад в дозу вызван наличием радона, радиоактивного газа, продукта распада природного радия.

Космические лучи.

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это первичное космическое излучение. При взаимодействуя с атмосферой Земли образуется вторичное излучение.

Доза облучения от первичного космического излучения на уровне моря составляет 2.4 нЗв/час, при этом большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.

Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения.

Величина дозы радиоактивного облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках.

При вторичном облучении, в результате ядерных реакций образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды.

Например, n + 14 N 3 H + 12 C , p + 14 N n + 14 C

В создание дозы наибольший вклад вносят 3 H, 7 Be, 14 C и 22 Na которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.11.2.)

Таблица 11.2.

Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека.

Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.

Радон.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации (рис. 11.2.) является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) — радон - 222 (222 Rn). Человек подвергается воздействию радона и продуктов его распада в основном за счет внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм через органы дыхания и, в меньшей мере, с продуктами питания. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.

Человек получает 3,8 мЗв в год за счет внутреннего облучения радоном, что составляет 77, 9% среднегодовой дозы облучения от естественных источников радиации.

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радона в помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич, пемза, гранит и другие.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и других источников.

Сравнить мощность излучения различных источников радона поможет следующая диаграмма

Рис. 11.2. Диаграмма мощности излучения различных источников радона.

Внутреннее облучение от радионуклидов земного происхождения.

В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят 40 К, 87 Rb, и нуклиды рядов распада 238 U и 232 Th (табл.11.3.).

Таблица 11.3.

Среднегодовая эффективная эквивалентная доза внутреннего облучения

Для Украины средняя годовая доза внутреннего облучения составляет 200мкЗв, что составляет 4,1% от суммарной дозы природных источников.

Искусственная радиоактивноть.

Врезультате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения.

В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли минеральные и органические природные ресурсы :

Геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4 · 10 14 Бк изотопа 222 Rn на 1 ГВт выработанной электроэнергии;

Фосфорные удобрения, содержащие 226 Ra и 238 U (до 70 Бк/кг в Кольском апатите и 400 Бк/кг в фосфорите);

Сжигаемый в жилых домах и электростанциях газ и уголь, содержит естественные радионуклиды 40 К, 232 U и 238 U в равновесии с их продуктами распада.

За последние несколько десятилетий человек создал несколько тысяч радионуклидов и начал использовать их в научных исследованиях, в технике, медицинских целях и других целях. Это приводит к увеличению дозы облучения, получаемой как отдельными людьми, так и населением в целом. Иногда облучение за счет источников, созданных человеком, оказывается в тысячи раз интенсивнее, чем от природных источников.
В настоящее время основной вклад в дозу от источников, созданных человеком, вносит внешнее радиактивное облучение при диагностике и лечении.

Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет 1 мЗв в год на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников.

Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона иллюстрируется таблице 11.4.

Таблица 11.4.

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и различных искусственных источников излучения.

Испытания ядерного оружия.

Радиологические последствия испытаний ядерного оружия определяются количеством испытаний, суммарными энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка, миграция радионуклидов и другие.). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения.

В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание.

По оценкам международных организаций во второй половине 20-го века за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.81 · 10 21 Бк продуктов ядерного деления (ПЯД), из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84 %. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы (рис. 11.3.-11.4.).

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 11.5.

Экологическое значение разных радиоактивных изотопов совершенно различно. Радиоактивные вещества с коротким периодом полураспада менее (2 суток) не представляют большой опасности, так как они сохраняют высокий уровень радиации в зараженном биотопе непродолжительное время. Вещества с очень длинным периодом полураспада, например 238 U, также почти безопасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение.

Наиболее опасными радионуклидами являются те, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель до нескольких лет (таблица 11.5.). Этого времени достаточно для того, чтобы упомянутые элементы смогли проникнуть р различные организмы и накопиться в пищевых цепях.

Следует также отметить высокую радиотоксичность для тех элементов, которые являются аналогами биогенных элементов.

Рис. 11.3. Содержание стронция-90 и цезия-137 в продуктах питания и суммарная годовая мощность ядерных взрывов атмосфере.
Рис.11.4. Содержание цезия-137 в различных продуктах питания: А - зерновые продукты, Б - мясо, В - молоко, Г - фрукты, Д - овощи.
Таблица 11.5. Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве.
Элемент	Заряд	Период полураспада	Выход на одно деление,%	Активность на 1 Мт, (10 15 Бк)
Стронций-89		50.5 сут	2.56
Стронций-90		28.6 лет	3.5	3.9
Цирконий-95		64 сут	5.07
Рутений-103		39.5 сут	5.2
Рутений-106		368 сут	2.44
Иод-131		8 сут	2.90
Цезий-136		13.2 сут	0.036
Цезий-137		30.2 лет	5.57	5.9
Барий-140		12.8 сут	5.18
Церий-141		32.5 сут	4.58
Церий-144		284 сут	4.69
Водород-3		12.3 лет	0.01	2.6 · 10 -2

Атомная энергетика.

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции (таблица 11.6.), не загрязняет атмосферу дымом и сажей.

Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.

Таблица 11.6.

Расход природных ресурсов для производства 1 ГВт в год электроэнергии в угольном и ядерном топливных циклах

При прямоточном охлаждении.

К концу 1984 г. в 26 странах работало 345 ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Их мощность составляла 220 ГВт или 13% суммарной мощности всех источников электроэнергии. К 1994 году в мире работало 432 атомных реактора, их суммарная мощность составила 340 ГВт.

Прогнозируемые перспективы развития ядерной энергетики мире показаны в таблице 11.7.

Таблица 11.7.

Перспективы развития ядерной энергетики в мире.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов во внешнюю среду незначительны и состоят в основном из радионуклидов йода и инертных радиоактивных газов (Хе, Сг), периоды полураспада которых в основном не превышают нескольких суток. 90% всей дозы облучения, возможной в результате выброса на атомной станции и обусловленной короткоживущими изотопами, население получает в течение года после выброса, 98% - в течение 5 лет. Почти вся доза приходится на людей, живущих вблизи АЭС. Дозы облучения обычно значительно ниже установленных пределов для отдельных лиц из населения (0.5 бэр/год).

Долгоживущие продукты выброса (137 Сз, 90 Ce, 85 Кг и другие.) распространяются по всему земному шару. Оценка ожидаемой коллективной эквивалентной дозы от облучения такими изотопами составляет 670 чел-Зв на каждый ГигаВатт вырабатываемой электроэнергии.

Приведенные выше оценки получены в предположении, что ядерные реакторы работают нормально. Вклады различных источников облучения в этом случае приведены на рисунке 11.5.

Рис.11.5. Вклады различных источников радиации

Количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при аварии, существенно больше. Известно, что за период с 1971 по 1984 гг. в 14 странах мира произошла 151 авария на АЭС.

26 апреля 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции произошла авария с разрушением активной зоны реактора, что привело к выбросу части накопившихся в активной зоне радиоактивных продуктов в атмосферу .

В результате аварии в окружающую среду было выброшено от5 до 30 % ядерного топлива. Кроме того, часть содержимого реактора расплавилась и переместилась через разломы внизу корпуса реактора за его пределы.

Кроме топлива, в активной зоне в момент аварии содержались продукты деления и трансурановые элементы — различные радиоактивные изотопы, накопившиеся во время работы реактора. Именно они представляют наибольшую радиационную опасность.

Большая их часть осталась внутри реактора, но наиболее летучие вещества были выброшены наружу, в том числе:

Все благородные газы, содержавшиеся в реакторе;

Примерно55 % йода в виде смеси пара и твёрдых частиц, а также в составе органических соединений;

Цезий и теллур в виде аэрозолей.

Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила, по различным оценкам, до 14Ч 1018 Бк (14 ЭБк), в том числе:

1,8 ЭБк йода-131,

0,085 ЭБк цезия-137,

0,01 ЭБк стронция-90 и

0,003 ЭБк изотопов плутония;

На долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности (Рис. 11. 6.).

Рис.11.6 Доза внешнего гамма - облучения , получаемого человеком около Чернобыльской станции.

Загрязнению подверглось более 200 тыс. км², примерно 70 % — на территории Белоруссии, России и Украины. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Большая часть стронция и плутония выпала в пределах 100 км от станции, так как они содержались в основном в более крупных частицах. Иод и цезий распространились на более широкую территорию.

С точки зрения воздействия на население в первые недели после аварии наибольшую опасность представлял радиоактивный иод, имеющий сравнительно малый период полураспада (восемь дней) и теллур. В настоящее время (и в ближайшие десятилетия) наибольшую опасность представляют изотопы стронция и цезия с периодом полураспада около 30 лет. Наибольшие концентрации цезия-137 обнаружены в поверхностном слое почвы, откуда он попадает в растения и грибы. Загрязнению также подвергаются насекомые и животные, которые ими питаются. Радиоактивные изотопы плутония и америция сохранятся в почве в течение сотен, а возможно и тысяч лет.

Значительному загрязнению подверглись леса. Из-за того, что в лесной экосистеме цезий постоянно рециркулирует, а не выводится из неё, уровни загрязнения лесных продуктов, таких как грибы, ягоды и дичь, остаются опасными. Уровень загрязнения рек и большинства озёр в настоящее время низкий. Однако в некоторых «замкнутых» озёрах, из которых нет стока, концентрация цезия в воде и рыбе ещё в течение десятилетий может представлять опасность.

Загрязнение не ограничилось 30-километровой зоной. Было отмечено повышенное содержание цезия-137 в лишайнике и мясе оленей в арктических областях России, Норвегии, Финляндии и Швеции.