Радионуклиды земного происхождения

Источники ионизирующих излучений подразделяют на естественные и техногенные. К естественным источникам относятся компоненты экосистем, содержащие радионуклиды в их первозданном состоянии. Это космическое излучение и космогенные нуклиды, а также радионуклиды, содержащиеся в горных породах, почвах, гидросфере и атмосфере. К техногенным источникам относятся объекты, образовавшиеся в связи с разработкой человеком различных технологических процессов. Это выбросы АЭС и ТЭС на угле, проведение сельскохозяйственных и промышленных работ, обеспечивающих повышение урожайности и производительности труда.

Радионуклиды, находящиеся в окружающей среде, являются источниками как внешнего, так и внутреннего облучения.

Большинство источников естественной радиации внешнего облучения таковы, что избежать облучения от них практически невозможно. Это космическое излучение и космогенные радионуклиды, содержащиеся в атмосфере, а также фон γ -излучения нуклидов, содержащихся в почве и грунте.

Имеющиеся в природе элементы с порядковыми номерами Z = 1…….83 состоят в основном из стабильных нуклидов и незначительного количества долгоживущих изотопов с Т _1/2 > 10⁹ лет (табл. 7.1) [1]. В этой области только у двух элементов Тс (Z = 43) и Pm (Z = 61) нет ни одного стабильного изотопа. У тяжелых элементов с порядковыми номерами более 83 (от полония и выше) стабильных изотопов вообще нет. Радиоактивные нуклиды: ⁴⁰K (1,28 ×10⁹ лет), ¹⁸⁷Re (5 ×10¹⁰ лет), ²³⁸U (4,468 ×10⁹ лет), ²³²Th (1,28 ×10¹⁰ лет) и др., представленные в табл. 7.2, являются долгоживущими нуклидами, еще не распавшимися на сегодняшний день со времени образования Земли. Вероятно, единственным радиоактивным изотопом с предельно малым периодом полураспада, который еще сохранился в природе, является ²³⁵U (7,038 ×10⁸ лет). Если предположить, что содержание ²³⁵U при образовании Земли составляло примерно 10 % от количества ядер ²³⁸U, а сегодняшняя его распространенность 0,72 %, то время существования Земли примерно равно 3,3 ×10⁹ лет. Начальное содержание ²³⁵U, большее, чем 10 %, в природном уране маловероятно, поскольку это вызвало бы протекание цепной ядерной реакции деления во многих месторождениях урана на Земле. Однако следы такого процесса обнаружены лишь на одном месторождении Окло в 1972 г. (государство Габон, Африка [4]). Поэтому такой сравнительно долгоживущий изотоп как ¹⁴⁷Sm (1,03 ×10⁸ лет), не обнаруженный в природном самарии, по-видимому полностью распался, как и многие другие нуклиды с периодами полураспада менее 1 ×10⁸ лет. В табл. 7.3 приведены удельная активность элементов (Бк/кг), содержащих естественные долгоживущие радионуклиды, а также удельная активность земной коры и морской воды, обусловленная распадом конкретного радионуклида, вычисленная исходя из содержания элементов в этих средах [1, 2].

1 ⁴⁰K — радиоактивный; T _1/2 = 1,25 ·10⁹ лет.

*2 ⁵⁰V — радиоактивный, T _1/2 = 4 ·10¹⁴ лет.

*3 ⁸⁷Rb — радиоактивный, T ^1/2 = 5 ·10¹⁰ лет.

*4 ⁹⁸Тс — нет стабильных изотопов.

*5 ¹¹⁵In — радиоактивный, T _1/2 = 6 ·10¹⁴ лет.

*б ¹³⁸La — радиоактивный, T _1/2 = 10¹¹ лет.

*7 ¹⁴⁴Nd — радиоактивный T _1/2 = 5 ·10¹⁵ лет.

*8 ¹⁴⁵Рm — нет стабильных изотопов.

*9 ¹⁴⁷Sm — радиоактивный, T _1/2 = 1,3 ·10¹¹ лет.

*10 ¹⁵²Gd — радиоактивный, T_1/2 = 1,08 ·10¹⁴ лет.

*11 ¹⁷⁶Lu — радиоактивный, T_1/2 = 2,4 ·10¹⁰ лет.

*12 ¹⁷⁴Hf — радиоактивный, T_1/2 = 2 ·10¹⁵ лет.

*13 ¹⁸⁰Та — радиоактивный, T _1/2 > 10¹² лет.

*14 ¹⁹⁰Pt — радиоактивный, T _1/2 = 5,9 ·10¹¹ лет.

*15 ¹⁹²Pt — радиоактивный, T _1/2 = 10¹⁵ лет.

*16 ²⁰⁵Рb — радиоактивный, T _1/2 = 5 ·10⁷ лет.

*17 Элементы с Z > 83 стабильных изотопов не имеют.

Таблица 7.2

Характеристики природных долгоживущих радионуклидов

Изотоп	Распространенность, масс. %	Период полураспада	Вид распада (Выход, %)	Энергия частиц, МэВ (Выход, %)	Энергия γ -квантов, МэВ (Выход, %)
^40K	0,012	1,281 · 10^9 лет	- β (89,3), γ (10,7)	1,45 (89,3)	1,461 (10,7)
^87Rb	27,85	4,7 · 10^10 лет	- β (100)	0,111 (100)	—
^113Cd	12,2	9,3 · 10^15 лет	- β (100)	0,093 (100)	—
^115In	95,72	5,15 · 10^15 лет	- β (100)	0,152 (100)	—
^123Te	0,87	1 · 10^13 лет	γ (100)	—	—
^138La	0,089	1,35 · 10^11 лет	- β (32,9), γ (67,1)	0,095* (32,9)	0,788 (32,9); 1,436 (61,7)
^144Nd	23,85	2,7 · 10^15 лет	α (100)	1,883 (100)	—
^147Sm	15,0	1,06 · 10^11 лет	α (100)	2,248 (100)	—
^152Gd	0,2	1,08 · 10^14 лет	α (100)	2,148 (100)	—
^176Lu	2,59	3,6 · 10^10 лет	- β (99)	0,18 (99)	0,2 (84); 0,307 (93)
^174Hf	0,163	2 · 10^15 лет	α (100)	2,593 (100)	—
^180Ta	0,0123	1 · 10^13 лет	γ (100)	—	0,332 (94,4); 0,215 (81,4); 0,093 (17,3)
^187Re	62,93	5 · 10^10 лет	- β (100)	0,00017	—
^190Pt	0,0127	5,9 · 10^11 лет	α (100)	3,182	—
^232Th		1,41 · 10^10 лет	α (100)	4,016 (76,8); 3,957 (23,2)	0,059 (0,2)
^235U	0,72	7,037 · 10^8 лет	α (100)	4,599 (5,18); 4,397 (57); 4,367 (18)	0,186
^238U	99,28	4,47 · 10^9 лет	α (100)	4,198 (76,8); 4,149 (22,0)	—

* Дана средняя энергия β-частиц.

Из табл. 7.3. видно, что наибольшая удельная активность земной коры связана с наличием в ней изотопов ⁴⁰K (6,62 · 10⁵ Бк/т), ⁸⁷Rb (8,06 · 10⁴ Бк/т), ²³²Th (4,9 · 10⁴ Бк/т), ²³⁸U (3,35 · 10⁴ Бк/т) и ²³⁵U (1,54 · 10³ Бк/т). Из приведенных радионуклидов ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th являются родоначальниками природных радиоактивных семейств (радиоактивных рядов): ²³⁸U — семейство урана, ²³⁵U — семейство актиния и ²³²Th — семейство тория.

Удельная радиоактивность земной коры и морской воды, обусловленная долгоживущими радионуклидами природных элементов

Радионуклид	Удельная активность элемента, Бк/кг	Содержание элемента в земной коре, г/т	Средняя удельная активность в земной коре, Бк/т	Содержание элемента в морской воде, г/т	Средняя удельная активность в морской воде, Бк/т
^40K	3,17 · 10^4	2,09 · 10^4	6,62 · 10^5	3,8 · 10^4	1,2 · 10^4
^87Rb	8,96 · 10^5		8,06 · 10^4	0,12	1,07 · 10^2
^113Cd	1,56	0,2	3,12 · 10^–4	1,1 · 10^–4	1,82 · 10^–7
^115In		0,1	2,1 · 10^–3	2 · 10^–2	4,2 · 10^–4
^123Te		1 · 10^–3	9 · 10^–5	—	—
^138La	6,3 · 10^2		18,9	1,2 · 10^–5	7,6 · 10- ^6
^144Nd	4,38		1,23 · 10^–1	2,3 · 10^–6	1 · 10- ^8
^147Sm	1,25 · 10^5		7,5	4,2 · 10^–7	5,25 · 10^–2
^152Gd	1,56	5,4	8,42 · 10^–3	6 · 10^–7	9,36 · 10^–10
^176Lu	5,45 · 10^4	0,5	27,2	1,2 · 10^–6	6,54 · 10^–5
^174Hf	6,05 · 10^–2	4,5	2,72 · 10^–4	—	—
^180Ta	0,9	2,0	1,8 · 10^–3	—	—
^187Re	8,95 · 10^5	1 · 10^–3	0,89	—	—
^190Pt	14,6	5 · 10^–3	7,3 · 10^–5	1 · 10^–5	1,46 · 10^–7
^232Th	4,08 · 10^6		4,9 · 10^4	5 · 10^–5	0,204
^235U	5,69 · 10^5	2,7	1,54 · 10^3	3 · 10^–3	1,71
^238U	1,24 · 10^7	2,7	3,35 · 10^4	3 · 10^–3	1 · 10^2

Таблица 7.4

Семейство урана-238

№	Радионуклид	Т 1/2	Вид распада	Энергия частиц, МэВ (Выход, %)
	^238U	4,468 · 10^9лет	α, γ	4,15 (23); 4,20 (77)
	^234Th	24,1 сут.	β, γ	0,193 (55)
	^234Pa	1,17 мин	β, γ	2,32 (80)
	^234U	2,455 · 10^5 лет	α, γ	4,722 (28); 4,733 (72)
	^230Th	7,54 · 10^4 лет	α, γ	4,617 (24); 4,684 (76)
	^226Ra	1600 лет	α, γ	4,601 (5,7); 4,784 (94,3)
	^222Rn	3,825 сут.	α	5,489 (100)
	^218Po	3,05 мин	α β (≈ 0,02 %)	6,002 (≈ 100)
	^214Pb	26,8 мин	β, γ	0,980 (макс)
	^214Bi	19,9 мин	β, γ α (≈ 0,02 %)	0,600 (макс) 5,51 (макс)
	^214Po	164 мкс	α, γ	7,687 (макс)
	^210Pb	22,3 лет	β, γ	0,061 (макс)
	^210Bi	5,013 сут.	β α (0,0013 %)	1,161 (≈ 100) 4,686
	^210Po	138,4 сут.	α	5,305 (100)

Таблица 7.5

Семейство актиния

№	Радионуклид	Т 1/2	Вид распада	Энергия частиц, МэВ (Выход, %)
	^235U	7,038· 10^8 лет	α, γ	4,22 (5,7); 4,33 (6,7); 4,37 (17,6); 4,40 (58,2); 4,56 (4,3); 4,60 (5,2)
	^231Th	25,52 ч	β, γ	0,05 (12); 0,08 (82)
	^231Pa	32760 лет	α, γ	4,73 (9,5); 4,95 (26); 5,01 (25,6); 5,03 (22,7); 5,06 (11,1)
	^227Ac	21,77 г.	β, γ α (1,38 %), γ	0,005 (9,8); 0,008 (34,5); 0,011 (54,2) 4,94 (0,5); 4,95 (0,7)
	^227Th	18,72 сут.	α, γ	5,7 (5,1); 5,71 (13,0); 5,76 (20,4); 5,98 (23,3); 6,04 (24,1)
	^223Ra	11,435 сут.	α, γ	5,43 (2,3); 5,54 (9,1); 5,61 (24,1); 5,72 (52,2); 5,75 (9,4)
	^219Rn	3,96 с	α, γ	6,42 (7,4); 6,55 (12,1); 6,82 (80,3)
	^215Po	0,00178 с	α, γ	7,39 (99,9)
	^211Pb	36,1 мин	β, γ	0,16 (4,8); 0,47 (92,9)
	^211Bi	2,14 мин	α, γ, β (0,27 %)	6,28 (16); 6,62 (83,6)
	^207Tl	4,77 мин	β, γ	0,49 (99,8)

Таблица 7.6

Семейство тория-232

№	Радионуклид	Т 1/2	Вид распада	Энергия частиц, МэВ (Выход, %)
	^232Th	1,405 ·10^10 лет	α, γ	3,95 (24); 4,01 (76)
	^228Ra	5,75 лет	β	0,65 (100)
	^228Ac	6,13 ч	β, γ	2,09 (макс.)
	^228Th	1,913 лет	α, γ	5,344 (28); 5,427 (71)
	^224Ra	3,66 сут.	α, γ	5,447 (6); 5,684 (94)
	^228Rn	55,6 с	α	6,287 (100)
	^216Po	0,15 с	α	6,002 (100)
	^212Pb	10,64 ч	β, γ	0,586 (макс.)
	^212Bi	60,6 мин	α (≈ 35 %) β, γ	6,051 (25); 6,090 (10) 2,26 (макс.)
	^212Po	304 нс	α	8,78 (100)
	^206Tl	3,053 мин	β, γ	1,80 (макс.)

Природные радиоактивные семейства представляют собой длинные цепочки генетически связанных между собой радиоактивных нуклидов, оканчивающиеся стабильными изотопами свинца. Основная природная радиоактивность у поверхности Земли обусловлена α - и β -распадом радионуклидов, принадлежащих семействам ²³⁸U и ²³²Th, а также распадом ⁴⁰K.

Изменение массового числа А в радиоактивных семействах происходит только при α -распаде, когда из ядра уходит 4 массовых единицы. Поэтому значения массовых чисел членов семейства урана выражают соотношением (4 n + 2), ряда актиния — (4 n + 3) и ториевого семейства — (4 n + 0), где второе слагаемое — остаток от деления массового числа А на 4. Если необходимо узнать, к какому радиоактивному ряду принадлежит тот или иной нуклид, достаточно его массовое число разделить на 4, и полученный остаток 0, 2 или 3 укажет на соответствующий ряд. Например, короткоживущие изотопы свинца ²¹¹Pb (Т _1/2 = 36,1 мин) и ²¹²Pb (Т _1/2 = 10,64 ч) принадлежат соответственно актиниевому (211: 4 = 52 + 3) и ториевому (212: 4 = 53 + 0) рядам. Если члены радиоактивного ряда не подвергались никакому химическому воздействию, то радиоактивные нуклиды в каждом ряду находятся в вековом равновесии с родоначальником каждого семейства. Поэтому активность в руде любого члена уранового семейства равна α -активности ²³⁸U, а активность членов семейств актиния и тория равна соответственно активности ²³⁵U и ²³²Th. В одной тонне урана, находящегося в урановой руде, содержится 0,337 г ²²⁶Ra (Т _1/2 = 1600 лет), 16,53 г ²³⁰Th (Т _1/2 = 7,7 10⁴ лет), 0,329 г ²³¹Pa (Т _1/2 = 3,276 ·10⁴ лет), а в тонне тория — 0,404 г ²²⁸Ra (Т _1/2 = 5,75 года). Следовательно, используя данные табл. 7.3, можно оценить концентрацию и удельную активность в земной коре и морской воде как вышеперечисленных радионуклидов, так и любых других короткоживущих изотопов, принадлежащих естественным радиоактивным рядам.

В рассматриваемых природных семействах имеются нуклиды, обладающие высокой радиотоксичностью: ²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²³¹Pa, ²¹⁰Pb. Естественное перераспределение оксидов и солей урана, тория и их продуктов распада за счет химических реакций происходит очень медленно, и практически они не оказывают существенного влияния на жизнедеятельность человека. Но в этих семействах имеются радиоактивные изотопы благородного газа радона ²²⁶ Rn (3,82 сут.), ²¹⁹Rn (3,98 с) и ²²⁰Rn (55,6 с), который из-за своей химической инертности легко проникает через поверхность земной коры в атмосферу. Распадаясь, изотопы радона в воздухе образуют дочерние α - и β -радиоактивные нуклиды, которые оказывают радиационное воздействие на человека.

Дата добавления: 2015-08-26