87388

Природный радиационный фон

Лекция

Экология и защита окружающей среды

Последующие три десятилетия исследований предоставили данные о со держании радионуклидов в земных породах, в атмосферном воздухе, в во де океанов, морей, озер, рек. Важным было обнаружение свойства субъектов органического мира – растений, животных и человека – накапливать в себе радиоактивные вещества.

Русский

2015-04-19

435.88 KB

13 чел.

Природный радиационный фон

       Открытие Беккерелем излучения урана в 1896 году стало первым в

ряду открытий, показавших постоянное присутствие в окружающем мире

радиационного фона, непрерывно воздействующего на природу Земли.

      Последующие три десятилетия исследований предоставили данные о со-

держании радионуклидов в земных породах, в атмосферном воздухе, в во-

де океанов, морей, озер, рек. Важным было обнаружение свойства субъек-

тов органического мира – растений, животных и человека – накапливать в

себе радиоактивные вещества. Наличие в метеоритах радиоактивных эле-

ментов показало, что явление радиоактивности не ограничивается Землей,

но присуще и другим объектам Вселенной. Современная геофизика счита-

ет, что радиоактивный распад был причиной разогрева земных недр и дал

начало тектоническим и горообразовательным процессам на нашей плане-

те, при этом на поверхности Земли в местах разломов коры образовыва-

лись области с аномально повышенным уровнем радиации. Установлено,

что первичный уровень радиоактивности на поверхности Земли был в 5 –

10 раз выше современного, затем он постепенно снижался за счет распада

короткоживущих радионуклидов [1].

      Доза облучения от природных источников носит название природного,

или естественного, радиационного фона. 

     Несмотря на малую величину естественного радиационного фона, интерес к нему велик и объясняется он увеличением областей применения атомной энергии, радиоактивных изотопов и источников ионизирующего излучения. Расширение добычи минерального сырья связано с подъемом на поверхность Земли большой массы

горных пород, в том числе и с повышенным уровнем радиоактивности, что

сопровождается антропогенным загрязнением естественными радионукли-

дами больших территорий. Все указанное является причиной увеличения

круга людей (не только специалистов, но и населения), подвергающихся

воздействию возрастающих доз радиации, и интерес к радиационному фо-

ну связан, прежде всего, с решением вопроса: какие дозы облучения безо-

пасны для человека и какие представляют реальную опасность? Разумеет-

ся, радиоактивные элементы на Земле возникли задолго до появления на

ней живых существ, и, следовательно, все живые существа, включая чело-

века, с самого их зарождения непрерывно подвергались воздействию при-

родного радиационного фона и на протяжении своего длительного разви-

тия сумели приспособиться к воздействию радиации в определенном диапазоне доз.

Внешнее и внутреннее облучение человека

Природный радиационный фон обусловлен источниками облучения,

находящимися как вне, так и внутри человека [28].

         Источниками внешнего облучения человека являются радиоактивные

вещества, содержащиеся в почве, горных породах, воздухе, воде, строи-

тельных материалах, а также космические лучи. Внешнее облучение явля-

ется следствием воздействия двух факторов, зависящих от места, а также от условий проживания и вида деятельности человека.

         К первому фактору можно отнести  облучение:

-от радиоактивных веществ земной коры с учетом местности проживания людей,  от радиоактивных веществ, содержащихся в строительных материалах, из которых построены объекты жилищного, производственного и культурно-бытового назначения; от космического излучения, связанного с высотой местности над уровнем моря (сильная зависимость) и с географической широтой (более слабая зависимость).

   Облучение данного типа слабо меняется во времени, но зависит от местоположения.

       Действие второго фактора определяется различными условиями жиз-

ни и видом деятельности людей, что приводит к большому диапазону доз

облучения. Ко второму фактору относится и облучение от вдыхаемого с

воздухом радона, которое зависит от геологических условий местности,

типа, этажности и вентиляции помещений, а также от характера труда

(внутри помещения или на открытом воздухе), условий на рабочем месте и

т. д. (в соответствие с нормативными документами радон не представляет опасности при внутреннем облучении и рассматривается как источник внешнего облучения).

       Радиоактивные вещества, находящиеся вне организма человека, явля-

ются источниками всех трех основных видов радиоактивных излучений:

альфа-, бета- и гамма-лучей. Малая проникающая способность альфа- и

бета-излучений приводит к тому, что их основная часть поглощается воз-

духом, органическими веществами на поверхности Земли, одеждой чело-

века, внешними слоями строительных материалов и только незначительная

часть их попадает на тело человека, но и она поглощается поверхностным

слоем кожи. Поэтому при определении дозы в расчет принимается только

гамма-компонента, обладающая наибольшей проникающей способностью.

Известно, что за счет радиоактивных веществ, содержащихся в грунте и в

горных породах, человек получает в среднем дозу 1–2,4 мрад_в неделю или 50–130 мрад в год (0,5 – 1,3 мЗв/год).

     Меньшие значения доз получены над уровнем моря, большие – над горными породами вулканического происхождения. Зимой

эта величина меньше, чем летом, так как слой снега в 30 см уже вдвое

снижает интенсивность γ-излучения [18].

       Значительную часть жизни (более 80 % времени) люди проводят

внутри помещений. Соотношение между поглощенной в воздухе дозой

внутри и вне помещений зависит от типа здания, этажа и других факторов.

Наименее поглощают γ-излучение стены деревянных домов. Поглощение

наружного излучения наиболее сильное в домах из камня, бетона, кирпича,

и радиационный фон в таких помещениях определяется в основном излу-

чениями радионуклидов, содержащихся в строительных материалах. Из-

мерение радиационного фона внутри помещений показало, что в деревян-

ных домах мощность дозы несколько меньше, а в кирпичных и бетонных

несколько больше, чем на открытом воздухе. Наибольшим фоном облада-

ют помещения, построенные из материалов, содержащих гранит.

В атмосферном воздухе всегда присутствует небольшое количество

радиоактивных веществ γ-излучателей: радиоактивные аэрозоли, обра-

зующиеся при выветривании горных пород, и радиоактивные изотопы, об-

разующиеся в воздухе при воздействии космических лучей. Доза радиа-

ции, создаваемая в воздухе всеми источниками, невелика и составляет в

среднем около 0,013 мрад в неделю.

        За счет космических лучей для местности, расположенной в средних

широтах (широта 500), доза радиации составляет около 50 мрад в год на

уровне моря, значительно возрастая с высотой. На высоте 1 км над уров-

нем моря она возрастает до 90 мрад в год, а на высоте 5 км – 800 мрад

в год [5, 7].

Внутреннее облучение не зависит от вида деятельности человека, по-

стоянно во времени и в пространстве и вызвано радиоактивными вещест-

вами, которые с воздухом, водой или пищей попадают внутрь человече-

ского организма, усваиваются им, входят в его состав и облучают его из-

нутри. Основную часть эффективной эквивалентной дозы внутреннего об-

лучения дают источники земного происхождения и лишь небольшую

часть – космогенные радионуклиды.

К источникам внутреннего облучения относятся калий-40, содержа-

щийся, в основном, в нервной и мышечной ткани, радий, откладывающийся в костной ткани,  продукты распада радона, накапливающиеся в дыхательных путях, и радиоактивные изотопы углерода-14, рубидия-87, полония-210.

В табл. 1 [3] представлено содержание радиоактивных изотопов в те-

ле человека (среднее значение для человека весом 75 кг).

Таблица 1

Содержание естественных радиоизотопов в теле человека

(среднее значение для тела человека массой в 75 кг)

Радиоактивный

изотоп

Места преимущественного

накопления

Содержание

радиоактивного

изотопа (без

стабильного)

носителя, г

Радиоактивность,

кюри

Тритий-3

Весь организм

8_10-15

7,6_10-11

Углерод-14

Жировая ткань

2_10-3

8,9_10-8

Калий-40

Нервная и мышечная ткань

8,3_10-2

6_10-7

Рубидий-87

Мышечная ткань

7_10-3

4,6_10-19

Торий-232

Костная ткань

7_10-5

7,9_10-12

Уран-235

Весь организм

7_10-6

1_10-11

Уран-238

Костная ткань

7_10-4

2,4_10-10

Радий-226

Костная ткань

0,4–3,7_10-10

1,1_10-10

       К характерным особенностям внутреннего облучения относятся:

1) при внутреннем облучении основное действие оказывают альфа- и

бета-излучения, непосредственно действующие на жизненно важные внут-

ренние органы и ткани человека;

2) большинство радиоактивных изотопов накапливается в определен-

ных тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей

организма;

3) внутреннее облучение действует все время, пока радиоактивные ве-

щества находятся внутри организма.

     Различные органы и ткани человеческого организма обладают раз-

личной чувствительностью к облучению. Наиболее чувствительными яв-

ляются гонады – половые железы и органы кроветворения. Поэтому, по-

мимо общей дозы облучения, получаемой человеком, определяют эталон-

ную (реперную) дозу, получаемую гонадами. В табл. 4 представлены мощ-

ности доз внешнего и внутреннего облучения от естественных источников

районах с нормальным фоном радиоактивности. В таблице отдельно

представлена доза, полученная за счет альфа-частиц и нейтронов, обла-

дающих большей биологической эффективностью, чем гамма-лучи и бета-

частицы [6].

Таблица 4 Годичные дозы, получаемые организмом человека в результатевнешнего и внутреннего облучения от естественных источников

Источники облучения

Гонады,

мрад/год

Клетки,

выстилающие

поверхность

кости,

мрад/год

Костный

мозг,

мрад/год

Внешнее облучение:

космические лучи

излучение Земли (и воздуха)

28

50

28

50

28

50

Внутреннее облучение:

калий-40

рубидий-87

углерод-14

радий-226

радий-223

полоний-210

радон-222

20

0,3

0,7

0,3

0,3

15

0,3

1,6

0,6

0,7

2,1

0,3

15

0,3

1,6

0,03

0,03

0,3

0,3

Итого

% альфа-частиц и нейтронов

100

1,3

99

4,4

96

1,4

Установлено, что вклад внутреннего облучения (1,34 мЗв/год) в мощ-

ность эффективной эквивалентной дозы примерно в 2 раза превышает вклад

внешнего облучения (0,65 мЗв/год). Среди радионуклидов, дающих наи-

больший вклад в мощность дозы внутреннего облучения, на первом месте

стоят короткоживущие продукты распада радона-222 (около 60 %). Далее

идут калий-40 (13 %), радон-220 (13 %), и свинец-210 → полоний-210 (8 %).

Мощности доз, обусловленные космическим излучением и внешним облу-

чением радионуклидами, примерно равны.

Для населения умеренных широт годовая эффективная эквивалент-

ная доза равна примерно 2,2 мЗв/год за счет повышенного облучения насе-

ления продуктами распада радона и торона (около 1,5 мЗв/год при среднем

значении по земному шару 1,3 мЗв/год). Следует отметить, что фон внутри

помещения не вполне соответствует естественному фону. Это измененный

человеком естественный фон, который им регулируется. Он может быть

существенно снижен радиационным контролем и выбором строительных

материалов, а также эффективным использованием вентиляционных сис-

тем. В «чистом» виде годовая эффективная доза естественного фона со-

ставляет 0,74 мЗв/год [5].

Источники естественного радиоактивного фона

За естественную принимают радиоактивность неантропогенного ха-

рактера (не связанную с деятельностью человека), т. е. не связанную с ра-

диоактивными веществами, возникшими вследствие испытаний атомного

оружия, катастроф на объектах ядерной энергетики, развития атомной

промышленности и т. д.

Естественные радиоактивные вещества содержатся в малых количе-

ствах во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека име-

ют радиоактивные элементы биосферы – земной оболочки, где обитают

растения, животные и человек. В биосфере радиоактивные элементы рас-

сеяны и только изредка встречаются в сколь-нибудь значительных количе-

ствах. Их возникновение связывают с образованием Земли. В период,

предшествующий образованию нашей планеты, существовали условия,

благоприятствующие возникновению радиоактивных элементов в веществе

Земли. В этот период времени и возникла основная масса радиоактивных

изотопов, в том числе долгоживущие, которые сохранились до настоящего

времени, и короткоживущие, к настоящему времени полностью распав-

шиеся.

        В зависимости от происхождения все естественные радиоактив-

ные элементы Земли делятся на три группы [2, 13, 16].

       К первой группе относятся элементы, объединенные в три радиоак-

тивных семейства. Кроме долгоживущих родоначальников этих семейств –

урана, тория и актиноурана, сюда входят продукты их распада, в том числе

и относительно короткоживущие – радий, радон и др. Количество радиоак-

тивных элементов этой группы постепенно уменьшается в соответствии с

законом радиоактивного распада. Наиболее распространенным элементом

этой группы является уран. Природный уран является смесью трех изото-

пов – урана-238 (99,2 %), урана-235 (0,71 %) и урана-234 (0,006 %). Уран-238

и уран-235 являются родоначальниками двух радиоактивных семейств.

Один из продуктов распада урана-238 – радий-226. Несмотря на

сравнительно малый период полураспада (Т1/2 = 1600 лет), содержание ра-

дия в земной коре стабильно из-за его возобновления при распаде урана.

       Радон-222 имеет малый период полураспада (Т1/2 = 3,8 дня) – радио-

активный газ, образующийся при распаде радия.

      Торий-232 – один из самых долгоживущих радиоактивных изотопов

1/2 = 10 млрд лет), имеет большее распространение в природе, чем уран,

родоначальник радиоактивного семейства [10, 11].

       Вторую группу радиоактивных элементов Земли составляют радио-

активные элементы, не входящие в состав радиоактивных семейств. Их

возникновение относят к периоду образования Земли. Количество данных

элементов на Земле постепенно снижается за счет радиоактивного распада.

К этой группе относится калий, являющийся одним из самых распро-

страненных элементов (более 1,1 % всех атомов, образующих земную кору).

Калий необходим для нормального развития растений и является неотъем-

лемой составной частью живых организмов и человека. Количество радио-

активного изотопа калия (калий-40) в природной смеси составляет

0,0119 %, а 1 г природного калия имеет активность около 30 Бк. Несмотря

на меньшую активность, чем у радия и урана, роль калия в природе из-за

его распространенности весьма велика.

        Из других элементов этой группы интересен рубидий-87, имеющий

свойство накапливаться в некоторых растениях (1 л виноградного сока со-

держит 1 мг рубидия). Однако активность рубидия намного меньше, чем

калия-40.

     В общем во вторую группу входит 11 долгоживущих радионуклидов с периодом полураспада от 107 до 1015 лет ( 40K,  87Rb, 90V, 115In,. 123Te, 135La, 142Ce, 144Nd, 147Sn, 152Gd,  170Lu).         

К третьей группе естественно-радиоактивных веществ относятся

радиоактивные изотопы, которые возникают в атмосфере под действием

космических лучей. К таким изотопам относятся радиоактивный углерод-14,

фосфор-32 и некоторые другие. Количество этих изотопов в природе отно-

сительно невелико, и их активность не имеет существенного значения.

Естественный радиоактивный фон в основном формируется радио-

нуклидами, содержащимся в горных породах, составляющих земную кору.

К ним относятся: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств: урана-238 и тория-232.

Космические излучения

   Космические лучи были открыты немецким физиком В. Гессом

(1912) при исследовании роста радиоактивного фона с высотою над по-

верхностью Земли (барометрический эффект).

Космическое излучение включает излучение частиц, захваченных

магнитным полем Земли, галактическое космическое излучение и излуче-

ние Солнца [19].

    Частицы, захваченные магнитным полем Земли, состоят в основном

из протонов и электронов. Захваченные частицы создают два радиацион-

ных пояса по обе стороны сферы радиусом, равным 2,8 радиуса Земли.

Верхний пояс имеет большую интенсивность и энергию излучения, чем

нижний. Энергия частиц: у электронов – до единиц МэВ, у протонов – до

нескольких сот МэВ. Различие в энергиях частиц определяется силой Ло-

ренца, удерживающей частицы в радиационных поясах Земли, зависящей

от скорости частиц. При одинаковых скоростях более массивные протоны

имеют большую энергию. Захваченные частицы доз на поверхности Земли

не создают.

    Галактическое космическое излучение в основном состоит из попа-

дающих на Землю из Космоса протонов (79 %) и альфа-частиц (20 %) и не-

большого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых

ядер, наибольшее значение из которых имеют ионы железа с относительно

высокими интенсивностью и атомным числом. Источниками галактиче-

ского космического излучения являются процессы, проходящие в дальнем

Космосе: звездные вспышки, взрывы сверхновых звезд и галактических

ядер, пульсарное ускорение и т. д. Диапазон энергий частиц галактическо-

го излучения составляет от 102 до 105 МэВ.

Входя в атмосферу, излучение взаимодействует с атомами азота, ки-

слорода, аргона. Взаимодействие с электронами атомов происходит чаще,

чем с ядрами, но при этом высокоэнергетичные частицы теряют мало

энергии. При столкновении с ядрами частицы выбывают из потока пер-

вичного излучения, поэтому ослабление первичного потока обусловлено

ядерными реакциями.

    Вторичные частицы сами обладают высокими энергиями и вызыва-

ют такие же ядерные реакции, т. е. формируется каскад реакций с образо-

ванием широких атмосферных ливней, являющихся вторичным кос-

мическим излучением, которое проникает в нижние слои атмосферы. Одна

первичная частица с высокой энергией (более 100 ТэВ) может вызвать ли-

вень, включающий до десяти поколений реакций, сопровождающихся ро-

ждением миллионов новых частиц.

    Таким образом, на высоте 25–30 км и выше (в стратосфере) преоб-

ладает первичное космическое излучение, а ниже в тропосфере (высота

10–15 км) – в основном вторичное.

Образование новых ядер и нуклонов происходит чаще всего в верх-

них слоях атмосферы. В нижних слоях поток ядер и протонов сильно ос-

лабляется за счет ядерных взаимодействий и последующей ионизации. В

общей дозе на уровне моря этот поток весьма мал (единицы %).

Преобладание в ливневых потоках -мезонов (около 80 %, осталь-

ное – К-мезоны) сопровождается быстрым распадом нейтральных пионов на

два гамма-кванта с последующим образованием электрон-позитронных пар,

комптоновских электронов и далее с рождением новых гамма-квантов.

При достижении вторичными электронами критической энергии (77 МэВ) и

преобладании ионизационных потерь процесс каскадных распадов прекра-

щается. Заряженные пионы могут участвовать в столкновениях с ядрами, в

противном случае они распадаются с испусканием заряженных -мезонов.

-мезоны имеют большое время жизни, как лептоны, не участвуют в силь-

ных взаимодействиях, рождаются с большими энергиями (0,2–20 ГэВ), об-

ладают малыми сечениями взаимодействия с ядрами и малыми радиацион-

ными и ионизационными потерями. Поэтому основная часть образовав-

шихся -мезонов достигает поверхности Земли и составляет на уровне мо-

ря основную часть космического излучения.

    Мощность вторичного космического излучения у поверхности Земли

изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря: чем выше распо-

ложена территория, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соот-

ветственно, выше мощность вторичного космического излучения. Это яв-

ление называется барометрическим эффектом. По данным Э.Дж. Холла,

население Земли, проживающее на уровне моря, получает от космического

излучения эффективную эквивалентную дозу порядка 300 мкЗв в год, жи-

вущие на высоте выше 2000 м – в несколько раз больше. Еще более интен-

сивному, хотя и непродолжительному облучению подвергаются экипажи и

пассажиры самолетов [2].

     Изменение мощности вторичного космического излучения происходит

и при удалении от экватора, т. к. уменьшается толщина тропосферы и ее эк-

ранирующее действие. Кроме того, траектория заряженных частиц космиче-

ского излучения больше искривляется геомагнитным полем Земли в области

экватора, поэтому здесь к поверхности могут проникать только высокоэнер-

гетичные частицы, а в полярных областях – и частицы сравнительно невысо-

кой энергии. Это явление носит название широтного эффекта. Излучение

Солнца по своему составу аналогично галактическому излучению. Частицы

малых энергий генерируются на Солнце постоянно. В периоды вспышек ге-

нерируются мощные потоки более энергетичных (1–100 МэВ) частиц. В пе-

риоды солнечной активности интенсивность солнечного излучения превы-

шает интенсивность галактического излучения. В этот период возросшее

магнитное поле Солнца отклоняет низкоэнергетическую компоненту га-

лактического потока. В основном энергия солнечных частиц мала для про-

хождения через магнитное поле Земли, поэтому их вклад в излучение в ат-

осфере меньше галактического даже в периоды солнечной активности

Космогенные радионуклиды

Другой составляющей естественного радиоактивного фона являются

возникающие в атмосфере и частично в литосфере в результате ядерных

реакций под действием космического излучения космогенные радионукли-

ды, которых известно около 20. Однако из них наибольший вклад в облу-

чение вносят бета-активные изотопы: тритий 1/2 = 12 лет), который пре-

вращается, в основном, в тритированную воду и с осадками выпадает на

земную поверхность, участвуя в круговороте воды; углерод-14 1/2 = 5730

лет) – вместе с обычным углекислым газом вовлекается в биотический

круговорот через фотосинтез; бериллий-7 1/2 = 53 суток) – с дождевой во-

дой поступает в растения и далее с зелеными овощами – в организм жи-

вотных и человека; натрий-22 1/2 = 2,6 лет) присутствует в биосфере в

значительно меньшем объеме.

Таблица 7

Годовые поступления космогенных радионуклидов человеку создаваемые ими дозы

Нуклид

Поступление,

Бк/год

Годовая эффективная доза,

мкЗв

Тритий

250

0,004

Бериллий-7

50

0,002

Углерод-14

20000

12

Натрий-22

50

0,15

Облучение населения от естественных радиационных

источников

Основную дозу облучения от источников естественной радиации че-

ловек получает за счет земных источников (более 80 % годовой эффектив-

ной эквивалентной дозы). Причем большая ее часть приходится на внут-

реннее облучение. Внешнее облучение происходит в основном за счет

космического излучения. У живущих на высоте свыше 2 тыс. метров над

уровнем моря эта доза в несколько раз выше, чем у жителей низменных

участков. Еще большему облучению подвергаются экипажи и пассажиры

самолетов: мощность эффективной дозы на высоте 8 тыс. метров составля-

ет 2 мкЗв/час, что в 62 раза больше, чем на уровне моря [1, 20].

Таблица 8Дозы, образуемые космическим излучением, в различных районах мира [15]

Место

Высота

над уров-

нем моря,

м

Ионизирующее

облучение,

мкЗв

Нейтроны,

мкЗв

Суммарная,

мкЗв

Ла Пас, Боливия

3900

1120

600

1720

Мехико

2240

530

190

720

Тегеран

1180

330

70

400

Уровень моря

0

240

20

260

Среднемировая доза

300

55

355

Уровень ионизирующего излучения, обусловленный земными источ-

никами, неодинаков для разных районов земного шара. Например, при-

мерно 95 % населения Франции, Германии, Италии, Японии и США живет

в местах с повышенным радиационным фоном. Мощность дозы облучения населения в этих странах составляет 0,3–0,6 мЗв/год.

Существуют области, где уровень естественной радиации значитель-

но превышает средние значения. Например, эквивалентная доза, получае-

мая двенадцатитысячным населением курортного города Гуапари (Брази-

лия), достигает 175 мЗв/год, вблизи города Посус-ди-Калдас эта доза в

800 раз превосходит средний уровень и достигает 250 мЗв/год. На юго-

западе Индии (штаты Керала и Мадрас) расположена коса шириной в не-

сколько сотен метров и длиной около 200 км, покрытая монацитовыми

песками с большим содержанием тория. Население этой территории со-

ставляет около 100 тыс. человек и получает эффективную эквивалентную

дозу в 50 раз больше средней годовой дозы внешнего облучения от земных

источников. В Иране близ города Рамсер, где много ручьев с большим со-

держанием радия, уровни радиации достигают 400 мЗв/год. Известны мес-

та с аномально высоким уровнем ионизирующего излучения во Франции,

Нигерии, России, на Мадагаскаре [1, 20].

Примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы внутреннего облу-

чения, получаемой человеком от естественных источников радиации, обу-

словливают радиоактивные вещества, попадающие в организм с пищей,

водой и воздухом. Небольшая часть этой дозы приходится на космоген-

ные радионуклиды (углерод-14 и тритий), основная ее часть – на источ-

ники земного происхождения (калий-40).

Относительный вклад различных составляющих естественного

радиоактивного фона в облучение населения:

-излучение радона и торона                                                   -42,5%;

-гамма-излучение земного происхождения                          -21,9%;

-космическое излучение                                                         -16,1%;

-внутренне облучение                                                             -19,5%.

Цезий-137

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 апреля 2013; проверки требуют 5 правок.

Перейти к: навигация, поиск 

Цезий-137

Схема распада цезия-137

Таблица нуклидов

Общие сведения

Название, символ

Цезий-137, 137Cs

Альтернативные названия

радиоце́зий

Нейтронов

82

Протонов

55

Свойства нуклида

Атомная масса

136,9070895(5)[1] а. е. м.

Избыток массы

−86 545,6(5)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

8 388,956(3)[1] кэВ

Период полураспада

30,1671(13)[2] лет

Продукты распада

137Ba

Родительские изотопы

137Xe (β)

Спин и чётность ядра

7/2+[2]

Канал распада

Энергия распада

β

1,17563(17)[1] МэВ

Це́зий-137, известен также как радиоце́зий — радиоактивный нуклид химического элемента цезия с атомным номером 55 и массовым числом 137. Образуется преимущественно при делении ядер в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Цезий-137 — один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления 137Cs наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных 137Cs накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и североамериканских водоплавающих птиц. Накапливается в грибах, ряд которых (маслята, моховики, свинушка, горькушка, польский гриб) считается «аккумуляторами» радиоцезия[3].

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 3,2 ТБк.

Содержание

Образование и распад

Цезий

-137 является дочерним продуктом β-распада нуклида 137Xe (период полураспада составляет 3,818(13)[2] мин):

.

Цезий-137 претерпевает бета-распад (период полураспада 30,17 лет), в результате которого образуется стабильный изотоп бария 137Ba:

.

В 94,4[4] % случаев распад происходит c промежуточным образованием ядерного изомера бария-137 137Bam (его период полураспада составляет 2,55 мин), который в свою очередь переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта с энергией 661,7 кэВ (или конверсионного электрона с энергией 661,7 кэВ, уменьшенной на величину энергии связи электрона). Суммарная энергия, выделяющаяся при бета-распаде одного ядра цезия-137, составляет 1175,63 ± 0,17[1] кэВ.

Цезий-137 в окружающей среде

Карта радиационного загрязнения цезием-137 территорий, граничащих с Чернобыльской зоной отчуждения (на 1996 г.)

Выброс цезия-137 в окружающую среду происходит в основном в результате ядерных испытаний и аварий на предприятиях атомной энергетики.

Ядерные испытания

Радиационные аварииПри аварии на Южном Урале в 1957 г. произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, в результате которого в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0,2 ПБк 137Cs[5].

  1.  При аварии на реакторе в Уиндскейле в Великобритании в 1957 г. произошел выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк 137Cs[5].
  2.  Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия «Маяк» на Южном Урале в р. Течу в 1950 г. составил 102 ПБк, в том числе 137Cs 12,4 ПБк[5].
  3.  Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз. Карачай на Южном Урале в 1967 г. составил 30 ТБк. На долю 137Cs пришлось 0,4 ТБк[5].
  4.  В целях глубинного зондирования земной коры по заказу министерства геологии произведён подземный ядерный взрыв 19 сентября 1971 г. около д. Галкино в Ивановской области. На 18 минуте после взрыва в метре от скважины с зарядом образовался фонтан из воды и грязи. В настоящее время мощность излучения составляет порядка 3 тысяч микрорентген в час, изотопы цезий-137 и стронций-90 продолжают выходить на поверхность.
  5.  В 1986 г. во время аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. На Украине, в Белоруссии и Центральном экономическом районе Российской Федерации выпало более половины от общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ. Среднегодовая концентрация цезия-137 в приземном слое воздуха на территории СССР в 1986 году повысилась до уровня 1963 года (в 1963 г. наблюдалось повышение концентрации радиоцезия в результате проведения серии атмосферных ядерных взрывов в 1961—1962 гг.)[6]
  6.  В 2011 г. во время аварии на АЭС Фукусима-1 из разрушенного реактора было выброшено значительное количество цезия-137 (агентство по атомной безопасности считает, что выброс радиоактивного цезия-137 из трех реакторов составил 770 ПБк, оценки ТЕРСО в два раза ниже[7]). Распространение, в основном, происходит через воды Тихого океана.

Локальные заражения

Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников цезия-137 для медицинских и технологических целей. Наиболее известным в этом отношении является инцидент в Гоянии, когда мародерами из заброшенной больницы была похищена деталь из установки для радиотерапии, содержащая цезий-137. В течение более чем двух недель с порошкообразным цезием контактировали все новые люди, и никто из них не знал о связанной с ним опасности. Радиоактивному заражению подверглись приблизительно 250 человек, четверо из них умерли.

На территории СССР инцидент с длительным облучением жителей одного из домов цезием-137 произошёл в 1980-х годах в Краматорске.

Биологическое действие

Внутрь живых организмов цезий-137 в основном проникает через органы дыхания и пищеварения. Хорошей защитной функцией обладает кожа (через неповрежденную поверхность кожи проникает только 0,007 % нанесенного препарата цезия, через обожженную — 20 %; при нанесении препарата цезия на рану всасывание 50 % препарата наблюдается в течение первых 10 мин, 90 % всасывается только через 3 часа). Около 80 % попавшего в организм цезия накапливается в мышцах, 8 % — в скелете, оставшиеся 12 % распределяются равномерно по другим тканям[5].

Накопление цезия в органах и тканях происходит до определенного предела (при условии его постоянного поступления), при этом интенсивная фаза накопления сменяется равновесным состоянием, когда содержание цезия в организме остается постоянным. Время достижения равновесного состояния зависит от возраста и вида животных. Равновесное состояние у сельскохозяйственных животных наступает примерно через 10-30 дней, у человека приблизительно через 430 суток[5].

Цезий-137 выводится в основном через почки и кишечник. Через месяц после прекращения поступления цезия из организма выводится примерно 80 % введенного количества, однако при этом следует отметить, что в процессе выведения значительные количества цезия повторно всасываются в кровь в нижних отделах кишечника[5].

Биологический период полувыведения накопленного цезия-137 для человека принято считать равным 70 суткам (согласно данным Международной комиссии по радиологической защите)[5][8]. Тем не менее, скорость выведения цезия зависит от многих факторов - физиологического состояния, питания и др. (например, приводятся данные о том, что период полувыведения для пяти облученных человек существенно различался и составлял 124, 61, 54, 36 и 36 суток)[5].

При равномерном распределении цезия-137 в организме человека с удельной активностью 1 Бк/кг мощность поглощенной дозы, по данным различных авторов, варьирует от 2,14 до 3,16 мкГр/год[5].

При внешнем и внутреннем облучении биологическая эффективность цезия-137 практически одинакова (при сопоставимых поглощенных дозах). Вследствие относительно равномерного распределения этого нуклида в организме органы и ткани облучаются равномерно. Этому также способствует высокая проникающая способность гамма-излучения нуклида 137Bam, образующегося при распаде цезия-137: длина пробега гамма-квантов в мягких тканях человека достигает 12 см[5].

Развитие радиационных поражений у человека можно ожидать при поглощении дозы примерно в 2 Гр и более. Симптомы во многом схожи с острой лучевой болезнью при гамма-облучении: угнетённое состояние и слабость, диарея, снижение массы тела, внутренние кровоизлияния. Характерны типичные для острой лучевой болезни изменения в картине крови[5]. Дозам в 148, 370 и 740 МБк соответствуют лёгкая, средняя и тяжелая степени поражения, однако лучевая реакция отмечается уже при единицах МБк[5].

Помощь при радиационном поражении цезием-137 должна быть направлена на выведение нуклида из организма и включает в себя дезактивацию кожных покровов, промывание желудка, назначение различных сорбентов (например, сернокислого бария, альгината натрия, полисурмина), а также рвотных, слабительных и мочегонных средств. Эффективным средством для уменьшения всасывания цезия в кишечнике является сорбент ферроцианид, который связывает нуклид в неусваиваемую форму. Кроме того, для ускорения выведения нуклида стимулируют естественные выделительные процессы, используют различные комплексообразователи (ДТПА, ЭДТА и др.)[5].

Получение

Из растворов, полученных при переработке радиоактивных отходов ядерных реакторов, 137Cs извлекается методами соосаждения с гексацианоферратами железа, никеля, цинка или фторовольфраматом аммония. Используют также ионный обмен и экстракцию[9].

Применение

Цезий-137 используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, для радиационной стерилизации пищевых продуктов, медицинских препаратов и лекарств, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Также цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде хлорида цезия (плотность 3,9 г/см³, энерговыделение около 1,27 Вт/см³). Цезий-137 используется в датчиках предельных уровней сыпучих веществ (уровнемерах) в непрозрачных бункерах.

Цезий-137 имеет определенные преимущества перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада и менее жесткое гамма-излучение. В связи с этим приборы на основе 137Cs долговечнее, а защита от излучения менее громоздка. Однако, эти преимущества становятся реальными лишь при отсутствии примеси 134Cs с более коротким периодом полураспада и более жестким гамма-излучением[10].

Калий-40

Калий-40

Схема распада К-40

Таблица нуклидов

Общие сведения

Название, символ

Калий-40, 40K

Нейтронов

21

Протонов

19

Свойства нуклида

Атомная масса

39,96399848(21)[1] а. е. м.

Избыток массы

−33 535,20(19)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

8 538,083(5)[1] кэВ

Изотопная распространённость

0,0117(1) %[2]

Период полураспада

1,248·109[2] лет

Продукты распада

40Ar, 40Ca

Спин и чётность ядра

4[2]

Канал распада

Энергия распада

β-распад (~89,28 %)

1,31107(11)[1] МэВ

EC (~10,72 %)

1,50469(19) МэВ

Калий-40 1/2 = 1,4 млрд лет) встречается в виде трех изотопов – кА

лий-39, калий-40 и калий-41, из которых радиоактивен только калий-40. Соотношение изотопов в составе природного калия соответствует: калий-39 –93,08 %, калий-41 – 6,91 %, калий-40 – 0,01 %, причем он усваивается любым организмом без изменения изотопного состава/

Kа́лий-40 (лат. Kalium-40) — радиоактивный изотоп химического элемента калия с атомным номером 19 и массовым числом 40. Изотопная распространённость калия-40 в природе составляет 0,0117(1) %[2]. Удельная активность 1 грамма изотопно чистого 40K равна 2,652·105 Бк. Весь природный калий радиоактивен за счёт распадов 40K; удельная активность природного калия равна примерно 31 Бк/г.

Содержание

Образование и распад

Весь имеющийся на Земле калий-40 образовался незадолго до возникновения Солнечной системы и самой планеты (4,6 млрд лет назад) и с тех пор постепенно распадался. Своим существованием на сегодняшний день нуклид обязан большому периоду полураспада (1,248·109 лет).

Распад калия-40 происходит по двум направлениям:

  1.  β-распад (вероятность 89,28 %):

  1.  захват орбитального электрона (вероятность 10,72 %):

Крайне редко (в 0,001 % случаев) он распадается в 40Ar через позитронный распад, с излучением позитрона (β+) и электронного нейтрино νe:

Биологическая роль

Калий-40 с необходимостью присутствует в живых организмах наряду с двумя другими (стабильными) природными изотопами калия. Концентрация этого элемента в питьевой воде составляет ~3·10−4 мг/л, что приводит к радиоактивности воды на уровне 2·10−12 Ки/л. Эта величина чрезвычайно мала и не ведёт к каким-либо вредным последствиям для организма.

Наличие калия-40 в теле человека обусловливает его природную радиоактивность на уровне 4-5 кБк в зависимости от массы. Это примерно 80-85 % всей радиоактивности организма. Оставшаяся часть исходит от изотопа 14С.

Особенно большую роль во внутреннем облучении организма играет

калий-40 [7]. Он активно поглощается организмом из окружающей среды,

усваивается им и участвует в обмене веществ вместе со стабильными изо-

топами калия, необходимыми для жизнедеятельности человеческого орга-

низма. Калий-40 из почвы через корневую систему поступает в растения и

затем с растительной пищей попадает в организм животных и человека.

Среди дикорастущих растений наиболее интенсивно идет процесс накоп-

ления калия у высших цветковых, несколько ниже он у голосемянных и

минимален у мхов и лишайников. Калий-40 является основным естествен-

ным бета-излучателем, содержащимся в теле любого представителя флоры

и фауны. В табл. 2 [7] показано содержание калия-40 в основных продуктах питания растительного и животного происхождения.

Содержание калия-40 в основных продуктах питания

Продукт

Содержание калия

Удельная активность

Бк/кг (10-9 Ки/кг)

Пшеница

0,5

150 (4,0)

Рожь

0,6

176 (4,8)

Горох

0,9

274 (7,4)

Крупа гречневая

0,13

41 (1,1)

Картофель

0,45

130 (3,5)

Морковь

0,29

84 (2,3)

Лук

0,15

44,4 (1,2)

Огурцы

0,34

100 (2,7)

Клюква

0,15

44,4 (1,2)

Говядина

0,37

84 (2,3)

Свинина

0,1

33,3 (0,9)

Рыба

0,26

77,7 (2,1)

Икра

0,42

127 (3,4)

Молоко коровье

0,14

44,4 (1,2)

Масло сливочное

0,014

37 (0,1)

Активность калия-40 в организме человека составляет примерно 2_104 Бк.

Содержание калия в теле человека зависит от пола и возраста. Оно макси-

мально у молодых мужчин и у пожилых женщин. Распределение калия в

различных органах и тканях тела и обусловленные излучением калия-40

мощности поглощенной дозы для взрослого мужчины приведены в табл. 3.

Средняя концентрация калия-40 в тканях взрослого мужчины и годовые

поглощенные дозы, обусловленные этими радионуклидами

Орган или ткань

Весовое содержа-

ние элемента,

г/кг

Концентрация ак-

тивности, Бк/кг

Годовая поглощен-

ная доза,

мкГр

Гонады

2,1

64

180

Легкие

2,1

64

180

Красный костный

мозг

4,4

130

270

Эндостальные клет-

ки

140

Щитовидная железа

1,1

33

100

Калий-аргонное датирование

Отношение концентрации 40K к концентрации его продукта распада 40Ar используется для определения абсолютного возраста объектов методом так называемого калий-аргонного датирования. Суть этого метода состоит в следующем:

  1. При помощи известных постоянных β-распада и е-захвата считается относительная доля атомов 40K, превратившихся в 40Ar:

  1. Если 40K0 — изначальное количество атомов калия-40, а t — искомый возраст образца, то современное количество атомов 40K в измеряемом образце определяется формулой:

  1. Суммарное количество атомов 40Ar и 40Ca, образовавшихся за время t равно:

  1. Из соотношения же между постоянными распада следует, что:

  1. Сравнивая два последних уравнения, получаем связь между количеством атомов 40Ar и 40K в исследуемом образце:

  1. Решая получившееся уравнение относительно искомого времени t получаем формулу для определения возраста образца:

Рубидий

[править | править исходный текст]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск 

37

КриптонРубидийСтронций

K

Rb

Cs

37Rb

Внешний вид простого вещества


Мягкий, серебристо-белый
металл

Свойства атома

Имя, символ, номер

Руби́дий / Rubidium (Rb), 37

Атомная масса
(
молярная масса)

85,4678(3)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Kr] 5s1

Радиус атома

248 пм

Химические свойства

Ковалентный радиус

216 пм

Радиус иона

(+1e)147 пм

Электроотрицательность

0,82 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

−2,925

Степени окисления

1

Энергия ионизации
(первый электрон)

402,8 (4,17) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность (при н. у.)

1,532 г/см³

Температура плавления

39,05 °C

Температура кипения

688 °C

Теплота плавления

2,20 кДж/моль

Теплота испарения

75,8 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

31,1[2] Дж/(K·моль)

Молярный объём

55,9 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки

кубическая объёмноцентрированая

Параметры решётки

5,710 Å

Температура Дебая

[3] 56 K

37

Рубидий

Rb

85,467

[Kr]5s1

Руби́дий — элемент главной подгруппы первой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 37. Обозначается символом Rb (лат. Rubidium). Простое вещество рубидий (CAS-номер: 7440-17-7) — мягкий легкоплавкий щелочной металл серебристо-белого цвета.
Рубидий-87 1/2 = 48 млрд лет) является химическим аналогом калия,

встречается всегда вместе с ним. Рубидий имеет два изотопа – стабильный

рубидий-85 и радиоактивный рубидий-87, который распространен в окру-

жающей среде в микроколичествах. Это радионуклид с «мягким» бета

излучением (с энергией 0,275 МэВ).

История

В 1861 году немецкие учёные Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Роберт Кирхгоф, изучая с помощью спектрального анализа природные алюмосиликаты, обнаружили в них новый элемент, впоследствии названный рубидием по цвету наиболее сильных линий спектра.

Обнаружение радиоактивности рубидия

Природная радиоактивность рубидия была открыта Кемпбеллом и Вудом в 1906 году с помощью ионизационного метода[4] и подтверждена В.Стронгом в 1909 году с помощью фотоэмульсии[5]. В 1930 году Л. В. Мысовский и Р. А. Эйхельбергер с помощью камеры Вильсона показали, что эта радиоактивность сопровождается испусканием бета-частиц[6]. Позже было показано, что она обусловлена бета-распадом природного изотопа 87Rb.

Происхождение названия

Название дано по цвету наиболее характерных красных линий спектра (от лат. rubidus — красный, тёмно-красный).

Нахождение в природе

Мировые ресурсы рубидия

Содержание рубидия в земной коре составляет 7,8·10−3%, что примерно равно суммарному содержанию никеля, меди и цинка. По распространенности в земной коре рубидий находится примерно на 20-м месте, однако в природе он находится в рассеянном состоянии, рубидий — типичный рассеянный элемент. Собственные минералы рубидия неизвестны. Рубидий встречается вместе с другими щелочными элементами, он всегда сопутствует калию. Обнаружен в очень многих горных породах и минералах, найденных, в частности, в Северной Америке, Южной Африке и России, но его концентрация там крайне низка. Только лепидолиты содержат несколько больше рубидия, иногда 0,2 %, а изредка и до 1—3 % (в пересчете на Rb2О).

Соли рубидия растворены в воде морей, океанов и озёр. Концентрация их и здесь очень невелика, в среднем порядка 100 мкг/л. В отдельных случаях содержание рубидия в воде выше: в Одесских лиманах оно оказалось равным 670 мкг/л, а в Каспийском море — 5700 мкг/л. Повышенное содержание рубидия обнаружено и в некоторых минеральных источниках Бразилии.

Из морской воды рубидий перешёл в калийные соляные отложения, главным образом, в карналлиты. В страссфуртских и соликамских карналлитах содержание рубидия колеблется в пределах от 0,037 до 0,15 %. Минерал карналлит — сложное химическое соединение, образованное хлоридами калия и магния с водой; его формула KCl·MgCl2·6H2O. Рубидий даёт соль аналогичного состава RbCl·MgCl2·6H2O, причём обе соли — калиевая и рубидиевая — имеют одинаковое строение и образуют непрерывный ряд твёрдых растворов, кристаллизуясь совместно. Карналлит хорошо растворим в воде, потому вскрытие минерала не составляет большого труда. Сейчас разработаны и описаны в литературе рациональные и экономичные методы извлечения рубидия из карналлита, попутно с другими элементами.

Месторождения

Минералы, содержащие рубидий (лепидолит, циннвальдит, поллуцит, амазонит), находятся на территории Германии, Чехии, Словакии, Намибии, Зимбабве, Туркмении и других странах[7].

Получение

Большую часть добываемого рубидия получают как побочный продукт при производстве лития из лепидолита. После выделения лития в виде карбоната или гидроксида рубидий осаждают из маточных растворов в виде смеси алюморубидиевых, алюмокалиевых и алюмоцезиевых квасцов RbAl(SO4)2·12H2O, KAl(SO4)2·12H2O, CsAl(SO4)2·12H2O. Смесь разделяют многократной перекристаллизацией.

Рубидий также выделяют и из отработанного электролита, получающегося при получении магния из карналлита. Из него рубидий выделяют сорбцией на осадках ферроцианидов железа или никеля. Затем ферроцианиды прокаливают и получают карбонат рубидия с примесями калия и цезия. При получении цезия из поллуцита рубидий извлекают из маточных растворов после осаждения Cs3[Sb2Cl9]. Можно извлекать рубидий и из технологических растворов, образующихся при получении глинозёма из нефелина.

Для извлечения рубидия используют методы экстракции и ионообменной хроматографии. Соединения рубидия высокой чистоты получают с использованием полигалогенидов.

Значительную часть производимого рубидия выделяют в ходе получения лития, поэтому появление большого интереса к литию для использования его в термоядерных процессах в 1950-х привело к увеличению добычи лития, а, следовательно, и рубидия. Именно поэтому соединения рубидия стали более доступными.

Физические свойства

Рубидий образует серебристо-белые мягкие кристаллы, имеющие на свежем срезе металлический блеск. Твёрдость по Бринеллю 0,2 МН/м² (0,02 кгс/мм²).

Кристаллическая решётка рубидия кубическая объёмно-центрированная, а=5,71 Å (при комнатной температуре).

Атомный радиус 2,48 Å, радиус иона Rb+ 1,49 Å.

Плотность 1,525 г/см³ (0 °C), tпл 38,9 °C, tкип 703 °C.

Удельная теплоемкость 335,2 Дж/(кг·К) [0,08 кал/(г·°С)], термический коэффициент линейного расширения 9,0·10−5 град−1 (0-38 °C), модуль упругости 2,4 ГН/м² (240 кгс/мм²), удельное объёмное электрическое сопротивление 11,29·10−6 ом·см (20 °C); рубидий парамагнитен.

Химические свойства

Щелочной металл, крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей — большей частью легкорастворимые.

Соединения рубидия

Гидроксид рубидия RbOH — весьма агрессивное вещество к стеклу и другим конструкционным и контейнерным материалам, а расплавленный RbOH разрушает большинство металлов.

Применение

Хотя в ряде областей применения рубидий уступает цезию, этот редкий щелочной металл играет важную роль в современных технологиях. Можно отметить следующие основные области применения рубидия: катализ, электронная промышленность, специальная оптика, атомная промышленность, медицина (его соединения обладают нормотимическими[8] свойствами).

Рубидий используется не только в чистом виде, но и в виде ряда сплавов и химических соединений. Рубидий имеет хорошую сырьевую базу, более благоприятную, чем для цезия. Область применения рубидия в связи с ростом его доступности расширяется.

Изотоп рубидий-86 широко используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а также при стерилизации лекарств и пищевых продуктов. Рубидий и его сплавы с цезием — это весьма перспективный теплоноситель и рабочая среда для высокотемпературных турбоагрегатов (в этой связи рубидий и цезий в последние годы приобрели важное значение, и чрезвычайная дороговизна металлов уходит на второй план по отношению к возможностям резко увеличить КПД турбоагрегатов, а значит и снизить расходы топлива и загрязнение окружающей среды). Применяемые наиболее широко в качестве теплоносителей системы на основе рубидия — это тройные сплавы: натрий-калий-рубидий, и натрий-рубидий-цезий.

В катализе рубидий используется как в органическом, так и неорганическом синтезе. Каталитическая активность рубидия используется в основном для переработки нефти на ряд важных продуктов. Ацетат рубидия, например, используется для синтеза метанола и целого ряда высших спиртов из водяного газа, что актуально в связи с подземной газификацией угля и в производстве искусственного жидкого топлива для автомобилей и реактивного топлива. Ряд сплавов рубидия с теллуром обладают более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, чем соединения цезия, и в связи с этим он способен в этом случае составить конкуренцию цезию как материал для фотопреобразователей. В составе специальных смазочных композиций (сплавов), рубидий применяется как высокоэффективная смазка в вакууме (ракетная и космическая техника).

Гидроксид рубидия применяется для приготовления электролита для низкотемпературных химических источников тока[источник не указан 498 дней], а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита[источник не указан 498 дней]. В гидридных топливных элементах находит применение металлический рубидий.

Хлорид рубидия в сплаве с хлоридом меди находит применение для измерения высоких температур (до 400 °C).

Пары рубидия используются как рабочее тело в лазерах, в частности, в рубидиевых атомных часах.

Хлорид рубидия применяется в топливных элементах в качестве электролита, то же можно сказать и о гидроксиде рубидия, который очень эффективен как электролит в топливных элементах, использующих прямое окисление угля.

Изотопы

В природе существуют два изотопа рубидия[9]: стабильный 85Rb (содержание в натуральной смеси: 72,2 %) и бета-радиоактивный 87Rb (27,8 %). Период полураспада последнего равен 49,23 млрд лет (в 11 раз больше возраста Земли). Продукт распада — стабильный изотоп стронций-89. Постепенное накопление радиогенного стронция в минералах, содержащих рубидий, позволяет определять возраст этих минералов, измеряя содержание в них рубидия и стронция (см. Рубидий-стронциевый метод в геохронометрии). Благодаря радиоактивности 87Rb природный рубидий обладает удельной активностью около 670 кБк/кг.

Искусственным путём получены 30 радиоактивных изотопов рубидия (в диапазоне массовых чисел от 71 до 102), не считая 16 возбуждённых изомерных состояний.

Радон

Радон (лат. Radonum), Rn, радиоактивный химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 86, относится к инертным газам. Три a-радиоактивных изотопа Р. встречаются в природе как члены естественных радиоактивных рядов: 219Rh (член ряда актиноурана; период полураспада T1/2 = 3,92 сек); 220Rn (ряд тория, T1/2 = 54,5 сек) и 222Rn (ряд урана — радия, Т1/2 = 3,823 сут). Изотоп 219Rn называется также актинон (символ An), 220Rn — торон (Tn), a 222Rn называется истинным Р. и часто обозначают просто символом Rn. Искусственно, с помощью ядерных реакций получено свыше 20 изотопов Р. с массовыми числами между 201 и 222. Для синтеза нейтронодефицитных изотопов Р. с массовыми числами 206—212 в Объединённом институте ядерных исследований (г. Дубна, СССР) создана специальная газохроматографическая установка, позволяющая за полчаса получать сумму этих изотопов в радиохимически чистом виде.

Радон - тяжелый радиоактивный газ, не имеет запаха, прозрачен и бесцветен. Его плотность при ООС равна 9,81 кг/м3, т. е. почти в 8 раз больше плотности воздуха.

Радон без нагревания испускает тепло и со временем может образовывать, твердые радиоактивные элементы.

Все изотопы радона радиоактивны и довольно быстро распадаются: самый устойчивый изотоп 222 Rn имеет период полураспада 3,8 СУТ., второй по устойчивости - 220 Rn (торон) - 55,6 с.

Источники радона. Радон постоянно поступает в атмосферу из земных пород: 222 Rn - при делении ядер 238 U, а 220 Rn - при делении ядер 232 Th.

Радон поступает в окружающую среду из пород, содержащих уран и торий (например, граниты, фосфориты). Изотоп 222Rn дает примерно 50 55% дозы облучения, которое ежегодно получает каждый житель Земли, изотоп 220Rn прибавляет к этому еще ~5-1 0%. Однако исследования показали, что в отдельных местностях радоновое облучение во много раз и даже на несколько порядков может превышать средние величины.

Наиболее высокие концентрации урана свойственны изверженным (магматическим) породам, в особенности гранитом. Высокие концентрации урана также могут быть приурочены к темноцветным сланцам, осадочным породам, содержащим фосфаты, а также метаморфическим породам, образовавшимся из этих отложений.

В результате радиоактивного распада атомы радона попадают в кристаллическую решетку минералов. Процесс выделения радона из минералов и пород в паровое или трещинное пространство получил название эманирования. В зоне аэрации, то есть выше уровня грунтовых вод, поры и трещины пород и почв заполнены, как правило, воздухом. Ниже уровня грунтовых вод все пустотное пространство пород заполнено водой. В первом случае радон как всякий газ распространяется по законам диффузии. Во втором - может также мигрировать вместе с водой.

Основным источником поступления радона в воздух помещений является геологическое пространство под зданием. Радон легко проникает в помещения по проницаемым зонам земной коры. Здание с газопроницаемым полом, построенное на земной поверхности, может увеличивать поток радона, выходящего из земли, до 10 раз за счет перепада давления воздуха в помещениях здания и атмосфере.

Свой вклад в поток радона, поступающий в помещение, создает и его выход из строительных конструкций - радон может генерироваться строительными материалами при достаточно большом содержании в них урана и тория.

В исключительных случаях свой вклад в поступление радона в помещение может вносить его выход из водопроводной воды и бытового газа.

Радон может мигрировать по воде. Он попадает в воду из окружающей почвы, а также гранитов, базальтов, песка с которыми соприкасаются водоносные слои.

Обнаружить радон в питьевой воде довольно непросто, для этого нужна специальная аппаратура. Но если в используемой воде содержится много радона, то есть несколько простых способов снижения радона в используемой воде. Самый простой из них, это кипячение! Обычно люди потребляют большую часть воды в виде горячих напитков и блюд (супы, чай, кофе). При кипячении воды или приготовлении пищи радон в значительной степени улетучивается. Также заметно снизить концентрацию можно при использовании фильтров из активированного угля. Этот процесс называется адсорбцией. Активированный уголь обладает огромной адсорбирующей способностью (количество угля размером с горошину имеет активную поверхность равную половине футбольного поля). Свойства различных загрязнителей заставляют их закрепляться и задерживаться на адсорбенте (активированном угле).

Наибольшую опасность представляет поступление радона с водяными парами при пользовании душем, ванной парной и т. п.

 В случае, когда для снабжения дома водой используются скважины, радон попадает в дом с водой и также может скапливаться в значительных количествах в кухнях и ванных комнатах.

Растворенный в воде радон действует двояко. С одной стороны, он вместе с водой попадает в пищеварительную систему, а с другой стороны, люди вдыхают выделяемый водой радон при ее использовании. Дело в том, что в тот момент, когда вода вытекает из крана, радон выделяется из нее, в результате чего концентрация радона в кухне или ванной комнате может в 30-40 раз превышать его уровень в других помещениях (например, в жилых комнатах). Второй (ингаляционный) способ воздействия радона считается более опасным для здоровья.

Радоновые воды используются в виде водных и грязевых ванн, воздушных ингаляций, для эманаторов. Они применяются при лечении нервной, сердечно-сосудистой систем, органов дыхания и пищеварения, опорно-двигательного аппарата, болезней обмена веществ.

Влияние радона на организм человека. Существует статистическая связь заболеваемости злокачественными опухолями, склерозом, ишемической болезнью сердца, изменением поведенческих реакций и детским церебральным параличом с геопатогенными зонами (разломами), по которым радон перемещается и с помощью которых выходит на поверхность.

При дыхании в легкие за одну минуту попадают миллионы радиоактивных атомов радона, они избирательно накапливаются в некоторых органах и тканях, особенно в гипофизе и коре надпочечников, этих двух важнейших железах внутренней секреции, определяющих гормональную активность организма и регулирующих деятельность вегетативной нервной системы. Концентрируются также в сердце, печени и других жизненно важных органах. Растворяясь в крови и лимфе, радон и продукты его распада быстро разносятся по всему телу и приводят к внутреннему массированному облучению.

Опасность радона помимо вызываемых им функциональных нарушений (астматические приступы удушья, мигрень, головокружение, тошнота, депрессивное состояние и т.д.) заключается еще и в том, что в следствии внутреннего облучения легочной ткани он способен вызвать рак самих легких.

Радон свободно растворяется в жирах и установлено, что радон накапливается в мозге человека - это приводит к заболеванию раком крови.

Обеспечение радоновой безопасности - одна из важнейших проблем экологии, которая активно обсуждается в последние два десятилетия.

Так как радон и, особенно, продукты его распада являются вредными для организма, то радиацию, излучаемую радоном, можно уменьшить, если выбрать дом из природных материалов для строительства, таких как природный гипс, портландцемент, гравий, содержание радона в которых не превышает 30-50 Бк/кг; самое низкое содержание радона в дереве - 26 Бк/кг. Концентрация радона может меняться в зависимости от этажности здания; в квартирах первого этажа концентрация радона в 2-3 раза выше, чем в квартирах верхних этажей, так как проникновение радона в жилые помещения зависит от толщины и целостности межэтажных перекрытий, облицовки стен и полов, заделки щелей пола и стен.

Радон содержится в водопроводной воде и некоторых продуктах питания, но при кипячении воды и приготовлении горячих блюд некоторая часть радона улетучивается.

   К короткоживущим продуктам распада радона относятся RaA (), RaB (), RaC () и RaC' (). В эту группу обычно не включают RaC"() ввиду малой вероятности перехода RaCRaC". Эти радионуклиды образуются в результате следующих ядерных реакций:

                     α                 α                 β                β              α 

         222Rn   218Po  214Pb   214Bi   214Po 210Pb

                           RaA          RaB            RaC           RaC/            RaD

Уран-238

Природный уран – уран (который может быть химически выделен),

содержащий природную смесь изотопов урана (приблизительно 99,28%

урана-238 и 0,72% урана-235 по массе). Обедненный уран - уран, содержащий

меньшее в процентном выражении количество урана-235 по массе по

сравнению с природным ураном. Обогащенный уран - уран, содержащий

количество урана-235 в процентном выражении по массе больше 0,72%. Во

всех случаях присутствует очень небольшое в процентном выражении по массе количество урана-234.

(ПБПРМ-2006)

Уран-238

Таблица нуклидов

Общие сведения

Название, символ

Уран-238, 238U

Альтернативные названия

ура́н оди́н, UI

Нейтронов

146

Протонов

92

Свойства нуклида

Атомная масса

238,0507882(20)[1] а. е. м.

Избыток массы

47 308,9(19)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

7 570,120(8)[1] кэВ

Изотопная распространённость

99,2745(106) %[2]

Период полураспада

4,468(3)·109[2] лет

Продукты распада

234Th, 238Pu

Родительские изотопы

238Pa (β)
242Pu (α)

Спин и чётность ядра

0+[2]

Канал распада

Энергия распада

α-распад

4,2697(29)[1] МэВ

SF

ββ

1,1442(12)[1] МэВ

Ура́н-238 (англ. uranium-238), историческое название ура́н оди́н (лат. Uranium I, обозначается символом UI) — радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 238. Изотопная распространённость урана-238 в природе составляет 99,2745(106) %[2]. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+2, называемого рядом радия.

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 12,5 кБк.

Содержание

 [убрать] 

  1.  1 Образование и распад
  2.  2 Изомеры
  3.  3 Применение
  4.  4 См. также
  5.  5 Примечания

Образование и распад

Образец урана-238

Уран-238 образуется в результате следующих распадов:

  1.  β-распад нуклида 238Pa (период полураспада составляет 2,27(9)[2] мин):

  1.  α-распад нуклида 242Pu (период полураспада составляет 3,75(2)·105[2] лет):


Распад урана-238 происходит по следующим направлениям:

  1.  α-распад в 234Th (вероятность 100 %[2], энергия распада 4 269,7(29) кэВ[1]):

энергия испускаемых α-частиц 4 151 кэВ (в 21 % случаев) и 4 198 кэВ (в 79 % случаев)[3].

  1.  Спонтанное деление (вероятность 5,45(7)·10−5 %)[2];
  2.  Двойной β-распад в 238Pu (вероятность 2,2(7)·10−10 %[2], энергия распада 1 144,2(12) кэВ[1])

Радиоактивный распад урана-238

Вид излучения Нуклид Период полураспада

Уран-23 4,47 млрд лет

торий-234 24,1 суток

протоактиний-234 1,17 минут

уран-234 245 000 лет

торий-230 8000 лет

радий-226 1600 лет

радон-222 3,823 суток

полоний-218 3,05 минут

свинец-214 26,8 минут

висмут-214 19,7 минуты

полоний-214 0,000164 секунды

свинец-210 22,3 лет

висмут-210 5,01 суток

полоний-210 138,4 суток

свинец-206 стабильный

Обычно природный уран наблюдается в мелкодисперсном состоянии

в микроколичествах в горных породах и почвах, а также во всех водных

источниках. Однако встречаются и обширные (на многие сотни и тысячи

квадратных километров) районы с повышенным содержанием урана во

всех компонентах био- и геоценозов. Подобные урановые провинции име-

ются в США (плато Колорадо, урановые месторождения в штатах Вайо-

минг, Дакота, Невада, Вашингтон), на западе Аргентины, вдоль Бразиль-

16

ского горного щита и на юге Африки, а также во Франции, в Чехии и Сло-

вакии. По данным на 1990 год на территории бывшего СССР было сосре-

доточено 45 % мировых запасов урана [4].

Таблица 6

Страны, обладающие запасами природного урана

Страна

Эксплуатируемые

запасы, тыс. т

Страна

Эксплуатируемые

запасы, тыс. т

США

530 (180)*

Алжир

15

Австралия

290 (10) *

Испания

10

ЮАР

250 (140) *

Япония

10

Канада

220 (20) *

Португалия

10

Нигер

160

Пакистан

10

Намибия

120

Мексика

10

Бразилия

75

Сомали

10 (10) *

Франция

40

Австрия

2

Габон

40

Турция

2

Индия

30

Заир

1

Аргентина

25

Швеция

1 (300) *

Центрально-

Африканская Рес-

публика

 

20

* Потенциально рентабельные запасы в тыс. т.

Лучшими аккумуляторами урана среди растений являются мхи

(3 ·10-3 г/кг золы). В организме млекопитающих уран накапливается, в ос-

новном, в костной ткани, причем более интенсивно идет процесс накопле-

ния в молодых организмах. Население Западной Австралии, проживающее

в районах с повышенной концентрацией урана и питающееся мясом овец и

кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосходящие средний уровень [4, 17].

Из продуктов распада урана-238 вклад в формирование естественного

радиоактивного фона вносят полоний-210, радий-226, радон-222 и свинец-210.

      Лучшими аккумуляторами урана среди растений являются мхи

(3 ·10-3 г/кг золы). В организме млекопитающих уран накапливается, в ос-

новном, в костной ткани, причем более интенсивно идет процесс накопле-

ния в молодых организмах. Население Западной Австралии, проживающее

в районах с повышенной концентрацией урана и питающееся мясом овец и

кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосходящие средний уровень [4, 17].

Из продуктов распада урана-238 вклад в формирование естественного радиоактивного фона вносят полоний-210, радий-226, радон-222 и свинец-210.

           Природными  радиоактивными семействами являются семейства урана-радия, тория и актиния. Их существование в природе обусловлено тем, что периоды полураспада материнских изотопов этих семейств соизмеримы с возрастом Земли.

           Родоначальником семейства урана-радия является U-238 с Т1/2 4,47∙109 лет. В состав семейства входит 17 изотопов. В процессе радиоактивного распада образуется один газообразный радионуклид Rn-222. Массовые  числа всех членов этого семейства можно представить в виде соотношения 4n+2 (где  n – целое число).Распад семейства заканчивается стабильным химическим элементом Pb-206 Схема распада этого семейства показана на рис.1.1.    

Рис.1.1– Схема распада ряда урана–радия

           Материнским радионуклидом семейства тория является Th-232 с Т1/2 1,4∙1010 лет. В состав семейства входит 12 изотопов. В процессе радиоактивного распада образуется один газообразный радионуклид Rn-220, который обычно называют тороном (по названию исходного материнского радионуклида). Массовые  числа всех членов этого семейства можно представить в виде соотношения 4n (где  n – целое число).Распад семейства заканчивается стабильным химическим элементом Pb-208.    

           Материнским радионуклидом семейства актиния (актиноурана) является U-235 с Т1/2 6,85∙108 лет. В состав семейства входит 10 изотопов. В процессе радиоактивного распада образуется один газообразный радионуклид Rn-218, который обычно называют актиноном. Массовые  числа всех членов этого семейства можно представить в виде соотношения 4n+3 (где  n – целое число).Распад семейства заканчивается стабильным химическим элементом Pb-207.

Торий-232

      Вторым естественным радионуклидом после урана по распрост-

ранению в природе является торий-232 1/2 = 10 млрд лет). Сам торий об-

ладает альфа-активностью (с энергией 3,95–4,05 МэВ), однако в зонах его

распространения естественный радиоактивный фон повышается за счет

электронов, испускаемых дочерними продуктами распада. Торий встреча-

ется и в виде крупных месторождений, и в рассеянном состоянии во всех

породах и водах. Его повышенное содержание обнаружено в Бразилии

(штаты Эспириту-Санту и Рио-де-Жанейро), в Индии (штаты Керала и Та-

милнад), в горных районах Франции, Нигерии, Ирана, Италии, Мадагаска-

ра; в почвах 33 штатов США и зоны Малого Кавказа и Азербайджана.

В приземном слое атмосферы концентрация тория сильно колеблется в за-

висимости от ее запыленности.

       Из горных пород и почв торий-232 и продукт его распада радий-228

1/2 = 6,7 лет) путем выщелачивания поступают в воду. Из почвы торий в

небольшом количестве поступает в растения. Исследования, проведенные

в Белоруссии (3), показали, что наилучшими аккумуляторами тория-232,

содержащегося в поверхностном слое, являются черника, вереск и лишай-

ники.   Среди животных максимальное содержание тория зафиксировано в

наземных моллюсках. Среди пищевых растений наиболее активно накап-

ливают торий помидоры, далее следуют огурцы, сахарная свекла, горох,

капуста и столовая свекла. В организме человека торий накапливается в

костной и мягких тканях.

     В морской воде торий-232 присутствует в очень малой концентра-

ции, однако морские организмы накапливают его в значительном количе-

стве [17, 26].

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 апреля 2013; проверки требует 1 правка.

Торий-232

Таблица нуклидов

Общие сведения

Название, символ

Торий-232, 232Th

Альтернативные названия

То́рий, Th

Нейтронов

142

Протонов

90

Свойства нуклида

Атомная масса

232,0380553(21)[1] а. е. м.

Избыток массы

35 448,3(20)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

7 615,026(9)[1] кэВ

Изотопная распространённость

100 %[2]

Период полураспада

1,405(6)·1010[2] лет

Продукты распада

228Ra

Родительские изотопы

232Ac (β)
232Pa (β+)
236U (α)

Спин и чётность ядра

0+[2]

Канал распада

Энергия распада

α-распад

4,0816(14)[1] МэВ

SF

24Ne, 26Ne

ββ

0,8376(22) МэВ

Торий-232 — природный радиоактивный нуклид химического элемента тория с атомным номером 90 и массовым числом 232. Изотопная распространённость тория-232 составляет практически 100 %[2]. Является наиболее долгоживущим изотопом тория (232Th альфа-радиоактивен с периодом полураспада 1,405·1010 лет, что в три раза превышает возраст Земли и сравнимо с возрастом Вселенной). Родоначальник радиоактивного семейства тория. Этот радиоактивный ряд заканчивается образованием стабильного нуклида свинца-208. Остальная часть ряда короткоживущая; наибольший период полураспада в 5,75 лет у радия-228 и 1,91 лет у тория-228, а у всех остальных периоды полураспада в общей сложности составляют менее 5 дней[3].

Активность одного грамма этого нуклида составляет 4 070 Бк.

Вместе с другими природными изотопами тория, торий-232 появляется в ничтожных количествах в результате распада изотопов урана.

Содержание

Образование и распад

Торий-232 образуется в результате следующих распадов:

  1.  β-распад нуклида 232Ac (период полураспада составляет 119(5)[2] c):

  1.  K-захват, осуществляемый нуклидом 232Pa (период полураспада составляет 1,31(2)[2] дня):

  1.  α-распад нуклида 236U (период полураспада составляет 2,342(3)·107[2] лет):

Распад тория-232 происходит по следующим направлениям:

  1.  α-распад в 228Ra (вероятность 100 %[2], энергия распада 4 081,6(14) кэВ[1]):

энергия испускаемых α-частиц 3 947,2 кэВ (в 21,7 % случаев) и 4 012,3 кэВ (в 78,2 % случаев)[4].

  1.  Спонтанное деление (вероятность 11(3)·10−10 %)[2];
  2.  Кластерный распад с образованием нуклидов 24Ne и 26Ne (вероятность распада менее 2,78·10−10 %)[2]:

  1.  Двойной β-распад (с чрезвычайно малой вероятностью, энергия распада 837,6(22) кэВ[1])

Применение

  1.  232Th является ядерным топливным сырьём, которое при поглощении нейтронов превращается в уран-233, который в свою очередь является основой уран-ториевого топливного цикла[5]. Превращение происходит по следующей цепочке:

  1. В виде препарата торотраста суспензия диоксида тория использовалась в качестве контрастного вещества при ранней рентгенодиагностике. В настоящее время препараты тория-232 классифицируются как канцерогенные[6].

Углерод-14

[править | править исходный текст]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск 

Углерод-14

Таблица нуклидов

Общие сведения

Название, символ

Углерод-14, 14C

Альтернативные названия

радиоуглеро́д, радиокарбо́н

Нейтронов

8

Протонов

6

Свойства нуклида

Атомная масса

14,003241989(4)[1] а. е. м.

Избыток массы

3 019,893(4)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

7 520,319(0)[1] кэВ

Период полураспада

5,70(3)·103[2] лет

Продукты распада

14N

Спин и чётность ядра

0+[2]

Канал распада

Энергия распада

β

0,156476(4)[1] МэВ

Углерод-14 (лат. C-14, исторические названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н) — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Углерод-14 является одним из природных радиоактивных изотопов. 27 февраля 1940 года его впервые обнаружили во время своих экспериментов американские физики Мартин Дэвид Кеймен и Самуэл Рубен. Период его полураспада, составляющий 5730±30 лет, был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет[3], Либби в 1951 году принял срок полураспада в 5568±30 лет). Это позволило использовать данный изотоп для установления возраста радиоактивным путем в геологии при датировании биоматериалов возраста до 50 000 лет. Наиболее часто используется в ледниковой и постледниковой геологии, в археологии, а также в физике атмосферы, геоморфологии, гляциологии, гидрологии и почвоведении, в физике космических лучей, физике Солнца и в биологии, не только для датировок, но и как трассер различных природных процессов.[4]

Углерод-14 образуется в атмосфере из азота-14 под воздействием космических лучей. Относительное содержание углерода-14 по отношению к «обычному» (углероду-12) в атмосфере остается примерно постоянным (приблизительно 1:1012). Как и обычный углерод, 14C вступает в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ, который нужен растениям в процессе фотосинтеза. Люди и различные животные затем потребляют растения и изготовленные из них продукты в пищу, усваивая таким образом и углерод-14.

Образование и распад

Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы в результате поглощения атомами азота-14 тепловых нейтронов, которые в свою очередь являются результатом взаимодействия космических лучей и вещества атмосферы:

Сечение процесса 14N(n, p)14C довольно высоко (1,83 барн). Оно в 25 раз выше, чем сечение конкурирующего процесса — радиативного захвата теплового нейтрона 14N(n, γ)15N.

С наибольшей скоростью углерод-14 образуется на высоте от 9 до 15 км на высоких геомагнитных широтах, однако затем он равномерно распределяется по всей атмосфере.

Ещё один природный канал образования углерода-14 — происходящий с очень малой вероятностью кластерный распад некоторых тяжёлых ядер, входящих в радиоактивные ряды. В настоящее время обнаружен распад с эмиссией углерода-14 ядер 224Ra (ряд тория), 223Ra (ряд урана-актиния), 226Ra (ряд урана-радия); предсказан, но экспериментально не обнаружен аналогичный процесс для других природных тяжёлых ядер (кластерная эмиссия углерода-14 обнаружена также для отсутствующих в природе нуклидов 221Fr, 221Ra, 222Ra и 225Ac). Скорость образования радиогенного углерода-14 по этому каналу пренебрежимо мала по сравнению со скоростью образования космогенного углерода-14.[5]

Углерод-14 претерпевает β-распад, в результате распада образуется стабильный нуклид 14N (выделяемая энергия 156,476(4) кэВ[1]):

Основы радиоуглеродного метода

Рис. 1. Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли (по [3], с дополнениями и зменениями)

В природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – 12С и 13С и одного радиоактивного – 14С, или радиоуглерода. Изотоп 14С постоянно образуется в стратосфере Земли в результате бомбардировки атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей (рис. 1, уровень «образование»). В течение нескольких лет «новорождённый» 14С наряду со стабильными изотопами 12С и 13С попадает в кругооборот углерода Земли в атмосфере, биосфере и гидросфере (см. рис. 1, уровень «распределение»). Пока организм находится в состоянии обмена веществ с окружающей его средой (например, дерево получает углерод в виде углекислого газа из атмосферы в результате фотосинтеза), содержание 14С в нём остаётся постоянным и находится в равновесии с концентрацией данного изотопа в атмосфере. Когда организм отмирает, обмен углеродом с внешней средой прекращается; содержание радиоактивного изотопа начинает уменьшаться, так как уже нет притока «свежего» 14С извне (см. рис. 1, уровень «распад»). Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа 14С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество 14С в организме по отношению к стабильным изотопам 12С и 13С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание 14С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти углеродсодержащей субстанции. Такова суть модели, созданной У.Ф. Либби с соавторами. Несмотря на то, что в своём развитии радиоуглеродный метод прошёл через ряд значительных обновлений, по выражению К. Ренфрю – «революций» [4, p. 149–150], его основы, заложенные в 1949 г., остаются неизменными по сей день [6, 7].

Иными словами, находя в природе и на поселениях древнего человека остатки растений и животных, а также некоторые другие вещества, содержащие углерод, можно с помощью радиоуглеродного метода определить, сколько времени прошло с момента прекращения жизни организма, то есть установить возраст данных объектов. А это, в свою очередь, значит, что можно ответить на извечный вопрос геологов и археологов: как давно существовал данный организм или древнее поселение? Радиоуглеродный метод позволяет установить возраст углеродсодержащих веществ вплоть до 47 000 14С лет, что соответствует астрономическому возрасту около 50 000 лет [8].

Известно, что химический элемент углерод входит в состав практически всей живой материи, а также во многие вещества из разряда неживых (то есть созданных без участия живых организмов). Таким образом, радиоуглеродный метод поистине универсален. С его помощью определяется возраст целого ряда объектов, которые можно условно разделить на следующие группы: «геологические» – карбонатные осадки океанов и пресноводных водоёмов, ледяные керны, метеориты; «биологические» – древесина и древесный уголь, семена, плоды и веточки растений, торф, почвенный гумус, пыльцевые зёрна, остатки насекомых и рыб, кости, рога, бивни, зубы, волосы, кожа и шкура позвоночных животных и человека, копролиты; «антропогенные» – жжёные кости, керамика, кричный металл, пригоревшие остатки пищи, следы крови на древних орудиях, ткани, папирус, пергамент и бумага. В некоторых случаях, например, для изучения колебаний содержания 14С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких «экзотических» объектах, как вина, виски и коньяки.

Радиоуглеродные лаборатории и их аппаратура

Рис. 2. Динамика количественного роста радиоуглеродных (1) и УМС-лабораторий (2) мира

Первым коллективом, начавшим разрабатывать радиоуглеродный метод, была группа У.Ф. Либби в Чикаго. С начала 1950-х годов количество лабораторий в США, Канаде, Европе и Японии намного выросло, и в конце 1970-х их было уже более 100 (рис. 2: по [9, c. 17], с дополнениями);  в настоящее время их насчитывается около 140 на всех континентах. Всего в мире во второй половине XX в. работало 250 установок измерения содержания 14С. В конце 1970-х годов появились первые лаборатории, использующие ускорительную масс-спектрометрию (УМС), сейчас их уже 40. Список радиоуглеродных лабораторий регулярно обновляется и публикуется в главном издании по данной тематике – международном журнале «Radiocarbon» (в открытом доступе: www.radiocarbon.org).

Первая радиоуглеродная лаборатория в нашей стране была организована в 1956 г. при Радиевом институте АН СССР и Ленинградском отделении Института археологии АН СССР (ныне Институт истории материальной культуры РАН); вдохновителями её создания были И.Е. Старик и С.И. Руденко.

В настоящее время в России реально работают 7 лабораторий: в Москве – в Геологическом институте РАН, Институте географии РАН, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; в Санкт-Петербурге – в Институте истории материальной культуры РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и ВСЕГЕИ; в Новосибирске – в Институте геологии и минералогии СО РАН.

Для проведения радиоуглеродных исследований потребовались сложные приборы, создание которых было важнейшей частью становления метода. К ним относятся: сеточно-стенной счётчик Гейгера-Мюллера с твёрдым углеродом как носителем 14С (У.Ф. Либби, конец 1940-х годов); пропорциональный газовый счётчик (используется с 1950-х годов); жидкостно-сцинтилляционный счётчик – наиболее распространённый сегодня тип прибора (используется с 1960-х годов); ускорительный масс-спектрометр.

Рис. 3. Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С¯, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра

УМС-аппаратура – самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. На рисунке 3 – УМС-установка Университета Аризоны с рабочим напряжением 3 млн. эВ [10]. Вкратце принцип её работы (рис. 3, а) можно описать следующим образом: отрицательные ионы углерода С¯ (включающие и изотоп 14С), получаемые в ионном источнике (рис. 3, б), разгоняются в ускорительном танке (рис. 3, в) и поступают на измерение их количества в детекторе (рис. 3, г). После этого можно установить число атомов 14С в образце и, зная их изначальное количество (измеренное для «современных» образцов различных материалов), определить возраст очень небольших образцов (вплоть до 0.1 мг углерода и менее). Данный метод обладает одним несомненным преимуществом: для получения радиоуглеродной даты необходимо примерно в 1000 раз меньше углерода, чем при использовании «традиционных» жидкостно-сцинтилляционного и пропорционального газового методов; в остальном (нижняя граница чувствительности, требования к отбору образцов, их подготовка и др.) метод УМС мало чем от них отличается.

Применение радиоуглеродного  метода

Археология и четвертичная геология были и остаются главными областями использования радиоуглеродного метода. В археологии применение независимого способа определения возраста стало поистине революционным и в значительной степени изменило существовавшие археологические концепции [4]. Проводить серьёзные археологические работы без применения радиоуглеродного датирования в настоящее время невозможно. Теперь наряду с анализом «рутинных» объектов, к которым можно отнести древесину, древесный уголь и кости, всё чаще проводится определение возраста (в основном методом УМС) таких непригодных в недалёком прошлом материалов, как отдельные семена и плоды растений, текстиль, жирные кислоты (липиды) в древней керамике и сама керамика, остатки крови на каменных орудиях, наскальная живопись. Общее количество полученных радиоуглеродным методом дат для археологических памятников в мире составляет сегодня, видимо, несколько сотен тысяч; к началу 1960-х было не более 2400 [3, с. 151].

Результаты использования радиоуглеродного метода в археологии Старого и Нового Света обобщены в сводных работах [4, 11, 12]. Из наиболее интересных и важных примеров можно назвать датирование Туринской плащаницы [13], рукописей Мёртвого моря [14], наскальных рисунков в пещерах Франции и Испании [15], древнейших в мире стоянок с керамикой и земледелием [16, 17]. Широкие возможности открыл радиоуглеродный метод археологам и дендрохронологам, которые теперь могут «привязать» свои данные к абсолютной шкале времени с помощью так называемого «сопоставления флуктуаций». В данном случае флуктуации есть резкие изменения содержания изотопа 14С в течение последних 10–12 тыс. лет, которые могут быть идентифицированы и сопоставлены с зафиксированными на международно признанной кривой пиками [2, с. 173, 174].

В датировании древних памятников не обошлось без разоблачения подделок. Ещё на заре радиоуглеродного метода один из первых образцов, предположительно из Древнего Египта, оказался современной копией [4]. Хрестоматийным примером является датирование пилтдаунского «человека» из Англии (ожидаемый возраст – не менее 75 000 лет, реальный – 500–600 лет) и остатков «Ноева ковчега» на горе Арарат (их возраст составил всего 1200–1400 лет, а не как минимум 5000 лет согласно библейской хронологии) [4].

В четвертичной геологии и палеогеографии радиоуглеродный метод применяется так же широко, как и в археологии. С его помощью установлены хронологические параметры основных тёплых и холодных эпох за последние 40–50 тыс. лет [6], особенно для последних 10 тыс. лет (эпоха голоцена) (см., например: [12, 18]). Литература по применению радиоуглеродного метода в геологии чрезвычайно обширна (см., например: [19, p. 2899–2965]), поэтому остановимся лишь на некоторых примерах: геохронология второй половины позднего плейстоцена Сибири [20, 21], датирование извержений вулканов Камчатки [22]; хронология ледникового века северо-запада Европейской России [6, с. 243–271] и севера Евразии в целом [23].

Радиоуглеродный метод стал важнейшим инструментом в изучении процесса вымирания крупных млекопитающих (так называемой мегафауны) в конце новейшего геологического периода – плейстоцена (от 2.6 млн. до 10 тыс. лет назад). На основе массового радиоуглеродного датирования ископаемых остатков мамонтов, шерстистых носорогов и ряда других видов животных удалось установить время и место их окончательного вымирания [24]. Одним из важнейших достижений стало определение возраста костей и бивней мамонтов о. Врангеля (Северо-Восточная Сибирь): останки оказались удивительно «молодыми» – от 9000 до 3700 лет назад [25]; на сегодня это самые поздние мамонты на Земле. Не менее интересны результаты радиоуглеродного датирования костей ископаемого гигантского оленя с рогами размахом до 4 м: его последние представители обитали на Южном Урале и в Зауралье вплоть до 6900 лет назад [26]. В последнее время c помощью прямого УМС-датирования скорлупы яиц азиатского страуса получены данные о его существовании в Восточной и Центральной Азии до 8000 лет назад [27].

Широко используется радиоуглеродный метод в геофизике, океанологии, биологии, медицине и многих других науках. Измерения содержания 14С в морской воде прочно вошли в практику океанологических исследований (это позволяет выявить закономерности циркуляции вод Мирового океана) и в изучение грунтовых вод суши [12] и минеральных источников. Динамично развивающимся направлением можно назвать исследование содержания 14С в таких объектах, как метеориты и ледники [2, 12]. Радиоуглеродный метод помогает в изучении астрофизических явлений – колебаний солнечной активности, взрывов сверхновых звёзд и др. [7, 12].

Рис. 4. Содержание изотопа 14С в атмосфере Земли с начала ядерных испытаний (1945–1952) до настоящего времени (по [29], с изменениями)

Большую роль играет измерение активности изотопа 14С в исследованиях, связанных с «техногенным» радиоуглеродом. Как известно, во второй половине 1950-х годов в связи с началом испытаний водородных бомб в атмосфере произошло образование «искусственного» 14С в результате испускания большого количества свободных нейтронов в момент ядерного взрыва (см. рис. 1, уровень «образование»), и природный фон был сильно нарушен. К 1965 г. содержание изотопа 14С превысило его «добомбовое», то есть фоновое, количество почти в 2 раза – 190% по отношению к уровню 1950 г. (рис. 4) и даже сегодня всё ещё не вернулось к исходному состоянию. Сейчас активность 14С составляет около 105–110% от таковой в 1950 г. [28], появился даже термин «послебомбовый 14С». Однако нет худа без добра: данное явление широко используется для определения времени гибели молодых (не старше 40–50 лет) организмов [29]; иногда с помощью такого подхода удаётся разоблачить подделки древних человеческих мумий [30]. На феномене искусственного обогащения атмосферы 14С в 1950–1960-е годы построены многие биомедицинские исследования, где изотоп 14С является своеобразной «меткой» (см., например: [12, p. 570–589]). С помощью измерения активности 14С проводятся исследования загрязнения природной среды радионуклидами, выделяемыми при производстве топлива для атомной промышленности. И уж совсем «экзотическим» можно назвать использование радиоуглеродного метода в криминалистике – для выявления торговли слоновой костью (животные, убитые после 1955–1960 гг., имеют высокое «послебомбовое» содержание 14С в бивнях) и контрабанды наркотиков (также на основе «послебомбового» эффекта) [31]. Поистине, сферы применения этого метода почти безграничны!

Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка 14С-дат [2]. Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа 14С в атмосфере, гидросфере и биосфере не оставалось постоянным (как полагали поначалу У.Ф. Либби и его коллеги), а изменялось под воздействием ряда внешних условий, главное из которых – колебания в недавнем геологическом прошлом активности космических лучей, продуцирующих радиоуглерод (см. рис. 1). Следовательно, зависимость между 14С и календарным возрастом не является линейной. Влияние этого фактора, осложняющего перевод радиоуглеродного возраста в астрономические (календарные) даты, в настоящее время преодолено для отрезка времени от наших дней до 20 000 лет назад; успешно ведутся работы по составлению графиков пересчёта 14С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 14С лет) [8].

Кобальт-60

[править | править исходный текст]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 декабря 2012; проверки требуют 6 правок.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 декабря 2012; проверки требуют 6 правок.

Перейти к: навигация, поиск 

Кобальт-60

Схема распада кобальта-60

Таблица нуклидов

Общие сведения

Название, символ

Кобальт-60, 60Co

Альтернативные названия

радиокобальт

Нейтронов

33

Протонов

27

Свойства нуклида

Атомная масса

59,9338171(7)[1] а. е. м.

Избыток массы

−61 649,0(6)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

8 746,745(10)[1] кэВ

Период полураспада

5,2713(8)[2] лет

Продукты распада

60Ni

Родительские изотопы

60Fe

Спин и чётность ядра

5+[2]

Канал распада

Энергия распада

β

2,82307(21)[1] МэВ

Ко́бальт-60, радиоко́бальт — радиоактивный нуклид химического элемента кобальта с атомным номером 27 и массовым числом 60. В природе практически не встречается из-за малого периода полураспада. Открыт в конце 1930-х годов Г. Сиборгом и Дж. Ливингудом в Калифорнийском университете в Беркли[3].

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 41,8 ТБк.

Содержание

 [убрать] 

  1.  1 Образование и распад
  2.  2 Изомеры
  3.  3 Получение
  4.  4 Применение
  5.  5 Кобальт-60 в культуре
  6.  6 См. также
  7.  7 Примечания

Образование и распад[править | править исходный текст]

Гамма-спектр распада кобальта-60. Видны линии, соответствующие энергиям 1,1732 и 1,3325 МэВ

Кобальт-60 является дочерним продуктом β-распада нуклида 60Fe (период полураспада составляет 1,5(3)·106[2] лет):

.

Кобальт-60 также претерпевает бета-распад (период полураспада 5,2713 года), в результате которого образуется стабильный изотоп никеля 60Ni:

.

Наиболее вероятным является испускание электрона и антинейтрино с суммарной энергией 0,318 МэВ, 1,491 и 0,665 МэВ (в последнем случае вероятность составляет всего лишь 0,022 %)[4]. После их испускания нуклид 60Ni сразу находится, как правило, на одном из трёх энергетических уровней с энергиями 1,332, 2,158 и 2,505 МэВ (в зависимости от того, какую энергию унесла пара электрон/антинейтрино), а затем переходит в основное состояние, испуская гамма-кванты (3 уровня дают в комбинации 6 возможных частот гамма-излучения). Наиболее вероятным является испускание квантов с энергией 1,1732 МэВ и 1,3325 МэВ. Полная энергия распада кобальта-60 составляет 2,823 МэВ.

Изомеры[править | править исходный текст]

Известен единственный изомер 60Com со следующими характеристиками[2]:

  1. Избыток массы: −61 590,4(6) кэВ;
  2. Энергия возбуждения: 58,59(1) кэВ;
  3. Период полураспада: 10,467(6) мин;
  4. Спин и чётность ядра: 2+.

Распад изомерного состояния происходит по следующим каналам:

  1.  изомерный переход в основное состояние (вероятность ~100 %);
  2.  β-распад (вероятность 0,24(3) %).

Получение[править | править исходный текст]

Кобальт-60 получают искусственно, подвергая единственный стабильный изотоп кобальта 59Co бомбардировке нейтронами (в атомном реакторе, или с помощью нейтронного генератора).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53849. Козацька Україна і наш край 360.5 KB
  Мета: повторити і закріпити матеріал теми; ознайомити із подіями що відбувалися на території нашого краю в період козаччини; поглибити знання учнів; розвивати їх пам’ять творчу уяву; формувати інтерес до історії; виховувати повагу до славного минулого нашого народу і його захисників любов до рідного краю; підготуватись до тестування з даної теми. В програмі для 5 класу зібрані початкові відомості з найважливіших тем історії України від найдавніших часів до нашого часу. Однією з цих тем є тема нашого уроку що включає такі важливі питання...
53850. Інтелектуальна гра «Козацькими стежками» 42.5 KB
  Дозволяємо і призначаємо організовувати реєстрове військо в числі 20 тис. чоловік.Це військо гетьман і старшина повинні набрати і записати в реєстр,і вони мусять перебувати в маєтках, що містяться у воєводстві Київському,не маючи нічого до воєводств Брацлавського і Чернігівського. А маєтки шляхетські мусять лишатися вільними, і в них реєстрові козаки ніде не повинні лишатись
53851. Виникнення українського козацтва. Запорозька Січ 1.2 MB
  Мета: навчальна ознайомити учнів із виникненням на українських землях козацтва й Запорозької Січі; сформувати уявлення учнів про запорозьких козаків як хоробрих вояківземлеробів; розвивальна розвивати вміння знаходити необхідну інформацію в історичних джерелах; створення атмосфери довіри і відкритості робота з різними аналізаторами; виховна формування позиції взаємодії; виховувати повагу до українських козаків захисників рідної землі. Тип уроку Комбінований Основні дати Кінець ХV століття – перші відомості про українських козаків у...
53852. МИ РОДУ КОЗАЦЬКОГО НАЩАДКИ 47 KB
  Гей долиноюгей широкою козаки йдуть Звучить пісня Ой на горі та й женці жнуть. До залу урочисто входять козаки двох куренів команд зі своїми прапорами. Показати хочем нині Як колись в Україні Веселились козаки Наші прадіди й діди. З незапамятних часів в Україні козаки славилися силою та спритністю.
53853. Математика. Теория вероятностей и математическая статистика 2.08 MB
  Вероятность наступления хотя бы одного события. Вероятность события А это число РА которое вводится для количественного описания степени объективной возможности наступления А. В первом случае вероятность каждого из элементарных исходов равна 1 6 а во втором 1 4. В общем случае если число всех элементарных исходов NW равно n то вероятность каждого из них 1 n.
53855. Фундаментальный и технический анализ 26 KB
  Фундаментальный анализ основывается на оценке эффективности деятельности предприятия-эмитента. Он предполагает изучение комплекса показателей финансового состояния предприятия; степени конкурентоспособности производимой продукции
53856. Риск и доходность активов 29.5 KB
  Все факторы риска можно разделить на две группы: объективные и субъективные. К объективным относятся факторы, не зависящие непосредственно от самой фирмы. В эту группу входят: инфляция, конкуренция, политические и экономические кризисы и т.д.
53857. Риск и доходность финансовых активов 30 KB
  Под риском понимают вероятность возникновения непредвиденных финансовых потерь (снижение прибыли, дохода и даже потеря капитала инвестора) вследствие наступления неблагоприятных обстоятельств.