Естественные и искусственные источники радиации
План
1. Естественные и искусственные источники радиации
2. Космическое излучение
3. Источники радиации земного происхождения
4. Антропогенные источники ионизирующих излучений
5. Использование искусственных радиоактивных источников в медицине, биологии и народном хозяйстве
Литература
1. Естественные и искусственные источники радиации
Естественные источники ионизирующих излучений создают естественный (природный) радиационный фон, который представлен космическим излучением и излучением от радионуклидов земного происхождения. В Беларуси естественный радиационный фон находится в пределах от 10 до 20 мкР/ч. Естественный фон в среднем по земному шару за счет космического излучения и радиоактивности почв создает дозу 1,25 мЗв в год, в Республике Беларусь - 1 мЗв в год. Естественный радиационный фон на поверхности Земли не является постоянной величиной. Его изменения обусловлены циклическими колебаниями космического фона и аналогичных процессов. Например, на территориях, где близко к поверхности земли залегают радиоактивные породы, естественный радиационный фон может быть значительно выше средних величин.
Существует такое понятие, как технологически измененный естественный радиационный фон, который представляет собой ионизирующие излучения от природных источников, претерпевших определенные изменения в результате деятельности человека. Например, излучение от естественных радионуклидов, поступающих в биосферу при извлечении из недр земли полезных ископаемых ( в основном минеральных удобрений), в результате поступления в окружающую среду продуктов сгорания органического топлива, а также излучения в помещениях, построенных из материалов, содержащих естественные радионуклиды.
Искусственные источники ионизирующих излучений созданы человеком и обуславливают искусственный радиационный фон, который составляют: глобальные выпадения искусственных радионуклидов, связанные с испытанием ядерного оружия; радиоактивные загрязнения локального, регионарного и глобального характера за счет отходов ядерной энергетики и радиационных аварий; радионуклиды, используемые в промышленном производстве, сельском хозяйстве, научно-исследовательских целях, медицине, археологии, геологии и других областях.
2. Космическое излучение
Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, колебания которого связаны с солнечными вспышками. Космическое излучение достигает Земли в виде ядерных частиц, обладающих огромной энергией (1010 - 1019 эВ). Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение состоит из протонов (92%), б-частиц (ядра гелия - 7 %), ядер атомов лития, бериллия, углерода, азота, кислорода и др. (1%).
В литературе обсуждается несколько гипотез, объясняющих происхождение космического излучения. По гипотезе Э.Ферми, заряженные частицы многократно ускоряются в межзвездном пространстве в блуждающих магнитных полях космической пыли. Согласно гипотезе И.С.Шкловского, источником первичного космического излучения служат многочисленные туманности, рассеянные в галактике и возникшие в результате вспышек сверхновых звезд. Определенный вклад в общий поток космических частиц, падающих на поверхность Земли, вносит и Солнце. При резком увеличении солнечной активности возможно нарастание интенсивности космического излучения. Поскольку космические лучи обладают высокой энергией, они губительны для всего живого. Однако благодаря земной атмосфере лишь немногие частицы достигают поверхности Земли и таким образом биологические объекты защищены от воздействия первичного космического излучения.
При падении космических частиц на поверхность Земли происходит их взаимодействие с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное космическое излучение, которое содержит почти все известные в настоящее время элементарные частицы. Северный и Южный полюсы получают больше космической радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы.
Интенсивность космического излучения зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Люди, живущие на уровне моря, получают от космической радиации в среднем эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв в год, а живущие выше 2000 м над уровнем моря в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. При подъеме на высоту от 4000 м до 12 000 м уровень облучения возрастает в 25 раз. естественный искусственный радиоактивный источник
При взаимодействии некоторых высокоэнергетических частиц вторичного космического излучения с ядрами атомов азота и кислорода, входящих в состав воздуха, в атмосфере образуются так называемые космогенные радионуклиды. Их насчитывают около 20. К наиболее значимым из них, которые вносят определенный вклад в облучение человека, можно отнести углерод-14, тритий, бериллий-7, серу-32, натрий-22,24. Среди них особо опасными являются тритий (период полураспада 12,3 года) и углерод-14 (период полураспада - 5730 лет). Данные радионуклиды попадают в воду, растения, организм животных и человека и могут представлять опасность как источник внутреннего облучения.
3. Источники радиации земного происхождения
Внешними источниками излучений являются естественные радионуклиды, находящиеся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. В земной коре естественные радионуклиды могут быть относительно равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.
В состав земных источников излучений входят 32 радионуклида ураново-радиевого и ториевого семейств, а также радионуклиды средней части периодической таблицы Менделеева (например, калий-40 и рубидий-87).
Основное количество радиоактивных элементов Земли содержится в горных породах, составляющих земную кору. Из нее радиоактивные элементы переходят в грунт, затем в растения, организм животных и человека. Большая роль в этом принадлежит подземным водам. Они вымывают радиоактивные элементы горных пород, переносят их с одних мест на другие, таким образом осуществляется обмен между живой и неживой природой. Распространению радиоактивных веществ в биосфере способствует выветривание горных пород. Мельчайшие частицы, образовавшиеся в результате разрушения горных пород, под действием воды, льда, непрерывных колебаний температуры и других факторов переносятся ветром на значительные расстояния.
Наиболее распространены в земной коре уран и торий. Природный уран, рассеянный в горных породах, относительно редко образует крупные месторождения, но общее его количество на Земле значительно больше, чем серебра или ртути. Природный уран представлен смесью трех изотопов: урана-238 (99,28%), урана-235 (0,71%) и урана-233 (0,006%). Атомы урана в почвах очень подвижны и способны образовывать растворимые комплексные соединения. В результате уран легко вымывается из почв. Торий обычно прочно сцеплен с не разрушаемыми остатками горных пород и постепенно накапливается в верхних слоях почв. Накопление данных радионуклидов в почвах и их удельная активность зависят от типа почв. Так, в сероземах наиболее высокая удельная активность урана-238 и тория-232, а меньше всего их содержится в торфянистых почвах.
К естественным радионуклидам земного происхождения принадлежат 11 долгоживущих радионуклидов, не входящих в радиоактивные семейства. Наиболее распространенными из них являются калий-40 (период полураспада 1,3·109 лет) и рубидий-87 (период полураспада 6,15·1010 лет).
Природный калий состоит из трех изотопов (калий-39, калий-40, калий-41), из которых только калий-40 радиоактивен. В земной коре содержится 2,6% калия. В свободном виде он не встречается, так как химически активен. Так как калий является типичным биологическим элементом, то калий-40 активно поглощается растениями вместе с нерадиоактивным калием, попадает в организм животных и человека. Калий-40 является источником и излучения. Эквивалентная доза, получаемая человеком, за счет калия-40 составляет 0,3 мЗв/год, из них, внешнее облучение составляет 0,12 мЗв/год, а внутреннее - 0,18 мЗв/год.
Рубидий-87 составляет 27,8% природного рубидия и энергия его излучений небольшая. Рубидий является антагонистом калия и в некоторых растениях может накапливаться в значительных количествах вместе с радиоактивным элементом. Например, 1литр виноградного сока содержит 1 мг рубидия.
Существенная роль в создании естественного радиационного фона принадлежит члену радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238 и тория-232 - радону. Он представлен двумя изотопами: радон-220 и радон-222. Радон - радиоактивный газ, невидимый, без запаха и вкуса, тяжелее воздуха в 7,5 раз, б - излучатель. Радон высвобождается из земной коры повсеместно. Концентрация радона в приземном слое воздуха изменяется в достаточно широких пределах - от 0,1 до 10 Бк\м3 (в среднем 6 Бк/м3 ). В различных регионах планеты концентрация радона неодинакова. Так, во Франции она составляет 9,3 Бк/м3 , в Великобритании - 3 Бк/м3 , в Японии - 2,1 Бк/м3 , в Республике Беларусь около 2 Бк/м3 .
Радон, вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада, ответственен примерно за ѕ годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в его организм вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях.
Основную дозу облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, где повышена его концентрация. Радон может поступать внутрь помещения, просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома. Необходимо отметить, что дерево, кирпич и бетон выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит, пемза, глинозем, фосфогипс, шлакобетон.
Важным источником поступления радона в жилое помещение является вода и природный газ. При кипячении воды, которую используют для приготовления пищи значительная часть радона улетучивается. Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной. При обследовании домов в Финляндии оказалось, что в среднем концентрация радона в ванной комнате в 3 раза выше, чем на кухне, и приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых комнатах. Исследования, проведенные в Канаде показали, что за 7 минут, в течение которых был включен теплый душ, концентрация радона и его дочерних продуктов в ванной комнате быстро возрастала и потребовалось более 90 минут с момента отключения душа, прежде чем содержание радона вновь упало до исходного уровня.
Таким образом, естественные источники радиации оказывают как внешнее, так и внутреннее воздействие на человека. Уровни земной радиации неодинаковы для разных территорий земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в определенных участках земной коры. Так, 95% населения Франции, Германии, Италии, Японии, США живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Известны территории, где уровни земной радиации намного выше (Индия, Бразилия) и обусловлены внешним -излучением природных радионуклидов (прежде всего тория и продуктов его распада), которые закреплены в горных породах и не попадают внутрь организма человека. В процессе эволюции население этих регионов адаптировалось к повышенному радиационному фону.
4. Антропогенные источники ионизирующих излучений
В результате хозяйственной деятельности человек создал искусственные источники радиоактивного излучения, которые вносят определенный вклад в облучение человека и загрязнение окружающей среды радионуклидами.
Например, при сжигании угля на тепловых электростанциях в атмосферу выбрасывается пепел, в котором содержатся калий-40, уран-238, торий-232. Концентрация природных радионуклидов в пепле значительно больше, чем в самом угле, вследствие его выгорания. Согласно данным НКДАР (Национальный Комитет по действию атомной радиации) удельная активность калия-40 в угле составляет 50 Бк/кг, а в золе - 265 Бк/кг. Количество выброшенных в атмосферу радионуклидов зависит от степени очистки их фильтрами, используемыми на тепловых электростанциях.
Значительную опасность представляет использование в строительстве (например, жилого дома) отходов фосфатного производства в виде фосфогипса, что может увеличить дозовую нагрузку жильцов такого дома. Многие потребительские товары содержат естественные радионуклиды и могут служить дополнительными источниками излучений. К последним можно отнести: часы со светящимся циферблатом, содержащим радий; специальные оптические приборы; цветные телевизоры и компьютеры; краски, содержащие повышенное количество урана и т.д. Установлено, что среднегодовая доза, обусловленная использованием изделий, содержащих радионуклиды, ничтожно мала и составляет менее 10 Ї2 мЗв.
Определенные вклад в облучение населения от антропогенных источников радиации вносят медицинские процедуры (методы диагностики и лечения с использованием радиоактивных изотопов и ионизирующих излучений). Для лечения и диагностики заболеваний в медицинской практике в настоящее время используются - и -излучающие радионуклиды. В качестве источников ионизирующих излучений применяются рентгеновские аппараты различного назначения, линейные и циклические ускорители. Все способы и методы применения источников ионизирующих излучений с гигиенических позиций могут быть условно представлены следующим образом: