Реферат - Природные источники ионизирующего излучения - файл n1.doc

Реферат - Природные источники ионизирующего излучения
скачать (162.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc163kb.19.11.2012 14:01скачать

n1.doc

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Естественный (природный) радиационный фон – это ионизирующее излучение, состоящее из космического излучения, излучения естественных радиоактивных веществ, находящихся в земных породах, воде, воздухе, и излучения естественных радиоактивных элементов, содержащихся в растительном и животном мире и в организме человека.

1.КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Космическое излучение представляет собой поток частиц ядерного происхождения, падающих на Землю из различных областей Вселенной. Это т.н. первичное космическое излучение. Частицы космического излучения обладают большими энергиями; в среднем их энергия составляет около 1010 эВ = 104 МэВ = 10 ГэВ. Однако, в общем потоке встречаются как частицы со значительно меньшими энергиями, так и высокоэнергетические частицы с энергиями до 1019 эВ.

Первичное космическое излучение состоит из протонов (92%), -частиц (7%), ядер Li, Be, C, N и O (0,78%) и более тяжелых ядер (0,22%). По современным представлениям, источником космического излучения являются процессы, происходящие при эволюции звезд (например, вспышки сверхновых), а также в ядрах галактик. Определенный вклад в общий поток космического излучения, падающего на Землю, дает и Солнце. При резком увеличении солнечной активности возможно возрастание интенсивности космического излучения на 4 – 100%.

При падении частиц первичного излучения на Землю происходит их взаимодействие с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное космическое излучение. Заряженные частицы, взаимодействуя с полем атомных ядер, испускают кванты, которые в поле ядер могут рождать пары:   е+ + е. Электроны и позитроны, в свою очередь, также могут испускать кванты. Поэтому процессы такого типа называют электронно – фотонными. Процесс лавинообразного нарастания числа частиц и фотонов продолжается до тех пор, пока их энергия не становится малой и теряется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул воздуха.

Процессы другого типа называют электронно – ядерными. Эти процессы обусловлены взаимодействием высокоэнергетических частиц первичного космического излучения (Е > 3109 эВ) с ядрами атомов земной атмосферы. При этом возникают протоны (р), нейтроны (n),  и 0мезоны. Дальнейшие превращения мезонов таковы:

++ +  ;  + ; 02;

+e+ + e +; e + +  .

Таким образом, вторичное космическое излучение состоит из электронов, фотонов (квантов), протонов, мезонов, мюонов. По мере приближения к поверхности Земли интенсивность первичного космического излучения уменьшается; интенсивность вторичного излучения достигает максимума на высоте 20 – 30 км; на меньшей высоте процессы поглощения этого вида излучения преобладают над процессами его генерирования. На уровне моря интенсивность первичного излучения составляет около 0,05% первоначальной величины. Вторичное же излучение состоит из мезонов (80%) и электронов (20%).

Уровень космического излучения зависит от геомагнитной широты, возрастая от экватора к полюсам. Наконец, имеет место барометрический эффект, сущность которого заключается в уменьшении фона космического излучения с ростом атмосферного давления (0,35% на 1 мм рт ст).

2.ПРИРОДНАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ. Природная радиоактивность обусловлена изотопами естественного происхождения, присутствующими в веществе всех оболочек Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере. Сохранившиеся на нашей планете радиоактивные элементы условно могут быть разделены на три группы:

а). Радиоактивные изотопы тяжелых элементов, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран , торий и уран . К этим изотопам относятся, в частности, , , и др.

б). Генетически не связанные с ними радиоактивные элементы: калий , кальций , рубидий и др.

в). Радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций под действием космического излучения. Наиболее важные из них – углерод и тритий .

Кроме указанных в таблице радиоактивных изотопов в формировании естественного фона участвуют продукты распада радиоактивных семейств, такие как Ra, Rn и др. Большое значение имеют и радиоактивные изотопы К, С и Н. Главным источником поступления во внешнюю среду естественных радиоактивных веществ являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в свой состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты. Благодаря деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, происходящим непрерывно, радиоактивные вещества подверглись широкому рассеиванию.

В настоящее время имеет место относительное равновесие между поступлением радиоактивных веществ в сферу круговорота и их выбыванием за счет образования осадочных пород и радиоактивного распада.

Таблица

Характеристики основных естественных радиоактивных изотопов




Элемент


Радиоактивные изотопы

Период полураспада, лет

Удельная активность, Ки/г

Удельная активность природной смеси изотопов, Ки/г

Водород




12,26

9,8103

4,91014

Углерод




5568

4,4

7,21012

Калий




1,31109

6,8106

81010

Кальций




21016

41013

71016

Рубидий




6,51010

6,6108

1,83108

Лантан




71010

3,7108

3,21011

Торий




1,391010

1,1107

3,4107

Уран




7,13108

2,1106

6,75107

Уран




4,5109

3,3107

6,5107


В этих процессах основную роль играет вода, как универсальный растворитель. Входя в контакт с материалами пород, вода растворяет и выносит из недр земной коры на ее поверхность ряд как стабильных, так и радиоактивных элементов. Кроме того, вода уносит с собой частицы пород и откладывает их в виде осадков на значительном удалении от места первичной эрозии.

С водой рек выносится и значительное количество растворенных веществ. В результате этих процессов, происходящих многие миллионы лет, оказалось, что воды мирового океана содержат в растворенном состоянии огромное количество естественных радиоактивных элементов; так, в водах Тихого океана содержится около 2,951012 кг , что соответствует активности примерно 21010 Ки.

Значительное место в процессах миграции и круговорота радиоактивных изотопов в природе занимает растительный и животный мир.

Большая часть естественных радиоактивных элементов содержится в горных породах. Глинистые почвы за счет высокого содержания коллоидных фракций, хорошо сорбирующих и удерживающих радиоактивные изотопы, всегда богаче радиоактивными элементами, чем песчаные.

Таблица




Среднее содержание калия, тория, урана и радия в земных породах

Породы

Содержание радиоактивных элементов, %

Калий

Торий

Уран

Радий

Магматические


2,6

1,2103

4104

1,31010

Песчаные

1,1

6104

1,2104

1,51010

Глины

2,3

1,3103

4,5104

1,31010

Известняки

0,3

1,3104

1,3104

0,51010


В отдельных районах земного шара имеются зоны с повышенным содержанием радиоактивных элементов в горных породах и почвах. Такие зоны обнаружены в районах Памира и Тибета, Окло в Африке, на территориях Бразилии, Индии и Франции.

Представляют интерес уровни содержания радиоактивных элементов в строительных материалах, обусловленные особенностями содержащихся в них пород. Так, содержание радиоактивных элементов в бетонах, содержащих глины, на порядок выше, чем в бетонах без глин. Значительно содержание радиоактивных элементов в кирпиче.

3.ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ ВОЗДУХА. Обусловлена радиоактивными изотопами, возникающими в атмосфере при воздействии космического излучения, радиоактивностью газов, поступающих из верхних слоев земной коры, и радиоактивными изотопами, поступающими в результате деятельности человека.

Одним из радиоактивных изотопов, возникающих под воздействием космического излучения, является радиоуглерод:

.

В результате воздействия космического излучения на Земле ежегодно возникает около 10 кг , а общее содержание его в атмосфере составляет около 80 т.

Другим радиоактивным изотопом, возникающим под воздействием космического излучения, является тритий, образующийся в реакциях:

,

.

Под воздействием космического излучения возникают также , , , и др.

К радиоактивным газам, поступающим из верхних слоев земной поверхности, относится прежде всего радон . Каждый из образующихся газообразных изотопов в той или иной степени диффундирует в атмосферный воздух. Содержание радиоактивных газов в грунте увеличивается с глубиной и достигает постоянной величины на глубине около 5 м. В результате непрерывного поступления радиоактивных газов из грунта в атмосферу наибольшие концентрации их обнаруживаются в приземном слое; с высотой они уменьшаются.

Таблица


Содержание радона в атмосферном воздухе в зависимости от высоты над земной поверхностью.

Высота, м

0,01

1,0

10

100

1000

7000

Содержание радона, % к исходному

100

95

87

69

38

7


Радиоактивные газы при распаде дают начало коротко- и долгоживущим активным аэрозолям (изотопы полония, висмута и свинца). Данные ряда авторов свидетельствуют о том, что активность воздуха по короткоживущим дочерним продуктам радиоактивных газов в среднем составляет (0,50,7)1013 Кил, а активность – 1,61013 Кил. Удельная активность долгоживущих продуктов распада радона меньше. Над сушей по она составляет от 0,31017 Кил до 41017 Кил, а по - (0,7 – 1,5) 1018 Кил.

4. РАДИОАКТИВНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД зависит от условий их нахождения. Радиохимический состав подземной воды зависит от количества растворенных радиоактивных веществ, содержащихся в составе грунта, омываемого этой водой. В водах, глубоко залегающих и более минерализованных, чем поверхностные воды, имеет место пропорциональное увеличение удельной активности с нарастанием общей концентрации солей. Радиоактивность подземных вод в основном обусловлена , и . Наименьшей активностью обладают подземные воды в осадочных породах. Содержание урана в этих водах, чаще всего используемых для водоснабжения населения, составляет в среднем 5106 гл, содержание радия обусловливает в среднем удельную активность 21012 Кил, радона - 51011 Кил. Высокие концентрации радия и урана обнаруживаются в межпластовых водах нефтеносных районов.

Радиоактивность воды открытых водоемов на суше также зависит от химического состава пород. Как правило, поверхностные воды (дождевые, снеговые) содержат относительно меньшие количества радиоактивных веществ, поэтому в период паводка радиоактивность речной воды понижена. Содержание в речной воде колеблется в пределах (1 - 16)1012 Ки/л, урана – от 2108 до 5105 г/л, радия – от 2,51013 до 2,21012 Ки/л.

Активность морской и океанской воды по находится в пределах (3 – 5)1010 Ки/л, содержание – 2106 г/л, – (0,6 – 1,0)1012 Ки/л.

5. РАДИОАКТИВНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО МИРА. Она обусловлена практически всеми теми радиоактивными изотопами, которые встречаются в природе, причем все они могут быть условно разделены на две группы. К одной группе, сравнительно малочисленной, относят радиоактивные изотопы, которые входят в естественную смесь со стабильными элементами, активно участвующими в обмене веществ и обеспечивающими функционирование всех органов и систем живого организма. К таким изотопам относятся , , . Уровень содержания этой группы изотопов в организмах зависит от степени накопления соответствующих стабильных элементов. Например, в горохе содержится 0,9% калия, а в сливочном масле – 0,014%, поэтому удельная активность гороха за счет равна 7,4109 Ки/л, а сливочного масла – 0,1109 Ки/л.

Ко второй группе относятся радиоактивные изотопы, роль которых в обмене веществ значительно слабее и менее изучена (, , , , ). Уровень содержания в растительных и животных организмах указанной группы изотопов зависит от их концентрации во внешней среде. Так, в золе растений, выращенных на обычных почвах, содержание урана в среднем составляет 3104 г/кг, а в золе растений, произрастающих на обогащенных ураном почвах – 2103 г/кг. Относительная эффективность накопления радиоактивных изотопов этой группы понижается при резком увеличении содержания их во внешней среде.

Из первой группы изотопов главное место по величине создаваемой активности занимает изотоп . Количество калия в растительных организмах по сравнению с его содержанием в земной коре (в расчете на единицу массы) меньше в 3 – 10 раз. Еще меньшее содержание калия отмечается в организмах животных (в 10 – 15 раз, по сравнению с его содержанием в породах).

Удельная активность биомассы по углероду на порядок меньше в сравнении с активностью по ; активность по тритию – ничтожно мала.

Главным источником поступления в организм человека естественных радиоактивных веществ является рацион, в котором преобладают продукты растительного происхождения.

6. РАДИОАКТИВНОСТЬ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. Она обусловлена присутствием в организме всех тех радиоактивных изотопов, которые встречаются в биосфере. Представляется необходимым в первую очередь рассмотреть радиоактивность, обусловленную присутствием изотопов, входящих в обязательном порядке в состав живых структур, без которых невозможно существование организма. К этой группе опять-таки относятся , и . Суммарное содержание калия в организме взрослого человека (массой 70 кг) составляет 0,19% (130 г).Особенно богаты калием ткани и органы, обладающие высокой функциональной активностью. К их числу относятся скелетная мускулатура, нервная ткань, сердце, печень, селезенка и т.д. Ввиду того, что встречается в природе в смеси со стабильными изотопами в количестве 0,0119%, удельная активность органов и тканей тела человека по определяется содержанием в них стабильного изотопа.

Количество трития в организме практически постоянно и определяется содержанием стабильного изотопа (около 10,2% в мышцах и 6,4% в костях). Удельная активность мягких тканей тела человека за счет составляет 1,51011 Ки/кг, а костей – 0,921011 Ки/кг.

Из радиоактивных изотопов тяжелых элементов по содержанию в организме наиболее хорошо изучен радий. Этот элемент подобно кальцию накапливается преимущественно в костной ткани. Количество радия в организме в целом по оценкам различных авторов находится в пределах от 0,481010 до 4,81010 г.

Основная часть (до 70%) содержится в скелете. Удельная активность в костной ткани составляет от 13 до 110 пКи/кг, в мягких тканях – 0,2 – 18 пКи/кг.

У человека, выкуривающего одну пачку сигарет в сутки, с дымом в легкие поступает до 2 пКи ; у некурящего с воздухом – около 0,02 пКи в сутки.

На степень радиоактивности отдельных органов и тканей тела человека влияет скорость обменных процессов и функциональное состояние организма, а с другой стороны имеет значение содержание этой группы изотопов в рационе. При постоянном поступлении с рационом радиоактивных веществ устанавливается равновесие между поступлением и выведением их из организма. При этом в отдельных органах и тканях создается равновесная концентрация. В случае увеличения содержания изотопов в рационе равновесная концентрация возрастает. Количество радиоактивных веществ неодинаково не только в различных пищевых продуктах, но часто и в одном и том же продукте, выращенном в регионах с разными геохимическими условиями, поэтому содержание некоторой группы изотопов в организме человека во многом зависит от этнических и экономических особенностей питания населения.

7. ФОНОВОЕ ОБЛУЧЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА. В зависимости от источников ионизирующего излучения фоновое облучение подразделяется на внешнее и внутреннее. К источникам внешнего облучения относятся космические лучи, излучение радиоактивных веществ, содержащихся в породах, почве и строительных материалах, излучение радиоактивных веществ, находящихся в воздухе.

Таблица


Мощность доз в тканях тела человека от природных источников радиации.

Источники облучения


Мощность дозы (мрад/год)

Гонады

Остеоциты


Костный мозг

Внешние

Космическое излучение


Излучение пород и почвы


28

50


28

50


28

50

Внутренние





20


15


15



-

0,6

0,03



-

0,7

0,03



0,3

2,1

0,1

(в тканях)

0,3

0,3

0,3



0,4

1,6

1,6


В районах с повышенным количеством радиоактивных элементов (некоторые регионы в Бразилии, Индии, Франции) наблюдается особенно высокая интенсивность радиации. Так, в районе монацитовых песков Бразилии мощность дозы излучения достигает 1000 мрад/год, в Индии – от 131 до 2814 мрад/год, в горных районах Франции – от 180 до 350 мрад/год.

Особый интерес представляют уровни фона в жилых зданиях. Наименьший фон отмечается в деревянных постройках (до 50 мрад/год), в кирпичных зданиях – до 100 мрад/год, в железобетонных – до 170 мрад/год.

При оценке дозы, создаваемой космическим фоном, исходят из того, что вследствие жесткости космического излучения поглощенная доза в любых тканях и органах человека должна быть одинаковой. Средней дозой, получаемой населением Земли за счет космического излучения, является 28 мрад/год.

Излучение естественных радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, вызывает ионизацию воздуха, примерно на порядок меньшую, по сравнению с излучением пород и почвы, поэтому оно вносит ничтожный вклад в суммарный эффект.

Внутреннее облучение организма человека создается за счет , , , , и других радиоактивных элементов, содержащихся в организме.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации