Естественный радиационный фон

Природные источники ионизирующего излучения, формирующие естественный радиационный фон, подразделяют на внешние источники внеземного происхождения (космическое излучение); внешние источники земного происхождения, т.е. радионуклиды, присутствующие в земной коре, воде, воздухе; внутренние источники, т.е. радионуклиды естественного происхождения, содержа- щиеся в организме человека.

Космические лучи представляют собой поток ядерных частиц, приходящих на земную поверхность из различных областей ми- рового пространства, - это так называемое первичное космическое излучение. Средняя энергия космических частиц составляет 10¹⁰ эВ. В общем потоке частиц встречаются частицы, имеющие значительно меньший уровень энергии, и частицы с энергией до 10¹⁹ эВ. Первичное космическое излучение состоит из протонов (92%), α-частиц (ядра гелия 7%), ядер атомов лития, бериллия, углерода, азота и кислорода (0,78%) и ядер атомов, заряд которых

более 10 (0,22%).

При падении космических частиц на поверхность Земли они взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное космическое излучение; при этом наиболее существенны электронно-фотонные и электронно-ядерные процессы взаимодействия. При электронно-фотонном процессе заряженные частицы, взаимодействуя с полем ядра атома, порождают фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Каскадный процесс лавинообразного нарастания числа частиц и фотонов продолжается до тех пор, пока энергия их не становится доста-

точно малой и не теряется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул воздуха.

Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных космических частиц, энергия которых не менее 3?10⁹ эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом одновременно возникает ряд новых частиц - протоны и нейтроны (осколки ядра) и π-мезоны трех типов: отрицательно заряженные, несущие положительный заряд и не имеющие заряда. Заряженные π-мезоны (масса π-мезонов по отношению к массе электрона равна 273) распадаются (среднее время жизни - 2,5?10^-8 с) в более устойчивые μ-мезоны (масса - 207 единиц) и нейтрино; нейтральные π-мезоны в свою очередь (τ = 2,5?10^-16 с) распадаются на 2 фотона, а μ-мезоны - на электроны, позитроны и нейтрино. Таким образом, вторичное космическое излучение состоит из электронов, нейтронов, мезонов и фотонов. По мере приближения к поверхности Земли интенсивность первичного космического излучения уменьшается, а 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 примерно 0,05% первоначальной величины. Вторичное же излучение состоит из мезонов (80%) и электронов (20%). Следует отметить, что уровень космического излучения в определенной степени зависит от геомагнитной широты, возрастая от экватора к полюсам (на уровне моря до 14%). В табл. 29 представлены интенсивность космического излучения в зависимости от широты и высоты над уровнем моря.

Таблица 2 9.Интенсивность космических лучей для средних широт и экватора, а также различных высот над уровнем моря

Природная радиоактивность обусловлена радионуклидами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере. Радиоактивные элементы условно могут быть разделены на три группы:

• радионуклиды, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран (²³⁸U), торий (²³²Th) и актиноуран (²³⁵Ас) (распад семейств урана, тория и актиноурана представлен на схеме 1);

• радиоактивные элементы, не входящие в семейства ⁴⁰К,⁴⁸Са, ⁸⁷Rb и др.;

• радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций под воздействием космических лучей. Наиболее важные из них углерод (¹⁴С) и тритий (³Н).

Схема 1.Распад семейств урана (а), тория (б), актиноурана (в)

В табл. 30 приведены данные, характеризующие величину удельной активности основных радиоактивных изотопов и элементов, содержащих в своем составе эти изотопы.

Таблица 30.Характеристика основных естественных радиоактивных изотопов

Кроме указанных в табл. 30 радиоактивных изотопов, в формировании естественного фона участвуют продукты распада радио- активных семейств и прежде всего радон, торон и актинон.

Главным источником поступления в окружающую среду естественных радионуклидов, к настоящему времени широко распро- страненных во всех оболочках Земли, являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты. Благодаря непрерывным деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, радионуклиды подверглись широкому рассеиванию.

Какой бы объем земного вещества мы ни взяли, в нем всегда можно найти несколько десятков химических элементов. Многие элементы можно обнаружить в виде следов - в ничтожно малом количестве. Например, в воздухе имеется самый редкий газ -

ксенон, составляющий всего четыре стотысячных процента (по массе). Однако при этом в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около миллиарда атомов ксенона. В воде мирового океана в растворенном виде насчитывают до 50 различных элементов. Атомы каждого из них могут быть найдены в капле воды.

Несмотря на ничтожно малое содержание отдельных элементов в морской воде, они могут оказывать значительное воздействие, вступая в биогеохимические процессы, происходящие здесь не- прерывно. Например, содержащийся в морской воде марганец в количестве одной десятимиллионной процента в результате биогеохимических процессов способствовал многомиллионному отложению, как, например, в Чиатуре (Грузия). Такое же явление (рассеяние) мы наблюдаем в горных породах. Даже самый чистый минерал горный хрусталь содержит в 1 г миллионы атомов других элементов.

Важное значение имеет то, что для ряда элементов нахождение в природе в рассеянном виде является характерным состоянием. К числу таких элементов относятся все естественные радионуклиды.

В настоящее время имеется относительное равновесие между поступлением радионуклидов в сферу круговорота и их количе- ством, которое выбывает из этого динамического процесса за счет образования осадочных пород и радиоактивного распада. В этих процессах главную роль играет вода как универсальный растворитель. Соприкасаясь с материалом пород при фильтрации через трещины и поры, вода растворяет и выносит из недр земной коры на ее поверхность целый 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. Масса переносимой взвеси, в том числе и радионуклидов, например, только водой рек довольно значительна. В табл. 31 дана характеристика этого явления для отдельных рек.

С водой рек выносится и значительное количество растворенных веществ. Так, только одна р. Миссисипи ежегодно выносит в мировой океан около 136 млн т различных растворенных солей. В результате этих процессов, происходящих на нашей планете многие миллионы лет, оказалось, что воды мирового океана содержат в растворенном состоянии поистине огромное количество естественных радиоактивных элементов. Так, в воде Тихого океана

содержится около 2,95 млрд т ⁴⁰К, что соответствует активности примерно 7,4?10²⁰ Бк.

Таблица 31.Ежегодный вынос в море взвешенных материалов (твердого стока) и их суммарная активность (по М.А. Великанову и Л.А. Перцову)

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

Большая часть естественных радиоактивных элементов содержится в горных породах, образующих толщу земной коры. Сред- ние концентрации в них калия, тория, урана и радия приведены в табл. 32.

Таблица 32.Среднее содержание калия, тория, урана и радия в земных породах, %

Количество радиоактивных элементов, содержащихся в почве, в значительной мере определяется концентрацией радионуклидов в материнской породе. Почвы, возникшие из продуктов разрушения кислых магматических пород, содержат относительно больше урана, радия, тория и калия, чем почвы, образованные из ультраосновных и основных пород. Глинистые почвы за счет высокого содержания коллоидных фракций, хорошо сорбирующих и удер-

живающих радиоактивные изотопы, всегда богаче радиоактивными элементами, чем песчаные. Так, содержание урана в верхнем горизонте почв Среднерусской возвышенности колеблется в пределах от 1?10^-5 до 1,8?10^-4%, тория - от 2,3?10^-4 до 14?10^-4%, калия - от 0,3 до 2,6%.

Как правило, в почве отсутствует равновесие между предшественником и дочерним нуклидом вследствие их неодинаковых химических свойств. Вместе с тем повсеместно отмечают избыточное (по отношению к ²²⁶Ra) количество ²¹⁰РЬ в верхнем горизонте почв (0-5 см), причем запас избыточного ²¹⁰РЬ в верхних горизонтах почв колеблется в широких пределах. Считается, что основная причина накопления ²¹⁰РЬ в верхних слоях почвы - атмосферные выпадения, обусловленные атмосферными осадками и «сухими» выпадениями.

В отдельных районах земного шара есть зоны с повышенным содержанием радиоактивных элементов в горных породах и почвах, например районы Памира и Тибета, территории Бразилии, Индии, Франции, России. Так, в Индии в штате Керала, на территории которого проживает около 100 тыс. человек, содержание тория и его дочерних продуктов высокое (до 0,1%); в штате Рио-де-Жанейро (Бразилия), в районе монацитовых песков, где проживает до 50 тыс. человек, содержание ThO₂ в песках достигает 6,15%; в районах Франции, Памира и Тибета содержание урана и радия в породах вулканического характера высокое. Большой интерес представляет уровень радионуклидов в строительных материалах, изготовленных из различных пород; они по содержа- нию естественных радиоактивных элементов весьма многообразны. Удельная активность строительных материалов представлена ниже.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: