Встречающиеся в природе радиоактивные элементы принято называть естественными. Большинство из них – тяжелые элементы с порядковыми номерами от 81 до 96. Природные радиоактивные элементы путем альфа- и бета-распада превращаются в другие радиоактивные изотопы. Эта цепь радиоактивных превращений называется радиоактивным рядом или семейством.
Тяжелые естественные радиоизотопы образуют четыре радиоактивных семейства: урана-радия; тория; актиния; нептуния. Массовые числа членов урано-радиевого ряда всегда четные и подчиняются закону: А = 4n + 2, где n изменяется от 51 до 59. Для ториевого ряда массовые числа четные и определяются по формуле: А = 4n, где n изменяется от 52 до 58. Для актиниевого ряда массовые числа элементов всегда нечетные и могут быть определены по формуле: А = 4n + 3, где n изменяется от 51 до 58. Массовые числа элементов ряда нептуния нечетные и определяются по формуле: А = 4n + 1, где n изменяется от 52 до 60.
Родоначальники каждого семейства характеризуются очень большими периодами полураспада (см. табл. 2), которые сопоставимы с временем жизни Земли и всей Солнечной системы.
Таблица 2 – Родоначальники естественных радиоактивных семейств
Ряд
|
Родоначальник семейства
|
Период полураспада – Tфиз., годы
|
A = 4n
|
Торий-232
|
1,4 1010
|
A = 4n + 2
|
Уран-238
|
4,51 109
|
A = 4n + 3
|
Уран-235
|
7,13 108
|
A = 4n + 1
|
Нептуний-232
|
2,2 106
|
Самый большой период полураспада у тория (14 млрд лет), поэтому он со времени аккреации Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреации Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.
Периоды полураспада и типы распада членов естественных радиоактивных рядов приведены в таблице 2.
Естественные радиоактивные семейства обладают рядом общих особенностей, которые заключаются в следующем:
Родоначальники каждого семейства характеризуются большими периодами полураспада, находящимися в пределах 108-1010 лет.
Каждое семейство имеет в середине цепи превращений изотоп элемента, относящийся к группе благородных газов (эманацию).
За радиоактивными газами следуют твердые короткоживущие элементы.
Все изотопы трех радиоактивных семейств распадаются двумя путями: альфа- и бета-распадами. Причем короткоживущие ядра семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распад, тем самым образуя разветвления рядов. Если при альфа- и бета-распадах ядра не переходят сразу в нормальное состояние, то эти акты сопровождаются гамма-излучением.
Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца с массовыми числами 206, 208 и 207, соответственно, для уранового, ториевого, актиноуранового ряда.
Семейства урана-радия и тория являются активными гамма-излучателями по сравнению с семейством актиния, мощность дозы гамма-излучения которого весьма невелика.
Таким образом, в радиоактивных семействах имеются альфа-, бета- и гамма-излучатели, причем мощность дозы каждого излучения в разных семействах неодинакова. Общее число излучателей того или иного рода для разных семейств приведено в таблице 3.
Таблица 3 – Количество излучателей естественных рядов
Название
ряда
|
Альфа-излучатели
|
Бета-излучатели
|
Гамма-излучатели
|
общее количество
|
количество важных
|
общее количество
|
количество важных
|
общее количество
|
количество важных
|
Урана-радия
|
13
|
8
|
10
|
4
|
11
|
3
|
Актиния
|
10
|
7
|
7
|
2
|
6
|
–
|
Тория
|
8
|
7
|
6
|
4
|
6
|
2
|
В ряду урана-238 всего 19 радионуклидов и один стабильный изотоп – свинец-206. Наиболее важные альфа-излучатели этого семейства: уран-238, уран-234, торий-230, радий-226, радон-222, полоний-218, полоний-214 и полоний-210. Относительное количество других альфа-излучателей ряда невелико, поэтому они не представляют практического интереса.
К числу существенных бета-излучателей ураново-радиевого ряда относятся: протактиний-234, свинец-214, висмут-214 и висмут-210. Причем, бета-излучение протактиния-234 составляет около 50% от
бета-излучения всех изотопов семейства.
Основную долю (97,9%) в мощность гамма-излучения этого семейства вносят продукты распада радия-226 (свинец-214 и висмут-214) и радона-218 (полоний-214). Торий-234 и протактиний-234 – продукты распада родоначальника семейства (урана-238), дают около 2,1% общей мощности гамма-излучения. Вклад остальных членов ряда в суммарную интенсивность гамма-квантов ничтожно мал.
В ряду актиния находится 14 радиоизотопов и один стабильный изотоп – свинец-207. Поскольку в природном уране актиноурана (урана-235) очень мало, альфа-излучение актиниевого семейства составляет не более 5%, а гамма-излучение – около 1,25% от интенсивности соответствующих лучей ураново-радиевого ряда.
Ряд тория содержит 12 радионуклидов и один стабильный изотоп – свинец-208. Главными альфа-излучателями здесь являются: торий-232,
торий-228, радий-224, радон-220, полоний-216, висмут-212 и полоний-212.
К основным бета-излучателям в ториевом ряду относятся: актиний-228, свинец-212, висмут-212 и таллий-208.
Основной вклад в гамма-излучение ряда тория вносят продукты распада тория-228 (полоний-216, свинец-212, висмут-212 и таллий-208). Их доля – 60,2% всей интенсивности гамма-квантов. Остальная мощность гамма-излучения (39,8%) принадлежит продукту распада радия-228 (актинию-228). Доля остальных гамма-излучателей в общей мощности гамма-излучения ничтожна.
Ниже приведена краткая характеристика важнейших радиоизотопов, входящих в естественные семейства.
Уран (U). Химический элемент с порядковым номером 92. Имеет три природных изотопа 238U, 235U и 234U. Период полураспада первого 4,5×109 лет, второго – 7,13×108 лет, третьего – 2,52×105 лет. Их относительную распространенность в рудах можно выразить так: 99,28; 0,71; 0,006% соответственно.
Этот серебристо-белый металл открыт Клапротом в 1789 году. По внешнему виду металлический уран напоминает железо. Он окисляется в воздухе до самовоспламенения и горит ярким пламенем. Плотность урана 19 г/см3, температура плавления 1133°С. Хорошо растворяется в минеральных кислотах.
Уран широко распространен в земной коре. Он содержится в горных породах, почве, воде озер, рек и морей.
Уран-238 является родоначальником уранового семейства. В первичных минералах он практически всегда находится в равновесии со своими короткоживущими продуктами распада, а также со своим долгоживущим изотопом – ураном-235.
Уран-235 (актиноуран) является родоначальником актиноуранового семейства, которое в природе всегда сопутствует семейству урана-238. Актиноуран открыт сравнительно недавно (в 1935 г.), т.е. значительно позднее продуктов его распада, чем и объясняется несоответствие названий актиниевого семейства и его родоначальника.
Ядро урана-235 обладает замечательным свойством. Кроме спонтанного распада он способен делиться при захвате нейтрона с освобождением колоссальной энергии, поэтому является одним из ядерных горючих.
Уран, химически выделенный из руд (естественно, что это смесь всех трех природных изотопов урана) и приготовленный в виде окиси (U3O8), является стабильным источником альфа-излучения. Примерно через год после его выделения устанавливается радиоактивное равновесие между ураном-238 и короткоживущими бета-активными продуктами его распада. Тогда этот препарат может служить в качестве стабильного источника бета-излучения.
Уран связан с рудами осадочного, гидротермального и магматического происхождения. Он содержится более чем в 100 минералах. Среди них наиболее часты окислы урана, соли фосфорной, ванадиевой, кремниевой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важные промышленные руды урана представлены первичным минералом – уранинитом (урановой смолкой), представляющим собой окисел урана черного цвета. Кроме того есть множество вторичных минералов урана, которые называются урановыми слюдками. Наиболее распространенные из них:
торбернит – Си(UО2)2(PO4)2nH2О, отенит – Са(UO2)2(РО4)2nН2О,
карнотит – K2(UО2)2(VО4)23H2О, тюямунит – Ca(UO2)2(VO4)28H2О.
Из урановых слюдок крупные промышленные скопления образуют только карнотит и тюямунит. Они же являются рудой для получения ванадия и радия.
Уран и радий в России впервые были получены из руды месторождения Тюя-Муюн в Фергане. Носителями этих металлов здесь оказались два минерала из группы урановых слюдок – тюямунит и ферганит. Первый минерал открыт К.А. Ненадкевичем в 1912 г., а второй – И.А. Антиповым в 1899 году.
Торий (Th). Химический элемент с порядковым номером 90. Это светло-серый металл с плотностью 11,72 г/см3 и температурой плавления 1750°С, открытый Берцелиусом в 1828 году. Трудно поддается действию кислот. Он имеет 6 изотопов, из которых долгоживущие только два: торий-232 (Тфиз. = 1,39×1010 лет) и ионий-230 (Тфиз. = 8×104 лет).
Скорость распада тория очень мала. За 14 миллиардов лет количество атомов тория-232 уменьшается только в 2 раза. Поскольку возраст Земли всего лишь 4,5 млрд лет, то можно полагать, что значительное количество этого элемента сохранилось со времени аккреации нашей планеты.
Руды тория по своему генезису являются магматическими. При разрушении таких месторождений образуются россыпи, обогащенные минералами тория. Основным источником тория служат пески, содержащие минерал монацит – (Се, La, Nd, Th) PО4. Особенно богаты монацитом морские россыпи. Промышленное значение имеет также минерал торит – ThSiО4.
Актиний (Ас). Химический элемент с порядковым номером 89. Серебристо-белый металл с температурой плавления 1050°С, имеющий два изотопа: актиний-227 (Тфиз. = 21,8 года) и мезоторий-228 (Тфиз. = 6,13 часа).
Актиний, претерпевая альфа- и бета-распад, образует одно из разветвлений ряда актиния. В основном он является бета-излучателем. Ядерных гамма-лучей этот радионуклид не имеет. В смеси с бериллием актиний служит для приготовления источников нейтронов. Актиний встречается в рудах урана и тория.
Радий (Ra). Химический элемент с порядковым номером 88. Это серебристо-белый блестящий металл с плотностью 6 г/см3 и температурой плавления 700°С, открытый в начале XX века супругами Кюри, имеет 4 изотопа: радий-226 (Тфиз. = 1602 года), мезоторий-228 (Тфиз. = 6,7 года), актиний Х-223 (Тфиз. = 11,4 сут.) и торий Х-224
(Тфиз. = 3,64 сут.). По химическим свойствам радий близок к барию, изоморфно замещает последний в минералах: барите (сульфат бария) и витерите (карбонат бария). В природных водах радий встречается в виде хлорида.
В результате альфа-распада радия-226, сопровождаемого гамма-излучением, образуется радиоактивный газ – радон (эманация). В закрытом сосуде радон через 40 дней приходит в состояние радиоактивного равновесия с радием, находящимся в сосуде. После этого срока препарат можно использовать в качестве эталонного источника гамма-излучения.
Радон приходит в равновесие со своими короткоживущими продуктами распада (Ra A, Ra В, и Ra С) через 3 часа. Другой изотоп радия – мезоторий-1, обладает мягким бета-излучением, интенсивность гамма-излучения его невелика.
Изотопы радия широко распространены в горных породах и рудах, но в чрезвычайно малых концентрациях. На 3 тонны урана приходится 1 г равновесного радия. Поскольку в различных горных породах радий встречается в неодинаковых концентрациях, то это его свойство используется для диагностики петрографических разностей по гамма-лучам. Добывается радий из урановых руд. Он широко применяется в медицине для лучевой терапии.
Радон (Rn). Химический элемент с порядковым номером 86. Это тяжелый инертный радиоактивный газ с плотностью 9,73 г/л. Он бесцветен и хорошо растворяется в воде. Имеет 4 изотопа: радон-222
(Тфиз.=3,823 дня), радон-218 (Тфиз.=1,910-2 с), торон-220 (Тфиз.=54,5 с) и актинон-219 (Тфиз. = 3,92 с). Все они принадлежат к группе благородных газов, обладают альфа-активностью и других излучений не имеют. Радоновая эманация является источником активных осадков. Радон в смеси с бериллием используется в научных исследованиях и медицине как источник нейтронов.
Астат (At). Химический элемент из группы галогенов с порядковым номером 85. В переводе с греческого «астат» означает «нестабильный», т.к. это единственный галоген, не имеющий стабильных изотопов. Все четыре изотопа астата радиоактивны: астат-210 (Тфиз. = 8,3 ч), астат-218 (Тфиз. = 2 с), астат-215 (Тфиз. = 1×10-4 с) и астат-216 (Тфиз. =
= 3×10-4 с).
В незначительных количествах астат входит во все три естественные радиоактивные семейства. Его изотопы альфа-активны. Небольшая часть астата претерпевает бета-распад.
Полоний (Ро). Химический элементе с порядковым номером 84. Это мягкий серебристо-белый металл с плотностью 9,3 г/см3 и температурой плавления 254° С. Полоний имеет 8 радиоактивных изотопов: полоний-209 (Тфиз. = 103 года), полоний-210 (Тфиз. = 140 сут.), радий А-218 (Тфиз. = 3,05 мин), торий А-216 (Тфиз. = 0,158 с), актиний Ас-215 (Тфиз. = = 1,83 × 10-3 с), радий-214 (Тфиз. = 1,55 × 10-4 с), торий (Тфиз. = 3 × 10-7 с), актиний (Тфиз. = 5 × 10-3 с).
Полоний является чистым альфа-излучателем, что позволяет широко использовать его в лабораторных исследованиях. В смеси с бериллием он представляет собой лучший источник нейтронов.
Свинец (Рв). Химический элемент с порядковым номером 82. Представляет собой синевато-серый мягкий ковкий металл с плотностью 11,34 г/см3 и температурой плавления 327,4°С, химически стойкий. Свинец имеет 3 устойчивых изотопа: свинец-206 (радий G), свинец-207 (актиний D), свинец-208 (торий D), и 4 радиоактивных: свинец-210 (радий D, Т = 22 года), свинец-212 (торий В, Т = 10,6 часа), свинец-211 (актиний В, Т = 36,1 мин), свинец-214 (радий В, Т = 26,8 мин).
Устойчивые изотопы свинца с массовыми числами 206, 207 и 208 являются конечными продуктами распада трех естественных радиоактивных рядов. Эти изотопы нерадиоактивны, но всегда присутствуют в радиоактивных рудах. Отношение количества нерадиоактивного свинца к содержанию радиоактивных элементов (урана, тория) в горных породах и рудах позволяет определить абсолютный возраст геологических образований. Остальные четыре изотопа свинца радиоактивны. Все они распадаются путем бета-излучения. Продукты распада радия D кроме бета-лучей выделяют альфа-лучи, поэтому из свинца-210 получают стандартные источники бета- и альфа-излучения.
Свинец применяют в качестве экранов и фильтров для гамма-излучения. Применение его для экранирования альфа- и бета-излучения нецелесообразно, поскольку в свинце всегда содержится некоторое количество радиоактивных изотопов, особенно радия D. В природе встречаются и другие радиоактивные изотопы свинца (с массовыми числами 200, 201 и 203), но количество их ничтожно.
Содержание свинца в земной коре значительно (1,610-3%), концентрируется он, главным образом, в сульфидных минералах, имеющих гидротермальное происхождение.
Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные семейства. Кроме естественных радиоактивных элементов, являющихся членами трех рассмотренных выше естественных рядов, в природе имеются изотопы, генетически не связанные между собой, но обладающие радиоактивностью. Количество таких радиоизотопов превышает 200, период полураспада их колеблется от долей секунды до миллиардов лет.
Интерес для эколога представляют изотопы с большим периодом полураспада: калий-40, рубидий-87, самарий-147, углерод-14, лютеций-176 и рений-187. Радиоактивный распад ядер этих элементов представляет собой изолированный акт, т.е. после распада образуется устойчивый дочерний изотоп. Как видно из таблицы 4, все перечисленные ядра подвержены бета-распаду, за исключением самария, который претерпевает альфа-распад.
Таблица 4 – Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в семейства
Изотопы
|
Символ
|
Атомный номер
|
Массовое число
|
Период полураспада
|
Тип
распада
|
Калий-40
|
K
|
19
|
40
|
1,3×109 лет
|
бета
|
Углерод-14
|
C
|
6
|
14
|
5730 лет
|
бета
|
Рубидий-87
|
Rb
|
37
|
87
|
5,8×1010 лет
|
бета
|
Самарий-147
|
Sm
|
62
|
147
|
6,7×1011 лет
|
альфа
|
Лютеций-176
|
Lu
|
71
|
176
|
2,4×1010 лет
|
бета
|
Рений-187
|
Re
|
75
|
187
|
4×1012 лет
|
бета
|
Из шести приведенных естественных радионуклидов наибольший интерес представляет калий-40, ввиду его большой распространенности в земной коре. Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08; 0,012; 6,91%.
Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. На один акт распада калия-40 приходится в среднем 0,893 бета-частиц с энергией 1311 кэВ и 0,107 гамма-квантов с энергией 1461 кэВ. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.
Рубидий. Природный рубидий состоит из двух изотопов: рубидия-85 и рубидия-87. Радиоактивным является второй изотоп, который испускает мягкие бета-лучи с максимальной энергией 0,275 МэВ и гамма-лучи с энергией 0,394 МэВ.
Таким образом, наибольшее значение имеет 87Rb, второе место по количеству занимает радиоизотоп 40К, но радиоактивность 40К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов за счет того, что распад 40К сопровождается жестким бета- и гамма-излучением, а 87Rb характеризуется мягким бета-излучением и имеет длительный период полураспада.
Таблица 5 – Концентрация некоторых радионуклидов и мощности
поглощенных доз в почвах различных типов
Типы почв
|
Концентрация, пКи/г
|
Мощность
поглощенной
дозы, мкрад/ч
|
40K
|
238U
|
232Th
|
Серозем
|
18
|
0,85
|
1,3
|
7,4
|
Серо-коричневая
|
19
|
0,75
|
1,1
|
6,9
|
Каштановая
|
15
|
0,72
|
1,0
|
6,0
|
Чернозем
|
11
|
0,58
|
0,97
|
5,1
|
Серая лесная
|
10
|
0,48
|
0,72
|
4,1
|
Дерново-подзолистая
|
8,1
|
0,41
|
0,60
|
3,4
|
Подзолистая
|
4,0
|
0,24
|
0,33
|
1,8
|
Торфянистая
|
2,4
|
0,17
|
0,17
|
1,1
|
Среднее
|
10
|
0,7
|
0,7
|
4,6
|
Пределы колебаний
|
3-20
|
0,3-1,4
|
0,2-1,3
|
1,4-9
|
Самарий. Из семи известных изотопов этого элемента только самарий-147 является радиоактивным. Его доля в природном самарии составляет около 15%. Он испускает альфа-лучи с энергией 2,11 МэВ, пробег которых в воздухе составляет 11,6 мм.
Лютеций. Известно несколько его изотопов, но радиоактивен только лютеций-176. Подобно калию, он распадается двумя путями: бета-распадом и К-захватом. Максимальная энергия бета-лучей около 0,4 МэВ. Гамма-излучение обладает энергией 0,270 МэВ.
Рений. Радиоактивным является изотоп рений-187, доля которого в природном рении составляет 63%. Испускает бета-лучи с энергией 0,04 МэВ.
Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89%). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-14 (1,11%).
Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.
В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 109 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.
Наиболее весомыми из всех естественных источников радиации
является невидимый, не имеющий запаха и вкуса, тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ радон, который вместе с другими дочерними продуктами распада ответственен за 75% годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от земных источников радиации и за 50% дозы от всех естественных источников радиации. Радон в виде 222Rn и 220Rn выделяется из земной коры повсеместно, но основную дозу человек получает находясь в закрытом, непроветриваемом помещении (уровень радиации выше в 8 раз, чем в наружном воздухе) за счет следующих источников: поступление из почвы, фундамента, перекрытия; высвобождение из строительных материалов жилых помещений составляет 60 кБк/сут., из наружного воздуха проникает 10 кБк/сут., высвобождается из воды, используемой в бытовых целях – 4 кБк/сут., выделяется из природного газа при его сгорании – 3 кБк/сут.
Больших концентраций радон достигает в помещениях, если дом стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или если при его строительстве использованы материалы с повышенной радиоактивностью.
Таблица 6 – Средняя удельная радиоактивность строительных материалов
Вид строительного материала
|
Удельная радиоактивность, Бк/кг
|
Дерево
Природный гипс
Песокигравий
Портланд—цемент
Кирпич
Гранит
Зольная пыль
Глинозем
Фосфогипс
Кальций-силикатный шлак
Отходы урановых обогатительных предприятий
Шлак из доменной печи
Известь
Бетон из обычных матер.
Бетон, содержащий глинистые сланцы (Швеция)
|
1,1
29
34
45
126-840
170
341
496-1367
574
2140
4625
330
20-30
180-200
480
|
Примечание. В таблице представлены материалы НКДАР ООН, 1982 год.
По сведениям ученых Марийского государственного университета (Новоселов Г.Н., Леухин А.В., Ситников Г.А., 1997) наиболее высокой удельной активностью обладал каменноугольный шлак (Аэфф. =
= 437 Бк/кг), гранит. Более низкая удельная радиоктивность была у мрамора, керамического кирпича (Аэфф. = 335 Бк/кг), силикатного кирпича (Аэфф. = 856 Бк/кг), песка строительного (Аэфф. = 114 Бк/кг). Для бетона характерен достаточно большой диапазон вариации удельной радиоактивности.
В качестве других источников земной радиации следует назвать каменный уголь, фосфаты и фосфорные удобрения, водоемы и др.
В целом естественные источники ИИ ответственны примерно за 90% годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, из этой дозы на долю земных источников приходится 5/6 частей (в основном за счет внутреннего облучения), на долю космических источников – 1/6 часть (в основном путем внешнего облучения).
2.2.2.1. Радиоактивность оболочек Земли
Первые наблюдения радиоактивности почв и горных пород были проведены в самом начале XX века. Последующие исследования показали, что все объекты географической оболочки обладают определенной радиоактивностью. Общее представление о порядке наиболее часто наблюдаемых величин естественной радиоактивности почв, растений, земной коры и гидросферы можно видеть в таблице 7.
|
