Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Содержание

• 1. Искусственные преобразования атомных ядер 2
• 2. Поведение радионуклидов в почвах в зависимости от агрохимических показателей почв 6
• 3. Радиационная экология океана 11
• Список литературы 18

1. Искусственные преобразования атомных ядер

Впервые искусственное превращение ядра осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. При изучении взаимодействия альфа-частиц с ядрами азота он выявил случаи, когда альфа-частица, попадая в атомное ядро, остается в нем, выбивая протон. При этом стабильный изотоп азота ¹⁴₇N превращается в изотоп кислорода ¹⁷₈О согласно следующей реакции:

При написании ядерных реакций используют сокращенную форму записи:

¹⁴N(?, p)¹⁷O,

т. е. вначале пишут символ облучаемого элемента (ядро -- мишень), затем в скобках указывают первой бомбардирующую частицу, второй частицу или квант, вылетающие из ядра; после скобки указывают символ изотопа, продукта ядерной реакции. Проникновение альфа-частицы в ядро азота приводит к образованию неустойчивого ядра фтора, которое сразу же превращается в ядро кислорода с испусканием протона. Искусственные преобразования ядер были осуществлены и на других элементах. В 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри обнаружили, что при бомбардировке алюминия, магния и бора альфа-частицами полония эти элементы сами становятся на некоторое время радиоактивными, о чем можно судить по испускаемому излучению. Этот процесс происходит следующим образом: альфа-частицы, проникая в ядра бомбардируемых атомов, вызывают коренную перестройку атомного ядра, сопровождающуюся выделением нейтронов и увеличением числа протонов. В результате образуются атомные ядра новых элементов.

Образование новых элементов было подтверждено химическим анализом. Установлено, что бор превращается в один из изотопов азота, а алюминий -- в один из изотопов фосфора, которые оказываются радиоактивными. Эти реакции могут быть записаны следующим образом:

Затем радиоактивный изотоп фосфора ³⁰Р, возникший из стабильного ядра алюминия, распадается, превращаясь в устойчивый элемент кремния с выделением позитрона:

При бомбардировке бора происходит следующая реакция:

Радиоизотоп азота распадается также с выделением позитрона:

Эти ядерные реакции были первыми, в которых по воле человека создавались новые, ранее не существовавшие радиоактивные изотопы. Так была открыта искусственная радиоактивность и положено начало получению искусственных радиоизотопов практически всех элементов периодической системы.

Отметим, что И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри открыли не только искусственную радиоактивность, но и новый вид радиоактивного распада -- позитронный распад, который не наблюдается у естественных радиоактивных элементов. В настоящее время радиоактивные изотопы можно получить при разнообразных ядерных реакциях с использованием в качестве бомбардирующих ядерных частиц протонов, дейтронов и нейтронов, а также гамма-квантов.

Сущность ядерных реакций состоит в том, что ядра -- мишени стабильных атомов, подвергаясь бомбардировке элементарными частицами, захватывают их и получают дополнительную энергию (кинетическую энергию частиц-снарядов); в результате образуется составное ядро с избытком энергии (возбужденное ядро). Переход ядра из возбужденного состояния в стабильное осуществляется путем излучения избыточной энергии в виде альфа-, бета-частиц и гамма-квантов, т. е. происходит процесс радиоактивного распада. При использовании протонов, дейтронов и альфа-частиц в качестве частиц-снарядов ядерная реакция (проникновение их в ядро) идет с большим трудом, так как все они имеют положительный заряд и отталкиваются от ядра в результате действия кулоновских сил.

Чтобы частицы-снаряды проникли в положительно заряженное ядро, они должны иметь большую кинетическую энергию. В связи с этим были сконструированы приборы для разгона заряженных частиц в сильном электрическом поле. Такие приборы получили общее название ускорителей (линейные ускорители, циклотроны, бетатроны и фазотроны).

Особенно удачной бомбардирующей частицей для ядерных превращений оказались свободные нейтроны, получаемые обычно в атомных реакторах.

Обладая достаточной массой и не имея заряда, они не отталкиваются ядром, а беспрепятственно взаимодействуют с ним, преобразуя ядро-мишень стабильного элемента в радиоактивный изотоп. При бомбардировке ядра-мишени стабильного элемента всеми вышеуказанными частицами происходит или превращение одного элемента в другой (трансмутация элементов), или же образуется изотоп исходного элемента. В ряде случаев один и тот же радиоактивный изотоп может быть получен при использовании различных ядерных реакций. Например, изотоп фосфора ³¹₁₅Р можно получить при использовании следующих реакций.

1. При взаимодействии природного фосфора ³¹₁₅Р и ядра тяжелого водорода (дейтерия) -- дейтрона:

2. При бомбардировке природного фосфора медленными нейтронами:

При этой реакции происходит захват нейтрона, причем ядро теряет часть избыточной энергии в форме ?-квантов. Эта реакция получила название реакции радиационного захвата или реакции активации. Отметим, что реакция активации возникает при столкновении потока медленных нейтронов со стабильными ядрами, которые захватывают их и превращаются в собственный радиоактивный изотоп. Именно такая реакция активации наблюдается у стабильных элементов крови и других тканей при нейтронном облучении животных, вызывая наведенную радиоактивность организма.

3. При бомбардировке хлора нейтронами:

При этой реакции нейтрон выбивает из ядра альфа-частицу, что приводит к уменьшению его заряда на две единицы и образованию радиоизотопа фосфора.

4. При воздействии на стабильный изотоп серы медленными нейтронами:

В данном случае нейтрон выбивает из ядра протон, образуя ядро радиоизотопа фосфора.

5. При бомбардировке кремния альфа-частицами также образуется радиофосфор:

Известны и другие ядерные реакции получения фосфора ³²₁₅P. Однако, каким бы способом ни был получен радиоизотоп фосфора, он распадается и превращается в серу, испуская при этом бета-частицу:

Создание ускорителей, а также использование нейтронов в ядерных реакторах расширили возможности получения искусственных радиоактивных изотопов, которые нашли широкое применение в биологии, медицине, ветеринарии, а также в других отраслях науки и практики.

2. Поведение радионуклидов в почвах в зависимости от агрохимических показателей почв

Поглощение почвами. Поведение радионуклидов в почвах в процессах обменного поглощения подчиняется тем общим законам, которые были установлены классическим учением К.К. Гедройца о поглотительной способности почв. Однако процесс сорбции, в котором участвуют радионуклиды, характеризуется тем, что сорбируемое вещество находится в микроколичествах, т. е. в предельно низких концентрациях. Поэтому в данном случае существует очень широкое отношение между величиной емкости поглощения почвы и степенью ее заполнения радиоактивными нуклидами. Следовательно, в процессе поглощения микроколичества радионуклидов не конкурируют за места на поверхности сорбента, так как по отношению к ним насыщенность сорбента всегда остается очень низкой.

Каждая почва в естественном состоянии содержит определенное количество обменно-поглощенных катионов Са, Н, Mg, Na, К, NH₄, A1 и др. В большинстве почв среди них преобладает Са, второе место занимает Mg, в некоторых почвах в поглощенном состоянии в значительном количестве содержится Н и обычно относительно немного Na, К, NH₄ и А1.

Равновесие между твердой фазой почвы и раствором, содержащим макроэлементы и микроколичества радионуклидов, в общем подчиняется закону действующих масс. Но и здесь следует учитывать специфику, которая обусловливается низкой концентрацией радионуклидов в растворе и относительной большой величиной емкости почвы как сорбента. Если изменение концентрации макроэлементов в такой системе может существенно повлиять на распределение микроколичеств радионуклидов между раствором и сорбентом, то изменение концентрации радионуклидов в той же системе практически не влияет на распределение макроэлементов.

Характер взаимодействия радионуклидов с ППК в общем можно представить следующей схемой обменной реакции:

ядерный радионуклид почва агрохимический

ППКМ + т-ППКт + М,

где ППК--почвенный поглощающий комплекс; М -- ионы элементов поглощающего комплекса; т -- ионы радионуклидов.

Радионуклиды обычно присутствуют в растворе в микроколичествах. Количественными критериями, описывающими процессы взаимодействия радионуклидов с почвами, являются полнота поглощения (сорбция) их ППК и прочность закрепления в поглощенном состоянии. Последняя определяет формы нахождения в почве: водорастворимые, обменные и прочно фиксированные почвой (необменные).

Для характеристики сорбционных процессов радионуклидов в почвах иногда пользуются коэффициентом распределения (К_d) между твердой и жидкой фазами почвы:

где а₀ и а₁ -- активность раствора соответственно до и после сорбции; V -- объем раствора; d -- навеска сорбента.

Отношение сорбированного радионуклида в 1 г почвы к количеству радионуклида, оставшемуся в 1 мл раствора после установления равновесия между раствором и почвой, называется коэффициентом распределения. Чем выше величина коэффициента распределения, тем больше радионуклидов сорбируется почвой.

1. Сорбция радионуклидов почвами, % поглощенного количества

Океан - конечное вместилище всех загрязняющих веществ, в том числе радиоактивных. Неуклонно возрастающее радиоактивное загрязнение окружающей среды вызывает необходимость систематического изучения поведения радионуклидов в Мировом океане.

Радиоактивность океана зависит от трех составляющих:

1) естественных радионуклидов, содержащихся в горных породах дна;

2)космического излучения;

3) искусственных радиоизотопов.

Последние попадают в океан во-первых, вместе с материалом, сносимым с континента и осаждающимся, главным образом, в зонах шельфа и континентального склона; во-вторых - с атмосферными осадками; в третьих - антропогенным путем (захоронение радиоактивных отходов в океане, аварии на атомных судах, испытание ядерного оружия в различных частях океана и.т.п.).

Около 98% естественной радиоактивности океана (табл. 2) составляет присутствующий в воде изотоп калия (⁴⁰К). Остальная активность обусловлена радиоизотопами рубидия (⁸⁷Rb), водорода (³Н), урана (²³⁸U), тория (²³²Th) и углерода (¹⁴С).

Средняя концентрация и активность природных радионуклидов в воде Мирового океана (Перцов, 1978; Вудхоз, 1973)