Размещено на http://www.allbest.ru/

23

Содержание

• 1. Естественная радиоактивность и радиоактивные семейства 2
• 2. Типы ядерных превращений 3
• 3. Радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных растений при некорневом поступлении 9
• Список литературы 24

1. Естественная радиоактивность и радиоактивные семейства

Радиоактивные элементы распространены в природе в ничтожных количествах. Они содержатся в твердых породах земной коры, в воде, воздухе, а также в растительных и животных организмах, в которые они попадают из окружающей среды. В земной коре естественно-радиоактивные элементы есть преимущественно в урановых рудах, и почти все они являются изотопами тяжелых элементов с атомным номером более 83. Ядра тяжелых элементов неустойчивы.

Они претерпевают в ряде случаев многократные последовательные ядерные превращения.

В результате возникает целая цепочка радиоактивных распадов, в которой изотопы оказываются генетически связанными между собой.

Такая цепочка -- совокупность всех изотопов ряда элементов, возникающих в результате последовательных радиоактивных превращений из одного материнского элемента, -- называется радиоактивным семейством или рядом. Семейства названы по первым элементам, с которых начинаются радиоактивные превращения, т. е. по их родоначальникам.

В настоящее время известно три естественно-радиоактивных семейства: урана --радия (²³⁸₉₂U-Ra), тория (²³²₉₀Тh) и актиния (²³⁵₈₉Ac). Исходный элемент семейства урана ²³⁸₉₂U в результате 14 последовательных радиоактивных превращений переходит в устойчивый изотоп свинца ²⁰⁶₈₂Pb. Поскольку это семейство включает в себя важный радиоактивный элемент -- радий, а также продукты его распада, то оно часто обозначается как семейство урана -- радия.

Родоначальник семейства тория ²³²₉₂Th путем 10 последовательных превращений переходит в стабильный изотоп свинца ²⁰⁸₈₂Pb.

Родоначальником семейства актиния является изотоп урана ²³⁵₉₂U, который раньше называли актиноураном AcU.

Так как среди членов ряда имеется изотоп актиния ²²⁷₈₉Ас, то это семейство получило название семейства актиния или актиния -- урана. Путем 11 превращений ²³⁵₉₂U переходит в стабильный изотоп свинца ²⁰⁵₈₂Pb.

2. Типы ядерных превращений

Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра, и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе ядра испускают радиоактивные излучения.

Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват, внутренняя конверсия.

Альфа-распад. Сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента -- альфа-частицы, представляющей собой ядро атома гелия. При вылете альфа-частицы ядро теряет два протона и два нейтрона и превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшено на 2, а число частиц (массовое число) -- на 4. Следовательно, при радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся при альфа-распаде элемент (дочерний) смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки периодической системы Д.И. Менделеева. Процесс альфа-распада можно представить так:

где X -- символ исходного ядра; Y -- символ ядра продукта распада; Q -- освобожденный избыток энергии.

Например,

Альфа-распад -- достаточно распространенное ядерное превращение тяжелых ядер; в настоящее время известно более 160 альфа-активных видов ядер. Ядра с порядковым номером больше 82 (Z-- 82 для Рb), за редким исключением, альфа-активны, а с Z, меньшим 82, стабильны по отношению к альфа-распаду.

Бета-распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных элементов претерпевают распад с испусканием электронов. У некоторых искусственных радиоактивных изотопов наблюдается распад с испусканием позитронов. Электроны и позитроны, испускаемые ядрами, называют бета-частицами или бета-излучением, а сами ядра -- бета-активными. Из-за сходства между электронным и позитронным распадом эти два вида распада называют бета-распадом.

Если в ядре имеется излишек нейтронов («нейтронная перегрузка» ядра), то происходит электронный в^--распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино.

Электронный распад описывают уравнением

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу (т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д.И. Менделеева на один номер вправо от исходного), а массовое число остается без изменения.

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов. Примером бета-распада может служить распад изотопа калия с превращением его в кальций:

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный (в⁺) распад, при котором ядро испускает позитрон (частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:

Позитронный распад можно записать уравнением

Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д.И. Менделеева на один номер влево от материнского; массовое число остается без изменения. Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Например, распад изотопа фосфора с образованием кремния

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон -- электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е⁺ и е^-). Процесс превращения пары «позитрон -- электрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение -- аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую -- гамма-фотоны. Это подтверждается существованием обратной реакции -- реакции образования пары, при которой гамма-фотон, имеющий достаточно высокую энергию, пролетая через вещество, под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома превращается в пару «электрон -- позитрон».

Таким образом, при позитронном распаде в конечном результате за пределы материнского атома вылетают не частицы, а два гамма-кванта, каждый из которых обладает энергией в 0,511 МэВ, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц -- позитрона и электрона Е = 2т_ес² = 0,511 МэВ.

Электронный захват. Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного захвата, когда один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему К-слоя или реже (примерно в 100 раз) с L-слоя, и превращается в нейтрон. Такой процесс называют электронным К- или L-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:

Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше порядкового номера исходного ядра, а массовое число не меняется. Дочерний элемент в периодической системе элементов Д.И. Менделеева отстоит на одну клетку влево от материнского. Превращение ядер при К-захвате записывают в следующем виде:

Например,

Освободившееся место, которое занимал в К- или L-слое захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра слоев оболочки атома. Избыток энергии, освободившейся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, так как количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу.

Позитронный распад и электронный захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов.

Некоторые ядра могут распадаться двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распадов и через К-захват, сочетанием трех типов распада. В таких случаях превращения осуществляются в строго определенном соотношении.

Например,

Естественный долгоживущий радиоизотоп калия (⁴⁰₁₉K; Т= 1,49 * 10⁹ лет), количество которого в смеси нерадиоактивного калия (³⁹₁₉K) составляет 0,0119 %, подвергается электронному распаду и K-захвату:

У изотопа меди ⁶⁴₂₉Сu превращение в никель осуществляется путем позитронного распада и K-захвата, а в цинк -- путем электронного распада:

Внутренняя конверсия. Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта или выбрасывания какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электронно-позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L- или М-слой), который в результате этого удаляется (вырывается) за пределы атома. Такие электроны получили название электронов внутренней конверсии. Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии в отличие от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон -- позитрон» с последующей их аннигиляцией.

После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

3. Радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных растений при некорневом поступлении

сельскохозяйственный радиоактивный распад

Дальнейшая миграция радиоактивных частиц, выпавших на поверхность земли, по биологическим цепям определяется прежде всего их растворимостью и связанной с ней биологической доступностью. При выпадении таких частиц, образовавшихся в результате наземных ядерных взрывов на силикатных грунтах, происходит механическое загрязнение (запыление) растений. При выпадении карбонатных радиоактивных частиц на поверхность растений они не только загрязняют наземные органы растений, но и проникают во внутренние ткани, передвигаются, перераспределяются, а также накапливаются в хозяйственно ценной части урожая.

В стратосферных и тропосферных выпадениях, в осадках от подводных и надводных ядерных взрывов, а также в продуктах аварийных выбросов ядерно-топливных систем радионуклиды находятся в растворимой, доступной для усвоения растениями форме.

Особенность некорневого пути поступления заключается в том, что при непосредственном оседании радиоактивных частиц из различных слоев атмосферы происходит загрязнение надземной массы растений всеми выпадающими радионуклидами. Для количественной оценки значимости некорневого пути поступления в накоплении радионуклидов в урожае и дальнейшей миграции по пищевым цепям необходимо знать закономерности этого пути перехода радионуклидов в растения.

Радиоактивные частицы, выпадающие из атмосферы на вегетирующие посевы, не полностью задерживаются на растениях. Часть их оседает на поверхность почвы, минуя растения. Степень удерживания радиоактивных частиц растениями характеризуется величиной первичного удерживания. Первичное удерживание -- это отношение количества осевших на растения радиоактивных частиц к общему их количеству, выпавшему из атмосферы на данную площадь. Коэффициент первичного удерживания определяется следующим соотношением:

где б -- коэффициент первичного удерживания (в долях единицы или в процентах плотности выпадений); у_в-- плотность выпадений (количество радиоактивности, выпадающее на единицу площади посева или травостоя); у_р -- плотность радиоактивного загрязнения надземной массы растений (количество радиоактивности в надземной массе с единицы площади посева или травостоя).

Первичное удерживание радиоактивных частиц надземной массой растений может варьировать в очень широких пределах: от нескольких процентов до 95 %. Удерживающая способность растительного покрова по отношению к выпадающим из атмосферы радиоактивным частицам зависит от плотности растительного покрова, морфологии растений (формы, размеров, ориентации листьев и степени шероховатости их поверхности), размеров и агрегатного состояния радиоактивных частиц, метеорологических условий в момент выпадения радиоактивных осадков (скорости ветра во время и после выпадений, относительной влажности воздуха в период выпадений и др.). Установлено наличие тесной зависимости между урожайностью надземной массы и величиной первичного удерживания радиоактивных осадков растительностью. По мере увеличения запаса растительной массы на единицу площади повышается степень удерживания радионуклидов. Например, при низком урожае растений и неблагоприятных погодных условиях первичное удерживание ⁹⁰Sr посевом яровой пшеницы составляло 10%, в годы с более высоким урожаем -- до 50 %. Различие в величине первичного удерживания радионуклидов при нанесении их в разные фазы развития растений также в основном обусловлено неодинаковой биомассой растений (табл. 1).

Первичное удерживание радионуклидов при нанесении их на посевы пшеницы в разные фазы развития растений, % нанесенного количества