Радиационное излучение минеральных удобрений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиационное излучение минеральных удобрений

Введение

Ситуация, сложившаяся сейчас на земном шаре, достаточно сложна: с одной стороны, для производства пищевых продуктов используется не более 15% всей поверхности нашей планеты, но, с другой стороны, увеличить посевные площади в мире не хватает возможностей. Но население Земли неуклонно растет, и ему требуется все большее количество животной и растительной пищи. Единственный вариант выхода из этой ситуации - быстрое и значительное повышение урожайности, для которого, собственно, и используется весь «ассортимент» удобрений, в основном, химических.

Калий -- один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в калии у взрослого человека (2--3 г) покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в калии (30 мг/кг) полностью покрывается грудным молоком, в котором 60--70 мг калия на килограмм. Многие морские организмы извлекают калий из воды. Растения получают калий из почвы. У животных содержание калия составляет в среднем 2,4 г/кг. Калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его меньше. В клетке калий распределён неравномерно.

Ионы калия участвуют в генерации и проведении биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений сердца, поддерживают осмотическое давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия тесно связан с углеводным обменом; ионы калия влияют на синтез белков. К⁺ в большинстве случаев нельзя заменить на другие микроэлементы. Клетки избирательно концентрируют К⁺. Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К⁺ из клеток. Выделяется калий из организма главным образом с мочой. Содержание калия в крови и тканях позвоночных регулируется гормонами надпочечников -- кортикостероидами. В растениях калий распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много калия в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20--30 г/кг сухого вещества).

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа ¹⁴С и трития (³Н), образующиеся под воздействием космического излучения.

Человек получает около 180 микрозивертов Зимверт (обозначение: Зв, Sv) -- единица измерения СИ эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения (используется с 1979 г.). в год за счет 40К, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма.

В современном мире очень важно отслеживать уровень радиоактивного излучения тех предметов, с которыми человек имеет дело каждый день. Поэтому необходимо разрабатывать новые или совершенствовать старые методы исследования, которые помогут оценить уровень радиации, отслеживать радиационную обстановку.

Историческая справка

Соединения калия, как и его ближайшего химического аналога -- натрия, были известны с древности и находили применение в различных областях человеческой деятельности. Однако сами эти металлы были впервые выделены в свободном состоянии только в 1807 году в ходе экспериментов английского ученого Г. Дэви. Дэви, используя гальванические элементы как источник электрического тока, провел электролиз расплавов поташа и каустической соды и таким образом выделил металлические калий и натрий, которые назвал «потассием» (отсюда сохранившееся в англоязычных странах и Франции название калия -- potassium) и «содием». В 1809 английский химик Л. В. Гильберт предложил название «калий» (от арабского Аль-кали -- поташ).

Гемфри Дэви (иначе: Хэмфри Дэви), (англ. Humphry Davy) (17 декабря 1778, Пензанс -- 29 мая 1829, Женева) -- английский химик и физик.

В своей Bakerian Lecture - Бакеровской ежегодной лекции (Бакеровская лекция, ежегодно читаемая в Королевском обществе, была учреждена по воле, высказанной в завещании Генри Бакера - знаменитого английского натуралиста, умершего в 1774 году), читанной 20 ноября 1807 года, Деви рассказывает об этом решающем опыте:

“Маленький кусочек кали, который в течение нескольких секунд был выставлен на воздух, так что его поверхность сделалась проводящей, был помещен на изолированный платиновый диск, соединенный с отрицательным полюсом интенсивно действовавшей батареи в 250 пластин с поверхностью в 6 дюймов и в 4 дюйма; в то же время платиновая проволока, соединенная с положительным полюсом, была приведена в соприкосновение с верхней поверхностью щелочи. Весь прибор находился на открытом воздухе.

При этих условиях вскоре обнаружилось энергичное действие. Кали начал плавиться у обеих точек электризации, причем у верхней поверхности наблюдалось энергичное выделение газа, у нижней - отрицательной поверхности - газ не выделялся. Вместо этого появлялись маленькие шарики с сильным металлическим блеском, внешне ничем не отличавшиеся от ртути. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом и с появлением яркого пламени, другие не сгорали, а только тускнела, и поверхность их покрывалась в конце концов белой пленкой.

Многочисленные опыты вскоре показали, что эти шарики состоят из того вещества, которое я искал и которое является легко воспламеняющимся основанием кали”.

Когда Деви увидел крохотные крупинки нового вещества, загоревшиеся в воздухе, он запрыгал, как ребенок, по комнате, не будучи в силах сдержать свою радость.

Деви изучил основные свойства металла, полученного из едкого кали. Самым замечательным из них являлся малый удельный вес: металл был легче воды. Он отличался неуемной страстью к кислороду: где бы ни был кислород, это вещество настигало его и бурно соединялось с ним.

Краткая информация о калии

КАЛИЙ (лат. Kalium), K (читается «калий»), химический элемент с атомным номером 19, атомная масса 39,0983.

Природный калий состоит из трёх изотопов. Два из них стабильны: 39K (изотопная распространённость 93,258 %) и 41K (6,730 %). Третий изотоп 40K (0,0117 %) является бета-активным с периодом полураспада 1,251Ч10⁹ лет. В каждом грамме природного калия в секунду распадается в среднем 32 ядра 40K, благодаря чему, например, в организме человека весом 70 кг ежесекундно происходит около 4000 радиоактивных распадов. 40K считается одним из основных источников геотермальной энергии, выделяемой в недрах Земли (мощность оценивается в 44 ТВт). В минералах, содержащих калий, постепенно накапливается 40Ar, один из продуктов распада калия-40, что позволяет измерять возраст горных пород; калий-аргоновый метод является одним из основных методов ядерной геохронологии.

Калий - один из немногих химических элементов, радиоактивный изотоп которого, 40 K, сохранился на Земле с момента ее возникновения. При распаде 40 K возникает аргон - третий по распространенности газ на Земле. Живые организмы на протяжении всего процесса эволюции жизни неизбежно вступали в контакт с 40 K и аргоном. Однако влияние последних на биологические процессы практически не изучено, поскольку, казалось бы такие исследования не имеют смысла - ведь содержание 40 K в природном калии составляет все 0,01%, а аргон - это инертности газ, который не должен влиять на химические процессы жизнедеятельности. В то же время все живые клетки извлекают калий из окружающей среды и накапливают его тем в большей концентрации, чем выше их жизненная активность. Есть данные, говорящие и о том, что живые организмы накапливают и аргон. А если живые организмы стремятся что-либо извлечь из окружающей среды, то значит, испытывают в том потребность.

Накапливая калий, клетки автоматически повышают уровень внутриклеточной радиоактивности, который только за счет 40 K составляет 320 распадов/сек/кг цитоплазмы. Эта цифра кажется невысокой, если не принимать во внимание, что энергия распада 40 K составляет 1,5 МэВ. Значит, при распаде одного атома калия в водной среде клетки порождаются многие сотни тысяч ультрафиолетовых фотонов излучения, которые, согласно бытующим представлениям, могут серьезно повреждать важные биомолекулы. Почему же тогда все клетки стремятся к накоплению калия, а заодно и 40 K, который должен быть для них весьма токсичен?

Дело в том, что в настоящее время доминирует крайне односторонняя точка зрения на радиоактивность, лишь как на вредный фактор внешней и внутренней среды. С момента открытия радиоактивности накоплено громадное число фактов, говорящих о том, что определенный уровень внешнего и внутреннего радиоактивного фона абсолютно необходим для нормальной жизнедеятельности всех живых организмов. В частности, экспериментально установлено, что исключение 40 K из питания животных и растений (при сохранении нормального уровня потребления нерадиоактивного калия) сопровождается снижением жизнеспособности животных и растений. Доказано также, что при глубоком экранировании деление клеток в них существенно тормозится, и в таких условиях 40 K остается последним внутренним резервом радиоактивности, благодаря которой клеточное деление не прекращается полностью.

Что касается продукта распада калия - аргона, то в самое последнее время появились данные о том, что он также небезразличен для процессов жизнедеятельности. В частности, в аргоновой среде животные не погибают от удушья даже при очень низком содержании кислорода. Более того, обогащение воздуха аргоном приводит к увеличению эффективности использования животными и человеком вдыхаемого кислорода. Мы обнаружили, что в насыщенных аргоном водных растворах возрастает скорость протекания химических реакций с участием активных форм кислорода.

Таким образом, как 40 K, так и продукт его радиоактивного распада - аргон, не только не безразличны для клетки, а, вероятно, жизненно необходимы для ее нормального функционирования. Мы предполагаем, что оба этих вещества способны инициировать и/или модулировать протекающие в водной среде -- основной среде живых организмов -- реакции, связанные с обменом активных форм кислорода, в частности, свободных радикалов. Энергия, освобождающаяся при распаде 40 K и трансформируемая водой в «горячие» УФ-фотоны, способствует разложению молекул воды, порождая в ней активные формы кислорода и «легкие» свободные радикалы. Последние, в свою очередь, генерируют новые каскады свободно-радикальных процессов. Биологически значимым «продуктом» таких процессов является, согласно развиваемым нами представлениям, энергия электронно-возбужденных состояний. Она используется и как энергия активации для осуществления биохимических процессов и как фактор тонкой «настройки» их пространственно-временного осуществления. Однако максимально эффективное использование этой энергии возможно лишь при условии высокой степени организации ее продукции во времени и пространстве живого организма. Атомы аргона, оказавшиеся в водной среде и образующие с ней специфические комплексы, выполняют роль таких организаторов названных выше процессов. Независимо от того, насколько верно наши представления о механизмах биологического действия 40 K и аргона отражают действительность, мы полагаем, что изучение их влияния на процессы жизнедеятельности становится весьма актуальной задачей, при решении которой будет получено еще немало интересных и практически значимых результатов.

Нахождение калия в природе

Содержание калия в земной коре 2,41% по массе, калий входит в первую десятку наиболее распространенных в земной коре элементов. Основные минералы, содержащие калий: сильвин KCl (52,44% К), сильвинит (Na,K)Cl (этот минерал представляет собой плотно спрессованную механическую смесь кристалликов хлорида калия KCl и хлорида натрия NaCl), карналлит KCl·MgCl₂·6H ₂O (35,8% К), различные алюмосиликаты, содержащие калий, каинит KCl·MgSO₄·3H₂О, полигалит K₂SO₄·MgSO₄·2CaSO₄·2H₂O, алунит KAl₄(SO₄)₂(OH)₆. В морской воде содержится около 0,04% калия.

Радиоактивный изотоп 40K -- важный источник глубинного тепла, особенно в прошлые эпохи, когда этого изотопа было больше. При распаде 40K образуются 40Ca и аргон 40Ar, уходящий в атмосферу. Некоторые минералы калия не теряют аргона, и по его содержанию можно определить абсолютный возраст горных пород (т. н. калий-аргоновый метод).

Калийные удобрения

Калийные удобрения - минеральные вещества, используемые как источник калийного питания растений. Обычно растворимые в воде соли соляной, серной и угольной кислот, нередко с примесью других соединений, содержащие калий в доступной для растений форме. Основным источником Калийных удобрений являются залежи природных калийных солей.

Калий положительно влияет на качество продукции: корнеплоды повышают содержание сахара, картофель -- содержание крахмала, прядильные культуры -- выход и качество волокна, кормовые растения -- содержание протеина. Кроме того, калийные удобрения усиливают стойкость растений к некоторым заболеваниям, а у озимых хлебов, бобовых трав и многолетних насаждений повышают морозостойкость и устойчивость к засухе. Эффективность калийных удобрений зависит от содержания в них сопутствующих элементов -- натрия, хлора и др.

Радиоактивность

Естественной радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие. Оно сопровождается испусканием определенных частиц и электромагнитного излучения.

Опыты показали, что электроны, вылетающие из ядра данного элемента при в-распаде, имеют разную энергию, причем только ничтожная ее часть их имеет энергию, равную разности энергий исходного («материнского») и образующегося («дочернего») ядра, а большая часть энергии теряется.

На рисунке приведен энергетический спектр электронов, испускаемых естественно-радиоактивным калием. По оси абсцисс отложена энергия е, по оси ординат - число N в-частиц, имеющих данную энергию. Из кривой видно, что энергетический спектр в-электронов является сплошным. Одинаковые ядра испускают электроны со всевозможными энергиями: от близкой к нулю до некоторой верхней граничной е_вм. Наличие верхней границы - максимальной энергии е_вм электрона - очень существенно, она является характеристикой в-излучения. Для данного источника невозможны энергии электронов, превышающие е_вм. Исследования показали, что во всех случаях эта максимальная энергия равна разности энергетических уровней ядер, испускающих в-частицы, т.е. разнице энергий материнского и дочернего ядер. Трудности в объяснении в-распада преодолел в 1931 г. В. Паули. Он предположил, что при каждом акте в-распада ядро испускает не одну, а две частицы. Кроме электрона испускается еще одна частица, электрически нейтральная, с ничтожно малой массой. На основе этой гипотезы Э. Ферми разработал основы современной теории в-распада. По его предложению введенную Паули новую частицу стали называть нейтрино, что означает «маленький нейтрон». Электронное нейтрино принято теперь обозначать символом _e. Согласно современным данным, частицей, испускаемой при электронном в-распаде, является не электронное нейтрино, а так называемое электронное антинейтрино, обозначаемое _е и обладающее, как и электронное нейтрино, нулевым зарядом и нулевой массой.

Экспериментальные методы исследования частиц

Для обнаружения отдельных частиц и исследования взаимодействия их с веществом в настоящее время имеются различные методы.

1. СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

Если в пропорциональном счетчике повышать напряжение, наступает момент, когда первичные ионы, получившиеся от одиночной б-частицы, в-частицы или фотона, не только умножат число первичных ионов в объеме своего образования, но и вызовут разряд во всем счетчике. Происходящее здесь явление напоминает действие спускового крючка огнестрельного оружия. Сила тока через счетчик не зависит от числа первично образовавшихся ионов; более того, ток продолжался бы бесконечно, если бы не были предприняты меры для его погашения. Погашение может быть достигнуто такой электрической схемой, в которой напряжение будет падать, как только пройдет ток; можно также для погашения тока пользоваться смесью газов в счетчике, которые "отравляют" поверхность электрода, как только происходит разряд, тем самым временно препятствуя дальнейшей эмиссии электронов. Можно комбинировать и оба метода. Счетчик Гейгера-Мюллера был построен раньше, чем пропорциальный счетчик, и остается самым чувствительным прибором для обнаружения ионизующего излучения, но все его функции сводятся к "подсчету" любого ионизующего излучения, проходящего через счетчик, будь то б-частицы, протоны, электроны или фотоны.

Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера представляет собой герметически запаянную трубку, к внутренним стенкам которой прилегает катод К - тонкий металлический цилиндр(см. рис.); анодом А служит тонкая проволока, натянутая по оси цилиндра. Счетчик включается в пересчетную систему. С резистора R через конденсатор С сигнал о попадании частицы в счетчик подается на вход пересчетной системы. Частица, попавшая в счетчик, создает в нем, вследствие ионизации, электроны и положительные ионы. Электроны, двигаясь к аноду-нити, попадают в поле с возрастающей напряженностью. Скорость электронов возрастает, и они создают лавину ионов. Электроны, попавшие на нить, снижают ее потенциал. И через резистор R течет ток. На резисторе возникает импульс напряжения - сигнал, который попадает на вход пересчетной системы.

2. МЕТОД СЦИНТИЛЛЯЦИЙ (МЕРЦАНИЙ)

Опыт показывает, что если об экран, покрытый тонким слоем сернистого цинка, ударяется частица, то она вызывает на экране вспышку света, кот можно увидеть в лупу. По числу вспышек можно подсчитать, например, число б-частиц, испускаемых радиоактивным веществом в определенный промежуток времени. Наиболее простое осуществление этот метод находит в спинтарископе Крукса.

Крупинки бромистого радия находятся на кончике иглы над экраном из сернистого цинка, если смотреть сквозь лупу, предварительно подержав глаз в темноте, то в разных местах экрана можно обнаружить частые вспышки.

в-частицы наблюдать этим методом трудно, так как они, имея малую массу и обладая малой кинетической энергией, вызывают очень слабое свечение экрана.

Еще в 1903 году У. Крукс обнаружил, что при попадании б-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки - так называемые сцинтилляции. Было установлено, что каждая попавшая на такое вещество частица вызывает одну световую вспышку и это может быть использовано для счета б-частиц.однако непосредственный подсчет глазом числа вспышек труден и утомителен. В конце 40-х годов были сконструированы сцинтилляционные счетчики частиц. Такой счетчик состоит из флуоресцирующего вещества, в котором частицы, обладающие достаточно большой энергией, вызывают сцинтилляционные вспышки. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Последние, проходя ряд каскадов умножителя, образуют на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя и приводит в действие какой-либо счетчик.

3. БЫТОВОЙ ДОЗИМЕТР «БЕЛЛА»

Дозиметр бытовой «Белла» предназначен для обнаружения и оценки с помощью звуковой сигнализации интенсивности гамма-излучения, а так же для измерения мощности плевой эквивалентной дозы гамма-излучения по цифровому табло. Дозиметр применяется для оперативного индивидуального контроля населением радиационной обстановки. Дозиметр предназначен для измерения мощности дозы, т.е. дозы за единицу времени.

Единицы измерения радиационного излучения

1. Зимверт (обозначение: Зв, Sv) -- единица измерения СИ эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения (используется с 1979 г.).

Через другие единицы измерения СИ зиверт выражается следующим образом:

1 Зв = 1Гр = 1Дж/кг = 1мІ/сІ (для излучений с коэффициентом качества равным 1,0)

Равенство зиверта и грея показывает, что эффективная доза и поглощённая доза имеют одинаковую размерность, но не значит, что эффективная доза численно равна поглощённой дозе. При определении эффективной дозы учитывается биологическое воздействие радиации, она равна поглощённой дозе, умноженной на коэффициент качества, зависящий от вида излучения и характеризует биологическую активность того или иного вида излучения. Имеет большое значение для радиобиологии.

Единица названа в честь шведского учёного Рольфа Зиверта (de:Rolf Sievert).

2. Раньше (а иногда и сейчас) использовалась единица бэр (биологический эквивалент рентгена), англ. rem (roentgen equivalent man) -- устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. 100 бэр равны 1 зиверту.

БЭР внесистемная единица эквивалентной дозы излучения. 1 бэр = 0,01 Дж/кг. До 1963 единица бэр определялась как биологический эквивалент рентгена (отсюда название).

3. Рентген -- внесистемная единица экспозиционной дозы радиоактивного облучения рентгеновским или гамма-излучением, определяемая по их ионизирующему действию на сухой атмосферный воздух. Международное обозначение -- R, русское -- P.

1 рентген -- доза, образующая ионы в 1 ед. заряда СГСЭ ((1/3)·10?9 кулон) на 1 смі воздуха при нормальном атмосферном давлении и 0 °C.

Принята в 1928 году. Несмотря на то, что, например, ГОСТ 8.417--81 прямо запретил использование большинства внесистемных единиц измерения, рентген продолжает достаточно широко использоваться в технике, отчасти потому, что многие имеющиеся измерительные приборы (дозиметры) отградуированы именно в рентгенах.

Системная единица -- кулон на килограмм (C/kg, Кл/кг).

1 Кл/кг = 3876 Р; 1 Р = 2,57976·10?4 Кл/кг.

В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощённая доза в воздухе, равная 0,88 рад.

4. Рад, rad (англ. radiation absorbed dose) -- внесистемная единица измерения поглощённой дозы ионизирующего излучения.

1 Рад равен поглощённой дозе излучения, при которой облучённому веществу массой 1 грамм передаётся энергия ионизирующего излучения 100 эрг.

1 Рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

5. Грей (обозначение: Гр, Gy) -- единица измерения поглощённой дозы ионизирующего излучения в системе СИ.

Поглощённая доза равна одному грею, если в результате поглощения ионизирующего излучения вещество получило один джоуль энергии в расчёте на один килограмм массы. Через другие единицы измерения СИ грей выражается следующим образом:

Гр = Дж / кг = мІ / сІ

Единица названа в честь британского учёного Льюиса Грэя в 1975 г.

Ранее широко использовалась (а иногда используется и до сих пор) внесистемная единица поглощённой дозы «рад».

1 Гр = 100 рад

Эксперимент по измерению уровня радиоактивного излучения минерального удобрения (хлорида калия)

Частица, попадая счетчик, создает в нем электроны. Электроны, двигаясь, попадают в поле с возрастающей напряженностью. Скорость электронов возрастает, и они создают лавину ионов. Электроны, попавшие на нить, снижают ее потенциал. И через резистор течет ток. На резисторе возникает импульс напряжения - сигнал, который попадает на считывающее устройство. По величине числа, отображенного на считывающем устройстве можно судить о колличестве в-распадов, произошедших за определенный промежуток времени.

Для исследования уровня радиоактивного излучения хлорида калия была взята произвольная масса (около 2 г) калийного удобрения с массовой долей KCl 95 %. Сначала были произведены замеры фонового уровня радиации, а затем замеры радиоактивного излучения минерального удобрения.

Результаты измерений:

Таким образом, из полученных экспериментально данных можно сделать вывод, что радиоактивное излучение хлорида калия в 4 раза больше фонового радиоактивного излучения.

хлорид калий радиоактивность минеральный удобрение

Заключительное слово

В своей работе я рассматривала существующие методы измерения радиоактивного излучения. Были произведены замеры уровня радиации минерального удобрения (хлорида калия) на счетчике Гейгера-Мюллера.

Параллельно с этим производилась разработка прибора на основе спинтарископа Крукса с использованием электронно-оптического преобразователя (ЭОП). Метод сцинтилляций на данный момент является одним из самых наглядных и наиболее простых. Работу по данной теме я планирую продолжать и на следующий год.

Список литературы:

· Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика - М.: Профессиональное образование, 2002

· Лаврова И.В. Курс физики - М.: издательство «Просвещение», 1981

· http://ru.wikipedia.org/wiki/Зиверт

· http://www.slovar.info/word/?id=9365

· http://ru.wikipedia.org/wiki/Миллирентген

· Пчелкин В.У., Почвенный калий и калийные удобрения, М., 1966;

· http://www.uralstars.com/ex/silvinit/product.htm

· Капланский С.Я., Минеральный обмен, М. -- Л., 1938

· http://www.mostorf.ru/t17.html

· http://ru.wikipedia.org/wiki/калий

Размещено на Allbest.ru