Реферат: Характеристика радиоактивных излучений

Следует ввести, однако, еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Такая иерархия понятий на первый взгляд может показаться слишком сложной, но тем не менее она представляет собой логически последовательную систему и позволяет рассчитывать согласующиеся или сопоставимые друг с другом дозы облучения. В последующих частях материал будет излагаться так, чтобы по возможности избежать употребления этих терминов, однако без них иногда не удается достичь необходимой точности и ясности изложения.

Характеристика радиоактивных излучений

Вид излучения Состав Проникающая способность Ионизирующая способность Защита альфа поток ядер гелия 10 см в воздухе 30000 пар ионов на 1 см пути лист писчей бумаги бета Поток электронов 20 м в воздухе 70 пар ионов на 1 см пути летняя одежда наполовину задерживает гамма Электромагнит ное излучение сотни метров несколько пар ионов на 1 см пути не задерживается нейтронное Поток нейтронов несколько километров Несколько тысяч пар ионов на 1 см пути, кроме того, вызывает наведенную активность задерживается материалами из углеводородов

Таблица 1

Теория радиоактивного распада. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. Так, например, излучение радия сопровождается выделением газообразного радона ("эманацией"). В свою очередь радон, распадаясь, оставляет радиоактивные отложения на стенках содержащего его сосуда. Собранная при распаде радия эманация теряет половину исходной активности примерно за 4 сут. Эти и другие не поддававшиеся интерпретации экспериментальные факты удалось объяснить с помощью теории радиоактивного распада атомов, предложенной Резерфордом и Содди в 1903, а также правила смещения, сформулированного в 1913 А.Расселом и независимо от него Фаянсом и Содди. Суть теории Резерфорда и Содди состоит в том, что в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой.
Правило смещения. Правило смещения точно указывает, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение.
Эмиссия альфа- и бета-частиц. Правило смещения можно пояснить с помощью ядерной модели атома, предложенной Резерфордом в 1911. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная часть массы атома. Вокруг ядра вращаются электроны, заряд которых компенсирует положительный заряд ядра. Каждому атому приписывается свой атомный номер Z, соответствующий его порядковому номеру в периодической таблице Менделеева и численно равный заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Альфа-частица имеет Z = 2 и массовое число (округленный атомный вес) A = 4. Если неустойчивое ядро испускает бета-частицу, то его Z увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Следовательно, радиоактивный атом превращается в следующий по порядку атом таблицы Менделеева. При эмиссии альфа-частицы Z и A вновь образованного ядра уменьшаются на 2 и 4 единицы соответственно, а дочерний атом, испытав соответствующее изотопическое превращение, "смещается" в таблице Менделеева влево от родительского элемента.
Гамма-излучение. Орбитальные электроны, получив избыток энергии, могут переходить на более высокие энергетические уровни. Возвращаясь в основное (нормальное) состояние, они отдают избыток энергии в виде света или рентгеновского излучения. Ядра атомов, обладающие избыточной энергией, также могут переходить в возбужденное состояние. Подобное возбуждение часто испытывают ядра, образующиеся в процессе радиоактивных превращений. Переходя в основное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов. Особый интерес представляет вариант распада, когда радиоактивное ядро имеет большое время жизни возбужденного состояния. В этом случае у находящихся в разных энергетических состояниях одинаковых ядер (с одинаковыми значениями Z и A) наблюдаются однотипные радиоактивные распады, но происходят они с разными скоростями, поскольку одни ядра распадаются из возбужденного, а другие из основного состояния. Это явление получило название ядерной изомерии, а возбужденное и нормальное ядра называются изомерами.

Метаболизм и токсикология радиоизотопов стронция.

Стронций (лат. Strontium), Sr, химический элемент II группы периодической Системы Менделеева, атомный номер 38, атомная масса 87,62, серебристо-белый металл. Природный стронций состоит из смеси четырёх стабильных изотопов: ⁸⁴ Sr, ⁸⁶ Sr, ⁸⁷ Sr и ⁸⁸ Sr; наиболее распространён ⁸⁸ Sr (82,56%).

Искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами от 80 до 97, в том числе ⁹⁰ Sr (Т ¹ /₂ = 27,7 года), образующийся при делении урана. В 1790 шотландский врач А. Крофорд, исследуя найденный близ населённого пункта Строншиан (в Шотландии) минерал, обнаружил, что он содержит неизвестную ранее "землю", которая была названа стронцианом. Позднее оказалось, что это окись сронция SrO. В 1808г Г. Дэви , подвергая электролизу с ртутным катодом смесь увлажнённой гидроокиси Sr(ОН)₂ с окисью ртути, получил амальгаму стронция.

Распространение в природе. Среднее содержание стронция в земной коре 3,4-10² % по массе, в геохимических процессах он является спутником кальция. Известно около 30 минералов стронция: важнейшие - целестин SrSO₄ и стронцианит SrCO₃ . В магматических породах стронция находится преимущественно в рассеянном виде и входит в виде изоморфной примеси в кристаллическую решётку кальциевых, калиевых и бариевых минералов. В биосфере стронция накапливается в карбонатных породах и особенно в осадках солёных озёр и лагун (месторождения целестина).

Физические и химические свойства. При комнатной температуре решётка стронция кубическая гранецентрированная (a-Sr) с периодом а = 6,0848 ; при температуре выше 248°C превращается в гексагональную модификацию (b-Sr) с периодами решётки а =4,32 и с = 7,06 ; при 614°C переходит в кубическую объёмно-центрированную модификацию (g-Sr) с периодом а = 4,85 . Атомный радиус 2,15 , ионный радиус Sr² + 1,20. Плотность a- формы 2,63г/см³ (20 °C); t_пл 770 °C, t_kип 1383 °C; удельная теплоёмкость 737,4кдж/ (кг- К) [0,176 кал/ (г- °C)]; удельное электросопротивление 22.76-10^-6 ом-см ³ стронция парамагнитен, атомная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 91,2-10^-6 . Стронция - мягкий пластичный металл, легко режется ножом. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Sr 5s² , в соединениях обычно имеет степень окисления +2. С. - щёлочноземельный металл, по химическим свойствам сходен с Ca и Ba. Металлический стронция быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую поверхностную плёнку, содержащую окись SrO, перекись SrO₂ и нитрид Sr₃ N₂ . С кислородом при обычных условиях образует окись SrO (серовато-белый порошок), которая на воздухе легко переходит в карбонат SrCO₃ : с водой энергично взаимодействует, образуя гидроокись Sr (OH)₂ - основание более сильное, чем Ca (OH)₂ . При нагревании на воздухе легко воспламеняется, а порошкообразный стронция на воздухе самовозгорается, поэтому хранят стронция в герметически закрытых сосудах под слоем керосина. Бурно разлагает воду с выделением водорода и образованием гидроокиси. При повышенных температурах взаимодействует с водородом (>200°C), азотом (>400°C), фосфором, серой и галогенами. При нагревании образует интерметаллические соединения с металлами, например SrPb₃ , SrAg₄ , SrHg₈ , SrHg₁₂ . Из солей стронция хорошо растворимы в воде галогениды (кроме фторида), нитрат, ацетат, хлорат; трудно растворимы карбонат, сульфат, оксалат и фосфат. Осаждение стронция в виде оксалата и сульфата используют для его аналитического определения. Многие соли стронция образуют кристаллогидраты, содержащие от 1 до 6 молекул кристаллизационной воды. Сульфид SrS постепенно гидролизуется водой: нитрид Sr₃ N₂ (чёрные кристаллы) легко разлагается водой с выделением NH₃ и Sr (OH)₂ . стронция хорошо растворяется в жидком аммиаке, давая растворы тёмно-синего цвета.

Получение и применение. Основным сырьём для получения соединений стронция служат концентраты от обогащения целестина и стронцианита. Металлический стронция получают восстановлением окиси стронция алюминием при 1100-1150 °C:

4SrO + 2AI = 3Sr + SrO-Al₂ O₃ .

Процесс ведут в электровакуумных аппаратах [при 1 н/м² (10 ^{-2мм рт. ст.} )]периодического действия. Пары стронция конденсируются на охлажденной поверхности вставленного в аппарат конденсатора; по окончании восстановления аппарат заполняют аргоном и расплавляют конденсат, который стекает в изложницу. Стронций получают также электролизом расплава, содержащего 85% SrCl₂ и 15% KCI, однако при этом процессе выход по току невелик, а металл оказывается загрязнённым солями, нитридом и окисью. В промышленности электролизом с жидким катодом получают сплавы стронция, например с оловом.

Практическое применение металлического стронция невелико. Он служит для раскисления меди и бронзы. ^-90 Sr - источник b-излучения в атомных электрических батареях. С. используется для изготовления люминофоров и фотоэлементов, а также сильно пирофорных сплавов. Окись стронция входит в состав некоторых оптических стекол и оксидных катодов электронных ламп. Соединения стронция окрашивают пламя в интенсивный вишнёво-красный цвет, благодаря чему некоторые из них находят применение в пиротехнике. Стронцианит вводят в шлак для очистки высокосортных сталей от серы и фосфора; карбонат стронция используют в неиспаряющихся геттерах , а также добавляют в состав стойких к атмосферным воздействиям глазурей и эмалей для покрытия фарфора, сталей и жаропрочных сплавов. Хромат SrCrO₄ - очень устойчивый пигмент для изготовления художественных красок, титанат SrTiO₃ применяют как сегнетоэлектрик, он входит в состав пьезокерамики. Стронциевые соли жирных кислот ("стронциевые мыла") используют для изготовления специальных консистентных смазок.

Соли и соединения стронция малотоксичны; при работе с ними следует руководствоваться правилами техники безопасности с солями щелочных и щёлочноземельных металлов.

Стронций в организме. Стронций - составная часть микроорганизмов, растений и животных. У морских радиолярий (акантарий) скелет состоит из сульфата стронция - целестина. Морские водоросли содержат 26-140 мг С. на 100 г сухого вещества, наземные растения - 2,6, морские животные - 2-50, наземные животные - 1,4, бактерии - 0,27-30. Накопление стронция различными организмами зависит не только от их вида, особенностей, но и от соотношения в среде стронция с др. элементами, главным образом с Ca и Р, а также от адаптации организмов к определённой геохимической среде.

Животные получают стронций с водой и пищей. Всасывается стронция тонким, а выделяется в основном толстым кишечником. Ряд веществ (полисахариды водорослей, катионообменные смолы) препятствует усвоению стронция. Главное депо стронция в организме - костная ткань, в золе которой содержится около 0,02% С. (в др. тканях - около 0,0005%). Избыток солей стронция в рационе крыс вызывает "стронциевый" рахит. У животных, обитающих на почвах со значительным количеством целестина, наблюдается повышенное содержание стронция в организме, что приводит к ломкости костей, рахиту и др. заболеваниям. В биогеохимических провинциях, богатых стронция (ряд районов Центральной и Восточной Азии, Северной Европы и др.), возможна т. н. уровская болезнь .

Стронций-90. Среди искусственных изотопов стронция его долгоживущий радионуклид ⁹⁰ Sr - один из важных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Попадая в окружающую среду, ⁹⁰ Sr характеризуется способностью включаться (главным образом вместе с Ca) в процессы обмена веществ у растений, животных и человека. Поэтому при оценке загрязнения биосферы ⁹⁰ Sr принято рассчитывать отношение ⁹⁰ Sr/Ca в стронциевых единицах (1 с. е. = 1 мк мккюри ⁹⁰ Sr на 1 г Ca). При передвижении ⁹⁰ Sr и Ca по биологическим и пищевым цепям происходит дискриминация С., для количественного выражения которой находят "коэффициент дискриминации", отношение ⁹⁰ Sr/Ca в последующем звене биологической или пищевой цепи к этой же величине в предыдущем звене. В конечном звене пищевой цепи концентрация ⁹⁰ Sr, как правило, значительно меньше, чем в начальном.

В растения ⁹⁰ Sr может поступать непосредственно при прямом загрязнении листьев или из почвы через корни (при этом большое влияние имеет тип почвы, сё влажность, pH, содержание Ca и органических веществ и т.д.). Относительно больше накапливают ⁹⁰ Sr бобовые растения, корне- и клубнеплоды, меньше - злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах и плодах накапливается значительно меньше ⁹⁰ Sr, чем в др. органах (например, в листьях и стеблях пшеницы ⁹⁰ Sr в 10 раз больше, чем в зерне). У животных (поступает в основном с растительной пищей) и человека (поступает в основном с коровьим молоком и рыбой) ⁹⁰ Sr накапливается главным образом в костях. Величина отложения ⁹⁰ Sr в организме животных и человека зависит от возраста особи, количества поступающего радионуклида, интенсивности роста новой костной ткани и др. Большую опасность ⁹⁰ Sr представляет для детей, в организм которых он поступает с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.

Биологическое действие ⁹⁰ Sr связано с характером его распределения в организме (накопление в скелете) и зависит от дозы b-облучения, создаваемого им и его дочерним радиоизотопом ⁹⁰ Y. При длительном поступлении ⁹⁰ Sr в организм даже в относительно небольших количествах, в результате непрерывного облучения костной ткани, могут развиваться лейкемия и рак костей. Существенные изменения в костной ткани наблюдаются при содержании " Sr в рационе около 1 мккюри на 1 г Ca. Заключение в 1963 в Москве Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой привело к почти полному освобождению атмосферы от ⁹⁰ Sr и уменьшению его подвижных форм в почве.

Источники радиоактивного стронция. Основным источником загрязнения внешней среды радиоактивным стронцием были испытания ядерного оружия и аварии на предприятиях топливно-ядерного цикла. Атмосфера — первичный резервуар ⁸⁹ Sr и ⁹⁰ Sr, откуда радионуклиды поступают на сушу и в гидросферу. Осаждение определяется гравитацией, адсорбцией на нейтральной пыли, постоянно присутствующей в атмосфере, и удалением атмосферными осадками (дождем, снегом). Время пребывания радиоактивных аэрозолей в атмосфере составляет 30–40 суток, в стратосфере — несколько лет. Вследствие различных периодов полураспада соотношение ⁸⁹ Sr, ⁹⁰ Sr в выпадениях постоянно меняется. В начальный период после взрыва в выпадениях преобладает ⁸⁹ Sr , а затем ⁹⁰ Sr , поскольку отношение активности ⁸⁹ Sr, ⁹⁰ Sr в начальный период равно 150. В начальный период ⁸⁹ Sr является одним из компонентов загрязнения внешней среды в зонах ближних выпадений радионуклидов. Суммарное количество ⁸⁹ Sr , поступившего в атмосферу, оценивается в 90 ЭБк, а ⁹⁰ Sr в 600 ПБк. В эти величины не входит стронций локальных выпадений. Наблюдалась отчетливо выраженная зональность выпадений, зависящих от особенностей атмосферных течений. За период 1961–1969 гг. в умеренных широтах Северного полушария плотность выпадения ⁸⁹ Sr составила 1.3 · 104Бк/м² , а ⁹⁰ Sr за период 1951–1980 гг. примерно 2.1 · 104Бк/м² . Источником загрязнения внешней среды, как было отмечено, были и остаются предприятия атомной энергетики. В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов незначительны. В основном они обусловлены газообразными радионуклидами (РБГ, ¹⁴ С, тритием и йодом). В условиях аварий, особенно крупных, выбросы радионуклидов, в том числе радиоизотопов стронция, могут быть значительными. Примером являются известные аварии на промышленном реакторе в Уиндскейле (1957г.) и ЧАЭС (1986г.). В Уиндскейле произошел пожар и выброс и составил соответственно 29.6 · 10¹¹ и 33.3 · 10¹⁰ Бк. На ЧАЭС в разрушенном реакторе по оценкам могло накопиться 22.6·10¹⁶ Бк и 233.1·10¹⁶ Бк. Выброс мог составить 4 и 3 % накопленной в реакторе активности. В 1957г. в результате нарушения режима хранения РАО в ПО "Маяк" произошел взрыв емкости, где хранились радионуклиды в количестве 74 · 10¹⁶ Бк. При взрыве 74 · 10¹⁵ Бк (10 %) активности в виде жидкой пульпы было поднято взрывом на высоту до 1км. В выброшенной активности на долю ⁸⁹ Sr и ⁹⁰ Sr пришлось 2.2 и 2.5 %, которые обусловили длительное загрязнение больших территорий ряда областей Южного Урала. Образовался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС). В начальный период работы ПО "Маяк" в результате сброса 10¹⁷ Бк РАО в реку Теча произошло загрязнение ее поймы. В сбросах содержались радиоизотопы цезия, стронция и редкоземельных элементов.Оценивая опасность загрязнения внешней среды радиоактивным стронцием, следует кратко остановиться на его миграции в природных средах. Выпавший на поверхность Земли радиоактивный стронций включается под влиянием природных факторов в процессы миграции. После атмосферы почва становится его важнейшим депо. Радионуклиды мигрируют в горизонтальном и вертикальном направлениях. На их миграцию существенное влияние оказывают их физико-химические свойства, климатические условия, рельеф местности, вид почвы, гидрологический режим, характер растительности, агрохимические особенности ведения сельского хозяйства и др. ⁹⁰ Sr. В глобальных выпадениях ⁹⁰ Sr практически водорастворим и в почве находится в подвижной форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. Кратко остановимся лишь на некоторых вопросах миграции радио-стронция в биоценозах, поскольку пища растительного и животного происхождения является основным источником его поступления населению. В процессе миграции радионуклидов по пищевым цепочкам: растения → человек, растения → животные → человек, вода → гидробионты → человек обычно происходит их дискриминация, т.е. изменение содержания в звеньях.

Ядерно-физические свойства

основных радиоактивных изотопов стронция

Радионуклид	Т1/2	Тип распада	Средняя энергия излучения, МэВ/(Бк·с)		Дочерний нуклид(выход)
			характеристическое, γ- и аннигиляционное излучение	β-излучение, конверсионные электроны и электроны Оже
80 Sr	100 мин.	ЗЭ	8.00 · 10−3	5.46 · 10−3	80 Rb, радиоакт.
81 Sr	25.5 мин.	ЗЭ, β+	1.38	9.96 · 10−1	81 Rb, радиоакт.
82 Sr	25 сут.	ЗЭ	7.87 · 10−3	5.40 · 10−3	82 Rb, радиоакт
83 Sr	32.4 час.	ЗЭ, β+	7.79 · 10−1	1.49 · 10−1	83 Rb, радиоакт.
85m Sr	69.5 мин.	ЗЭ, ИП	2.19 · 10−1	1.22 · 10−2	85 Sr, радиоакт. (0.879) 85 Rb стаб.
85 Sr	64.84 сут.	ЗЭ	5.11 · 10−1	8.97 · 10−3	85 Rb стаб.
87m Sr	2.805 час.	ЗЭ, ИП	3.20 · 10−1	6.69 · 10−2	87 Rb радиоакт. (3 · 10−3) 87 Sr стаб. (0.997)
89 Sr	50.5 сут.	β−	8.45 · 10−5	5.83 · 10−1	89 Y стаб.
90 Sr	29.12 лет	β−	—	1.96 · 10−1	90 Y радиоакт.
91 Sr	9.5 час.	β−	6.93 · 10−1	6.55 · 10−1	91m Y радиоакт. (0.578) 91 Y радиоакт. (0.422)
92 Sr	2.71 час.	β−	1.34	1.96 · 10−1	92 Y радиоакт.

Таблица 2