Внешние источники радиации земного происхождения

Вторым источником естественного радиационного фона являются радионуклиды земного происхождения. В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.

Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро- и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.

В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.

Все естественные радионуклиды в зависимости от их происхождения можно разделить на 2 категории: радионуклиды земного происхождения и космогенные радионуклиды. Радионуклиды земного происхождения в свою очередь делятся на 2 группы.

К первой группе относятся элементы, образующие три радиоактивные семейства – урана, тория, актиноурана и продукты их распада. К ним относятся 32 радионуклида урана-радиевого и ториевого рядов.

Наиболее распространены в земной коре уран и торий. Природный уран, рассеянный в горных породах, относительно редко образует крупные месторождения, но общее его количество на Земле значительно большее, чем серебра или ртути. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: урана-238 (99,28%), урана-235 (0,71%) и урана-233 (0,006%).

Распадаясь, каждый из названных тяжелых ядер рождает множество промежуточных, также радиоактивных ядер, так что образуется соответствующее семейство. Важнейшими из образованных 45 радионуклидов являются: уран-234, актиний-228, торий-230, радий-226, радон-222, полоний-210 и др. Эти промежуточные продукты в основном короткоживущие, они встречаются в виде примесей в месторождениях элементов – родоначальников семейств. Период полураспада колеблется от 3·10-7с (21284 Ро) до
2,5 х 105 лет (23492U). Конечными продуктами трех семейств являются стабильные изотопы свинца:

Уран и торий в породах всегда сопровождают друг друга, концентрируясь преимущественно в гранитах. Однако в дальнейшем их пути расходятся, так как торий не образует растворимых соединений, а уран образует растворимые в сернокислых водах соединения. Торий и уран представляют собой перспективный материал для атомной промышленности. Запасы тория во много раз большие, чем урана-235.

Ко второй группе естественных радионуклидов земного происхождения принадлежат радионуклиды, не входящие в радиоактивные семейства (11 долгоживущих радионуклидов: калий-40 с периодом полураспада 1,31х10-9лет, кальций-48 – 2х1016 лет, рубидий-87 – 6,15х1010 лет и др.). Наиболее распространенным является рубидий-87. Он составляет 27,8% природного элемента, но энергия его излучений небольшая (бета- частиц – 0,394 МэВ). Рубидий – антагонист калия. В некоторых растениях он накапливается в значительном количестве (1л виноградного сока содержит 1 мг рубидия).

Калий является очень распространенным в литосфере (земной коре толщиной 15-70 км) и биосфере. Является типичным биологическим элементом. Природный калий состоит их трех изотопов (39К, 40К, 41К), из которых только калий-40 – радиоактивен. В земной коре содержится 2,6% калия. В свободном виде не встречается, так как очень химически активен (входит в состав полевых шпатов, слюды). Калий-40 вносит значительный вклад в радиационный фон. Эквивалентная доза за счет калия-40 составляет 0,3 мЗв/год (за счет внешнего облучения – 0,12 мЗв/год, внутреннего – 0,18 мЗв/год).

Космогенные радионуклиды – образуются в результате ядерных реакций протонов и нейтронов, входящих в состав первичного и вторичного космического излучения, с ядрами элементов воздуха (N, O, Ar и др.). К космогенным радионуклидам относятся 14 изотопов – тритий, дейтерий, берилий-7, углерод-14, углерод-13, натрий-22, фосфор-32, фосфор-33,хлор-35 и др.

147N + 10n → 146C + 11H;  147N + 10n → 126C + 31H.

Полученные углерод-14 и тритий являются космогенными радионуклидами, поступая в организм, они являются источниками внутреннего облучения. Берилий-7, натрий-22,24 относятся к источникам внешнего облучения.