Материал: Радиохимия экзамен ответы

Значительно различаются по содержанию урана и аллювиаль­ные почвы. Объясняется такая пестрота различиями в минералогическом составе аллювия, содержании гумуса и спецификой гидрологического режима. Коэффициент варьирования содержания урана-238 в почвах Беларуси равен 53%.

Среднее содержание тория-232 в почвах республики составля­ет 6,91+0,75 Бк/кг при более широком варьировании (3,0-26,2 Бк/кг), чем для урана-238. Самое высокое содержание тория характерно для дерново-подзолистых почв, развившихся на мощном лессовидном суглинке. Несколько меньше (но выше среднего) содержится в дерново-подзолистых почвах на водно-ледниковых и моренных отло­жениях и дерново-глеевых почвах. В торфяно-болотных почвах меньше всего тория.

Относительная концентрация урана и тория может быть выраже­на в долях от массы почвы как n x 10^-4 , тогда как радия-226 выра­жается n x10^-10 %. В связи с большей активностью радия-226 содержание его в почвах выше содержания урана и тория (10,8-83,0 Бк/кг). В среднем, содержание его в исследуемых почвах равно 45,9+2,9 Бк/кг, причем наблюдается ясно выраженное снижение количества радия-226 с севера на юго-запад.

Распределение ЕРН по профилю почв определяется характером и направлением почвообразовательных процессов, что подтверждае­тся на примере дерново-подзолистых почв на пылеватых суглинках и лессах. Для этих почв характерно некоторое обеднение подзоли­стого горизонта илистой фракцией, подвижными оксидами железа, алюминия, кальция и магния, а в иллювиальном горизонте, наоборот, заметно выше количества ила, обменного кальция и магния, подвижных оксидов железа и алюминия.

Распределение по профилю урана-238 хорошо согласуется с рас­пределением кальция и подвижных оксидов железа и алюминия. Уран-238 выносится из подзолистого горизонта, обогащая иллювиальный. Содержание урана-238, как правило, ниже в материнской породе, чем в гумусовом и иллювиальном горизонтах. Объясняется это биоло­гическим выносом радионуклида.

Распределение тория-232 по профилю почвы довольно равномер­ное. Характер распределения, радия-226 по профилю дерново-подзо­листых почв несколько иной, чем для урана: выносится из подзоли­стого горизонта, аккумулируясь в иллювиальном, однако содержание его в материнской породе всегда выше, чем в гумусовом, что свидетельствует о высокой миграционной способности радия. От­ношение величины содержания радия-226 к урану-238 в профиле дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, развитой на лессо­вых отложениях, изменяется следующим образом: А₁- 9, А₂ - 8, В - 12, С - 15.

10. Космогенные радионуклиды.

Земля постоянно подвергается действию космического излучения. Различают первичное и вто­ричное космическое излучение. В состав первичного космического излучения входит около 90% протонов высоких энергий, порядка 9% ядер гелия (альфа-частиц), и около 1% составляют более тяжелые ядра, нейтрино, фотоны и т. д. Энергетический спектр первичного космического излучения имеет огромный диапазон вариаций – от 1 до 10¹⁴ МэВ. Известны случаи регистрации частиц с энергиями 10¹⁹–10²⁰ МэВ. Макси­мальная интенсивность излучения приходится на область энер­гии около 300 МэВ. Частицы с энергиями, не превышающими 400 МэВ, генерируются на Солнце в период вспышек. Их поток носит название солнечного первичного космического излучения. Бо­лее высокоэнергетическая составляющая называется галактичес­ким первичным космическим излучением. Считают, что оно образу­ется в основном при вспышках сверхновых звезд. Частицы с энергиями больше 10¹² МэВ возникают скорее всего за предела­ми нашей Галактики. Возраст первичного космического излуче­ния, т.е. время, прошедшее от возникновения частиц до поступ­ления их в земную атмосферу, был рассчитан по находящимся в его составе радионуклидам – ¹⁰Ве и ³⁶С1 – и имел величину от 2,5- 10⁶ до 33- 10⁶ лет (Лаврухина, 1972). Интенсивность потока галактического излучения составляет 2–4 частицы/(см² • с). Ис­следования радионуклидов в метеоритах показали, что плотность потока галактического излучения с точностью до двух раз оста­валась постоянной в течение последнего миллиарда лет. Однако в пределах этого интервала имеются циклические вариации.

Солнечное космическое излучение с энергией E_c≤400МэВ (1–40 МэВ в период вспышек) имеет весьма большую интенсив­ность потока (10⁶–10⁸ частиц/(см² • с). Иногда при вспышках ис­пускаются частицы в несколько гигаэлектрон-вольт. Соотноше­ние галактической и солнечной компонент космического излуче­ния зависит от 11-летнего солнечного цикла. Плотность потока га­лактического излучения достигает минимума в период вспышек, когда солнечная компонента максимальна.

Плотность потока первичного космического излучения связа­на с геомагнитным полем. Поэтому она выше на полюсах, чем на экваторе.

Радионуклиды, образующиеся в результате ядерных реакций, индуцируемых космическими лучами, называются космогенными. Бомбардирующими частицами служат частицы первичного и вто­ричного космического излучения, мишенями – ядра атомов, входящих в состав атмосферного воздуха, прежде всего азот, кис­лород и аргон.

Примерно 70% космогенных радионуклидов образуется в верхних слоях атмосферы и лишь около 30% — в тропосфере. Последую­щее поведение космогенных радионуклидов обусловлено процес­сами обмена между стратосферой и тропосферой, перемещением воздушных масс в тропосфере, а также обменом между атмосфе­рой и другими геосферами. Космогенные радионуклиды, за ис­ключением благородных газов, после своего образования быстро окисляются. Радиоуглерод и тритий сохраняются в виде свобод­ных оксидов ¹Н³НО и ¹⁴СО₂. Остальные оксиды сорбируются на аэрозолях и удаляются из атмосферы при конденсации влаги и последующем вымывании из атмосферы осадками либо за счет гравитационного «сухого» осаждения. Тритий поступает из ат­мосферы с осадками. Космогенные ¹⁴СО₂, изотопы Аr, Кr и Хе покидают атмосферу значительно медленнее, путем молекуляр­ного обмена на границе атмосферы и гидросферы. Представле­ние о скорости образования космогенных радионуклидов и рас­пределении между основными обменными резервуарами Зем­ли могут дать лишь цифры, полученные до начала ядерных ис­пытаний в атмосфере (табл. 1.4). Ядерные взрывы резко повыси­ли концентрацию радионуклидов в атмосфере.

Для включившихся в биологический цикл космогенных радионукли­дов характерны определенные равновесные концентрации в живых орга­низмах.

Углерод-14. Радиоактивный изотоп углерода ¹⁴С образуется в основном в верхних слоях земной атмосферы под действием быстрых нейтронов на природ­ный азот по реакции ¹⁴N(n,p)¹⁴C. Ядра ¹⁴С распадаются с испусканием р-частиц с максимальной энергией 156 кэВ. Период полураспада углеро­да-14 равен 5730 ± 30 лет.

В атмосфере образуется 3,4·10²⁶ атомов ¹⁴С в год. Между его образо­ванием и распадом всегда существовало равновесие, благодаря которому постоянно поддерживалась удельная активность углерода, свойственная живой материи. В смеси природных изотопов углерода на долю ¹⁴С при­ходится 1,8· 10 ^-10 %, что соответствует 0,23 Бк/г. В живых организмах происходят процессы обмена веществ, благодаря которым поддерживается равновесная концентрация ¹⁴С.

Бериллий -7 и бериллий -10. ⁷Ве образуется в атмосфере под действием быстрых протонов по реак­ции ¹⁴N(p,2α)⁷Be. Скорость его образования в воздушном столбе с пло­щадью основания 1 см² составляет ~3000 атомов/сут. Его концентрация в приземном слое воздуха составляет в среднем 12 атомов/л воздуха. Он входит в состав соединений ВеО и Ве(ОН)₂. Эти молекулы диффундируют в атмосфере до тех пор, пока не сорбируются аэрозольными частицами или захватываются дождевыми каплями.

Средняя удельная активность ⁷Ве в дождевой воде равна 0,7 Бк/л. Удельная активность снега составляет примерно 0,2 Бк/л талой воды.

Бериллий-10 образуется в основном в стратосфере по реакции скалы­вания из ядер кислорода [3]. Скорость образования ядер ¹⁰Ве в стратосфе­ре 0,08 ат/(см²·с). Бериллий-10 относится к долгоживущим радионуклидам, его

период полураспада равен 1,6·10⁶ лет, он испускает β-излучение с максимальной энергией 550 кэВ.

Среднее время пребывания ¹⁰Ве в атмосфере составляет примерно 1 год [1]. На поверхность Земли он поступает с осадками. Выпадение ¹⁰Ве неравномерно по широте, наибольшее количество выпадает в средних широтах. В северном полушарии наибольшие концентрации бериллия-10 в дождевой воде приходятся на период с середины мая до середины авгу­ста, а минимальные — с октября до середины января.

Удельная активность ¹⁰Ве в почвах очень низка, что затрудняет его определение. В океане разбавление ядрами ⁹Ве происходит в меньшей степени и удельная активность ¹⁰Ве в донных осадках океана выше, чем в почвах. Для определения возраста по ¹⁰Ве измеряют атомное отношение ¹⁰Ве/⁹Ве. В океан ¹⁰Ве поступает в основном из атмосферы, а ⁹Ве прино­сится реками и с эоловой взвесью (пылью). ¹⁰Ве может поступать и с суши в растворенной и взвешенной формах. В океане основная часть ¹⁰Ве на­капливается в прибрежных регионах, и только сравнительно небольшая доля поступает в открытый океан.

11. Понятие об ядерных реакциях.

Ядерной реакцией называется процесс, начинающийся столкновением двух микрочастиц и идущий с участием сильных взаимодействий. В узком смысле это процесс, происходящий в результате столкновения простой или сложной микрочастицы с ядром. В этих условиях ядро называют ядром-мишенью. Запись ядерной реакции аналогична записи химической реакции. Общий вид ядерной реакции: а₁+ а₂>> b₁+b₂…b_i ’ где а₁,а2, — частицы, вступающие в реакцию; b₁,b₂— частицы, возникающие в результате ядерной реакции.

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке азота воздуха альфа- частицами:

Часто пользуются сокращенной записью:

где в скобках через запятую даются бомбардирующие и образующиеся частицы, а за скобками — ядро-мишень (слева) и ядро-продукт (справа).

В физике ядерных реакций важное значение имеют законы сохранения: электрического заряда, энергии и импульса, момента количества движения и др.

Количественной характеристикой элементарного акта столкновения является эффективное сечение ядерной реакции, которое не зависит ни от потока налетающих частиц, ни от числа частиц мишени. Физический смысл эффективного сечения — площадь поперечного сечения эффективного объема вокруг мишени, при попадании в который бомбардирующая частица должна вызвать ядерную реакцию. Единица эффективного сечения о — барн (б): 1б = 1 *10^-24 см² на ядро. Величина эффективного сечения зависит от типа бомбардирующей частицы, ее энергии, свойств мишени. В качестве примера в табл. 7.1 приведены эффективные сечения для реакций (п, у) на тепловых (Еп = 0,025 эВ) нейтронах. Так, если для кислорода вероятность возникновения реакции описывается величиной 0,2*10 ^-3 б, то для ¹¹³Сd она равна 19 500 б.

Ядерные реакции классифицируют в зависимости от типа бомбардирующих частиц на реакции под действием нейтронов, заряженных частиц и гамма-фотонов (фотоядерные реакции).

В зависимости от энергии воздействующих на ядро частиц различают ядерные реакции при малых, средних и высоких энергиях. Реакции при малых энергиях (примерно до нескольких электрон-вольт) происходят в основном при участии нейтронов. Реакции под действием заряженных частиц в этом случае возникнуть не могут, так как в отличие от нейтронов подобные частицы должны преодолеть сильное электрическое поле атома 158

(кулоновский барьер). Реакции при средних энергиях (до нескольких МэВ) и высоких энергиях могут быть вызваны нейтронами, заряженными частицами и фотонами.

Характер продуктов реакции определяется полным количеством энергии, приобретенной ядром, и природой ядра-мишени. Если энергия, полученная ядром при бомбардировке, недостаточна для испускания нуклона, то часть этой энергии (или вся энергия) будет отдана ядром в виде у-излучения. Такие реакции называются радиационным захватом и часто возникают под действием нейтронов малых энергий (п, у). При средних энергиях могут испускаться нейтроны, протоны, а-частицы, дейтроны, иногда некоторые другие частицы. Испускание нейтронов при сравнительно небольших энергиях реакции — наиболее вероятный процесс, так как для нейтронов не существует кулоновского барьера. Это в особенности относится к тяжелым ядрам, где барьер наиболее высок. Для легких ядер, кулоновский барьер которых сравнительно мал, возможно также испускание а-частиц и протонов. Другие частицы испускаются ядрами при более высоких энергиях. Таким образом, в зависимости от энергии бомбардирующих частиц реакция может идти несколькими конкурирующими путями. Примером может служить бомбардировка фтора нейтронами:

При бомбардировке тяжелых ядер нейтронами может происходить деление ядер. Образуется два ядра-осколка неравной величины и несколько нейтронов. Как правило, продукты деления являются радиоактивными изотопами элементов средней части таблицы Менделеева.