Кіріспе
Табиғи түрде Жер бетінде бар радиоактивтілік Қоршаған ортаның радиоактивтілігі адам қоршаған ортасындағы радиоактивті материалдар арқылы пайда болады. Кейбір радиоизотоптар, мысалы, стронций 90 (90Sr) және техноций 99 (99Tc), Жерде тек адам әрекеті нәтижесінде кездеседі, ал кейбіреулері, мысалы, калий 40 (40K), тек табиғи процестерге байланысты болады, ал кейбір изотоптар, мысалы, тритий (3H), табиғи процестер мен адам әрекеті нәтижесінде пайда болады. Кейбір табиғи изотоптардың, әсіресе уран 238 (238U) концентрациясы мен орналасуына адам әрекеті әсер етуі мүмкін.
Environmental radioactivity is produced by radioactive materials in the human environment. While some radioisotopes, such as strontium 90 (90Sr) and technetium 99 (99Tc), are only found on Earth as a result of human activity, and some, like potassium 40 (40K), are only present due to natural processes, a few isotopes, e. g. tritium (3H), result from both natural processes and human activities. The concentration and location of some natural isotopes, particularly uranium 238 (238U), can be affected by human activity.
Топырақтағы фондық деңгей
Радиоактивтілік барлық жерде бар, және Жердің пайда болуынан бері бар. Топырақтағы табиғи радиоактивтілік негізінен мынадай төрт табиғи радиоизотоптан тұрады: 40K, 226Ra, 238U және 232Th. Бір килограмм топырақта калий 40 орташа есеппен 370 Bq сәулеленуді құрайды, оның типтік диапазоны 100700 Bq; қалғандарының әрқайсысы 25 Bq-ға жуық, типтік диапазоны 1050 Bq (232Th үшін 750 Bq). Кейбір топырақтар осы нормалардан едәуір өзгеше болуы мүмкін.
Теңіз және өзен шламы
Сербиядағы Сава өзенінің жақында шыққан есебі өзеннің көптеген шлактарында шамамен 100 Bq kg−1 табиғи радиоизотоптар бар екенін көрсетеді (226Ra, 232Th және 238U). Біріккен Ұлттар Ұйымының мәліметтері бойынша топырақтағы уранның қалыпты концентрациясы 300 мкг кг-1 мен 11,7 мг кг-1 аралығында болады. Гипераккумулятор деп аталатын кейбір өсімдіктердің тіндерінде металдарды сіңіріп, шоғырландыра алатыны белгілі; Иод алғаш рет Францияда теңіз балдырларынан оқшауланды, бұл теңіз балдырлары иодты гипераккумулятор екенін көрсетеді. Синтетикалық радиоизотоптар да шлакта анықталады. Басби Гарланд және басқалардың Уэльстің су аралық шөгінділеріндегі плутоний белсенділігі туралы баяндамасын келтіреді. (1989), бұл жер Селлафилдке неғұрлым жақын болса, онда плутонийдің концентрациясы соғұрлым жоғары болады. Олардың деректері экспоненциалдық қисыққа сәйкес келетін болса, қашықтық пен белсенділік арасындағы кейбір байланысты көруге болады, бірақ нүктелердің шашырауы үлкен (R2 = 0,3683).
Адам жасаған
Адамның әрекетімен биосферада пайда болған қосымша радиоактивтілікті адам жасаған радиоактивтілік пен табиғи радиоактивті материалдардың (NORM) шығарылуынан туындаған радиоактивтілікті бірнеше сыныпқа бөлуге болады. Адам жасаған радиоактивті материалдарды өңдейтін зауыт немесе процесс бойынша тұрақты жұмыс кезінде рұқсат етілген нормальды шығарылымдар. Мысалы, аурухананың ядролық медицина бөлімінен 99Tc шығарылуы, Tc бейнелеу агенті берілген адам агентті шығарып салғанда пайда болады. Өнеркәсіптік немесе ғылыми-зерттеу апаты кезінде пайда болатын радиоактивті материалдардың адам жасаған шығарылуы. Мысалы, Чернобыль апаты. Әскери қызметтің нәтижесінде пайда болатын шығарындылар. Мысалы, ядролық қаруды сынақтан өткізу. Қылмыс нәтижесінде босатылғандар. Мысалы, Гояниядағы апат кезінде ұрылар радиоактивті заттардың бар екендігін білместен медициналық құралдарды ұрлап алып, нәтижесінде бірқатар адамдар радиацияға ұшырады. Табиғи радиоактивті материалдардың (NORM) тау-кен өндірісі нәтижесінде шығарылуы Мысалы, көмірдегі уран мен торийдің қалдық мөлшері электр станцияларында жанғанда бөлінеді.
Өсімдік шаруашылығы және адамдарға радиоактивті заттардың берілуі
Радиоизотоптың топырақ бетінде орналасуы оның адам ағзасының азық-түлік жүйесіне енетінін білдірмейді. Қоршаған ортаға шығарылғаннан кейін радиоактивті материалдар адамдарға әр түрлі жолдармен жетуі мүмкін, ал элементтің химиясы әдетте ең ықтимал жолды таңдайды.
Үштік сынағы
Адамның радиоактивтілігінен шығатын бір таңқаларлық дерек ядролық қаруды сынақтан өткізу болып табылады. Бірінші атом бомбасында пайда болған шыны тәрізді тринит радиоизотоптар бар, олар нейтрондық активтелу және ядролық бөліну нәтижесінде пайда болады. Сонымен қатар кейбір табиғи радиоизотоптар бар. Жақында шыққан газетте триниттегі ұзақ өмір сүретін радиоизотоптардың деңгейі туралы айтылған. Тринитит - ыстықтан балқыған фельдспат пен кварцтан пайда болған. Тринититтің екі үлгісі қолданылды, біріншісі (графикадағы сол жақ жақ штрихтер) нөлдік нүктеден 40 пен 65 метр аралығында алынды, ал екінші үлгі нөлдік нүктеден алысырақ алынды. 152Eu (жартылай ыдырау мерзімі 13,54 жыл) және 154Eu (жартылай ыдырау мерзімі 8,59 жыл) негізінен топырақтағы европийдің нейтрондық белсендірілуімен қалыптасқан, бұл изотоптардың радиоактивтілік деңгейі топыраққа нейтрон дозасы үлкен болған жерде ең жоғары екені анық. 60Co-ның бір бөлігі (жартылай ыдырау мерзімі 5,27 жыл) топырақтағы кобальттың белсендірілуімен пайда болады, бірақ кейбіреулері де болаттан жасалған (100 фут) мұнарадағы кобальттың белсендірілуімен пайда болды. Мұнарадан алынған 60ооо жер бетіне шашырап, топырақ деңгейінің айырмашылығын азайтады. 133Ba (жартылай ыдырау мерзімі 10,5 жыл) және 241Am (жартылай ыдырау мерзімі 432,6 жыл) бомбаның ішіндегі барий мен плутонийдің нейтрондық белсендірілуінен пайда болады. Барий химиялық жарылғыш заттарда нитрат түрінде, ал плутоний бөлініп тұратын отын ретінде қолданылған. 137Cs деңгейі нөлдік нүктеден алыстаған үлгіде жоғары, өйткені 137Cs (137I және 137Xe) прекурсорлары және аздап цезийдің өзі ұшпақ. Екі жерде де шыныдағы табиғи радиоизотоптар шамамен бірдей.
Белсенділендіру өнімдері
Нейтрондардың тұрақты изотоптарға әсері радиоизотоптар құрауы мүмкін, мысалы, азот-14 нейтрондық бомбалау (нейтрондық белсендіру) көміртек-14 құрайды. Бұл радиоизотоп ядролық отын циклынан шығарылуы мүмкін; бұл радиоизотоп ядролық энергетика өнеркәсібінің қызметі нәтижесінде халықты қабылдап жатқан дозаның көпшілігіне жауапты. Ядролық бомба сынақтары көміртегінің ерекше белсенділігін арттырды, ал табиғи отынның қолданылуы оны азайтты. Қосымша мәліметтерді радиоуглеродтық даталау мақаласынан қараңыз.
Бөліну өнімдері
Ядролық отын циклындағы ядролық қондырғылардан шығатын заттар қоршаған ортаға бөліну өнімдерін енгізеді. Ядролық қайта өңдеу зауыттарынан шығатын заттар орташа және ұзақ өмір сүретін радиоизотоптар болып табылады; себебі ядролық отын азот қышқылында ерігенге дейін бірнеше жыл бойы салқындауға мүмкіндік береді. Ядролық реакторлардың апаттары мен бомба жарылыстарының шығарындыларында қысқа өмір сүретін радиоизотоптардың мөлшері көбірек болады (егер мөлшері белсенділік Bq түрінде көрсетілсе).
Қысқа өмір сүрген
Қысқа өмір сүретін бөлшектену өнімінің мысалы - йод 131, ол сондай-ақ теллурдің нейтрондық белсендірілуі арқылы активация өнімдері ретінде қалыптаса алады. Бомбаның жаууы мен қуат реакторының апатынан шыққанда, қысқа өмір сүретін изотоптар бірінші күні дозаның мөлшерін бірнеше күннен кейін сол жерде кездесетін дозадан әлдеқайда жоғары етеді. Бұл, тіпті, залалсыздандыруға тырыспаса да, дұрыс. Төмендегі графиктерде жалпы гамма дозасы және Чернобыль апатынан шыққан әрбір негізгі изотопқа байланысты дозаның үлесі көрсетілген.
Орташа өмір сүру ұзақтығы
Орташа өмір сүрудің мысалы - 137Cs, оның жартылай жойылу мерзімі 30 жыл. Цезий бомбаның жауын-шашыннан және ядролық отынның циклынан шығарылады. Ирланд теңізінен табылған балдырларда радиоактивтілік туралы мақала жазылды, олар гамма-спектроскопия арқылы 141Ce, 144Ce, 103Ru, 106Ru, 137Cs, 95Zr және 95Nb құрамында екендігі анықталды. Сонымен қатар, мырыш активтеу өнімі (65Zn) табылды, бұл салқындату тоғандарында магнокс отын жамылғысының коррозиясына байланысты деп есептеледі. Соңғы онжылдықта Ирландия теңізіндегі осы изотоптардың барлығы Sellafield сияқты ядролық қондырғыларға байланысты концентрациясы айтарлықтай төмендеді. Чернобыльдегі жарылыстың маңызды бөлігі цезий-137 болды, бұл изотоп ұзақ мерзімді (кем дегенде өрттен кейін бір жыл) сыртқы әсердің көп бөлігін болды. Сейзий изотоптары жер астындағы жауын-шашынның әсерінен ауыл шаруашылығына әсер етті. Гояния апаты кезінде үлкен мөлшерде цезий шығарылды, онда радиоактивті көз (медициналық мақсатта жасалған) ұрланып, содан кейін оны металл сынығына айналдыру әрекеті кезінде жарылды. Апат бірнеше кезеңде тоқтатылуы мүмкін еді: біріншіден, көздің соңғы заңды иелері көзді қауіпсіз және қауіпсіз жерде сақтау үшін шаралар қабылдамады; екіншісі, оны алған металл қалдықтары жұмысшылары радиоактивті затты білдіретін таңбаларды танымады. Soudek және басқалар. 2006 жылы гидропоника жағдайында өсірілген күнбағыс өнімдерінің 90Sr және 137Cs қоректенуін сипаттаған мәліметтер жарияланды. Цезий жапырақ тамырларында, сабақта және жапырақтардың ұшында табылған. Бұл кезде цезийдің 12% -ы зауытқа, стронцийдің 20% -ы зауытқа кіргені анықталды. Бұл мақалада сондай-ақ калий, аммоний және кальций иондарының радиоизотоптарды қабылдауға әсері туралы егжей-тегжейлі баяндалады. Цезий иллит және монтмориллионт сияқты балшықты минералдарға қатты байланады; сондықтан ол топырақтың жоғарғы қабаттарында қалады, онда оны терең тамырлары жоқ өсімдіктер (мысалы, шөп) таба алады. Сондықтан шөп пен саңырауқұлақ 137Cs-тің едәуір мөлшерін алып жүреді, ол адам ағзасына азық-түлік тізбегі арқылы беріледі. Сүт шаруашылығындағы 137Cs-ке қарсы ең жақсы қарсы шаралардың бірі - топырақты терең аралау арқылы топырақты араластыру. Бұл 137Cs газонның терең емес тамырларына қол жеткізбейді, сондықтан газондағы радиоактивтілік деңгейі төмендейді. Сонымен қатар, ядролық соғыс немесе ауыр апаттан кейін топырақтың ең жоғарғы сантиметрлерін алып тастау және оны терең емес траншеяға көму 137Cs-тен адамзаттың ұзақ мерзімді гамма дозасын азайтады, өйткені гамма фотондары топырақ арқылы өту арқылы әлсірейді. Қазба адамдардан неғұрлым қашықта және терең болса, адам халқына соғұрлым жақсы қорғаныс беріледі. Мал шаруашылығында 137Cs-ке қарсы маңызды қарсы шара малға аздап прус көк түсті азық беру болып табылады. Бұл темір калий цианиді қосылысы ион алмастырғыш ретінде әрекет етеді. Цианид темірге қатты қосылғандықтан, адам күніне бірнеше грамм көк шөп жей алады. Пруссия көк түсі цезийдің биологиялық жартылай жойылу мерзімін (ядролық жартылай жойылу мерзімінмен шатастырмау керек) қысқартады. 137Cs физикалық немесе ядролық жартылай құрып кету мерзімі шамамен 30 жыл, ол тұрақты және өзгертілмейді; алайда биологиялық жартылай құрып кету мерзімі ол көрсетілген организмнің табиғаты мен әдетіне қарай өзгереді. Адамдағы цезийдің биологиялық жартылай жойылу мерзімі бір айдан төрт айға дейін. Пруссия көкінің қосымша артықшылығы - малдан алынған цезийдің өсімдіктерге қол жетімді емес формада болуы. Осылайша цезийдің қайта өңдеуіне жол бермейді. Пруссия көкінің адам мен жануарларды емдеу үшін қажетті түрі - арнайы сұрып. Бояуларға қолданылатын пигменттерді пайдаланудың әрекеті сәтті болмады.
Ұзақ өмір сүрген
Ұзақ өмір сүретін изотоптардың мысалдары ретінде иод-129 және Tc 99 жатады, олардың ядролық жартылай жойылу мерзімі тиісінше 15 миллион және 200 000 жыл.
Плутоний және басқа актинидтер
Халықтық мәдениетте плутонийді өмір мен дене мүшелеріне соңғы қауіп ретінде қарастырады, бұл дұрыс емес; плутонийді жұту адамның денсаулығына жақсы әсер етпеуі мүмкін, ал радий сияқты басқа радиоизотоптар адамдарға уытты. Қалай болғанда да, плутоний сияқты трансуран элементтерін қоршаған ортаға енгізуге мүмкіндігінше жол берілмеуі керек. Қазіргі уақытта ядролық қайта өңдеу өнеркәсібінің қызметі үлкен пікірталасқа ұшырады, өйткені өнеркәсіпке қарсылық білдірушілердің бір қорықуы - плутонийдің көп мөлшері дұрыс басқарылмайды немесе қоршаған ортаға шығарылады. Бұрынғы уақытта қоршаған ортаға плутонийді ең көп шығаратын жерлердің бірі ядролық бомбаларды сынақтан өткізу болды. Бұл сынақтар ауаға плутонийді бүкіл әлемге шашыратты. Бұл плутонийдің үлкен сұйытылуы әрбір адамға қауіп төндіреді, өйткені әр адам өте аз мөлшерде ғана әсер етеді. Жер астындағы сынақтар еріген жынысты қалыптастырады, ол тез суытылады және актинидтерді жынысқа бекітеді, сондықтан оларды қозғалта алмайды; сынақ орны қазылғанша, адамдарға қауіп аз. Адамдарға ең үлкен қауіп төндіретін бомбалардың қауіпсіздігін сынау, онда бомбалар ақаусыздықты симуляциялады; мұндай тәжірибелер үшін пайдаланылатын кейбір жерлер (ашық ауада жүргізілген) бір жағдайда кеңінен залалсыздандыруға қарамастан, жалпы пайдалану үшін толық босатылмаған.
Космикалық сәулелердің активтелу өнімдері
Космогендік изотоптар (немесе космогендік нуклидтер) - жоғары энергиялы ғарыш сәулесі инситу атомның ядросымен әрекеттескенде пайда болатын сирек изотоптар. Бұл изотоптар тау жыныстары мен топырақ сияқты жер материалдарында, Жер атмосферасында және метеориттер сияқты ғарыш нысандарында пайда болады. Космогендік изотоптарды өлшеу арқылы ғалымдар геологиялық және астрономиялық процестердің түрлерін анықтай алады. Радиоактивті және тұрақты космогенді изотоптар бар. Олардың кейбіреулері - тритий, көміртек 14 және фосфор 32.
Жерге көшіру
Ауадағы бериллий-7 деңгейі Күн нүктелерінің циклімен байланысты, өйткені Күн сәулесі атмосферада осы радиоизотопты қалыптастырады. Оның ауадан жерге таралу жылдамдығы ауа райына байланысты.
Изотоптар бойынша геологияда қолданылулары
+ Әдетте өлшенетін ұзақ өмір сүретін космогендік изотоптар элемент массасы жартылай өмір (жылдар) типтік қолдану гелий 3 оливинді тасты тау жыныстарының тұрақты экспозициясы бериллий 10 1,36 млн экспозиция кварцты тасты тау жыныстарының, шөгінділердің, мұз өзектерінің, эрозияның мөлшерлерін өлшеу көміртек 14 5,730 органикалық заттардың, судың неонының 21 тұрақты эрозиясы өте тұрақты, ұзақ уақыт ашық беттердің, соның ішінде метеориттердің алюминий 26 720,000 тасты тау жыныстарының экспозициясы, шөгінділер хлор 36 308,000 тасты тау жыныстарының экспозициясы, жер асты суларының трассирі кальций 41 103,000 карбонат тау жыныстарының экспозициясы йод 129 15,7 млн жер асты суларының трассирі
Ұзақ өмір сүретін изотоптарды өлшеу әдістері
Қатты жер материалдары, мысалы тау жынысы ішінде өндірілетін космогендік изотоптарды өлшеу үшін, әдетте, үлгілер алдымен механикалық бөлу процесіне өткізіледі. Үлгі ұнтақталады және қажетті материал, мысалы белгілі бір минерал (Be 10 жағдайында кварц) қатты сұйық ортада, мысалы литий-натрий вольфрамте (LST) тығыздықпен бөлу арқылы қажетті емес материалдан бөлінеді. Содан кейін үлгі ерітіліп, оған ортақ изотоп тасымалдаушы қосылады (Be 10 жағдайында Be 9 тасымалдаушы) және сулы ерітінді тотыққышқа немесе басқа таза қатты заттың түріне дейін тазартылады. Соңында сирек кездесетін космогендік изотоптың жалпы изотопқа қатынасы акселераторлық массалық спектрометрия арқылы өлшенеді. Космогендік изотоптың бастапқы концентрациясы өлшенген изотоптық қатынас, үлгі массасы және үлгіге қосылған тасымалдаушының массасы арқылы есептеледі.
Ұзақ өмір сүретін актинидтердің ыдырауынан алынған радий мен радон
Радий мен радон қоршаған ортада, өйткені олар уран мен торийдің ыдырауының өнімдері болып табылады. Ауаға шығарылған радон (222Rn) 210Pb және басқа радиоизотоптарға ыдырайды, ал 210Pb деңгейін өлшеуге болады. Бұл радиоизотоптың пайда болу қарқыны ауа райына байланысты. Төменде Жапонияда байқалған жиналу деңгейінің графигі берілген.
Уран-қорышты даталау
Уранмен қорғасынның даталануы әдетте минералдық циркон (ZrSiO4) бойынша жүргізіледі, бірақ басқа материалдар да қолданылуы мүмкін. Циркон цирконийдің орнына кристалл құрылымына уран атомдарын енгізеді, бірақ қорғасынды қатты қабылдамайды. Ол жоғары блоктау температурасына ие, механикалық ауа райына төзімді және химиялық инерт. Циркон метаморфтық оқиғалар кезінде бірнеше кристалл қабаттарын да қалыптастырады, олардың әрқайсысы оқиғаның изотоптық жасын тіркей алады. Бұларды SHRIMP иондық микрозондымен даталауға болады. Бұл әдістің артықшылықтарының бірі - кез келген үлгіде екі сағат бар, біреуі уранның 235 ыдырауына негізделген, ол шамамен 703 миллион жыл жартылай ыдырау мерзімімен 207 қорғасынға дейін, ал екіншісі уранның 238 ыдырауына негізделген, ол шамамен 4,5 миллиард жыл жартылай ыдырау мерзімімен 206 қорғасынға дейін, бұл үлгідегі қорғасынның бір бөлігі жоғалған жағдайда да, оның жасын дәл анықтауға мүмкіндік беретін, ішкі тексеруді қамтамасыз етеді.
Космогендік изотоптық даталау туралы анықтама
Госс, Джон С. және Филлипс, Фред М. (2001). "Жердегі космогендік нуклидтер: теория және қолдану". Төртіншілік ғылым шолулары 20, 14751560. Гренджер, Даррил Е., Фабел, Дерек және Палмер, Артур Н. (2001). "Кентукки штатындағы Грин-Ривердің плейстоцендік плейстоцендік кесіндісі, Мамонт үңгіріндегі шөгінділердегі космогендік 26Al және 10Be радиоактивті ыдырауынан анықталды". Америка геологиялық қоғамының бюллетені 113 (7), 825-836.