Введение
Радиоактивность, естественно присутствующая в Земле Радиоактивность окружающей среды производится радиоактивными материалами в окружающей среде человека. В то время как некоторые радиоизотопы, такие как стронций 90 (90Sr) и техноций 99 (99Tc), встречаются на Земле только в результате деятельности человека, а некоторые, такие как калий 40 (40K), присутствуют только в результате естественных процессов, несколько изотопов, например тритий (3H), являются результатом как естественных процессов, так и деятельности человека. Концентрация и расположение некоторых природных изотопов, в частности урана 238 (238U), могут быть затронуты деятельностью человека.
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.
Фонный уровень в почвах
Радиоактивность присутствует повсюду, и была с момента образования Земли. Природная радиоактивность, обнаруженная в почве, в основном связана со следующими четырьмя природными радиоизотопами: 40K, 226Ra, 238U и 232Th. В одном килограме почвы калий 40 составляет в среднем 370 Bq излучения, с типичным диапазоном 100700 Bq; другие каждый способствует около 25 Bq, с типичными диапазонами 1050 Bq (750 Bq для 232Th). Некоторые почвы могут сильно отличаться от этих норм.
Морской и речной шлам
Недавний отчет о реке Саве в Сербии предполагает, что многие речные шлаки содержат около 100 Bq kg-1 природных радиоизотопов (226Ra, 232Th и 238U). Согласно данным Организации Объединенных Наций, нормальная концентрация урана в почве колеблется от 300 мкг кг-1 до 11,7 мг кг-1. Хорошо известно, что некоторые растения, называемые гипераккумуляторами, способны поглощать и концентрировать металлы в своих тканях; йод был впервые выделен из морских водорослей во Франции, что предполагает, что морские водоросли являются гипераккумуляторами йода. Синтетические радиоизотопы также могут быть обнаружены в илах. Басби цитирует доклад о активности плутония в валлийских межприливных отложениях Гарланда и др. (1989), согласно которому, чем ближе место расположения к Селлафилд, тем выше концентрация плутония в илах. Некоторая связь между расстоянием и активностью может быть замечена в их данных, когда они приспособлены к экспоненциальной кривой, но рассеяние точек велико (R2 = 0,3683).
Искусственный
Дополнительную радиоактивность в биосфере, вызванную деятельностью человека вследствие выбросов радиоактивности, произведенной человеком, и естественно встречающихся радиоактивных материалов (НОРМ), можно разделить на несколько классов. Обычные разрешенные выбросы, которые происходят во время обычной работы установки или процесса, обрабатывающего радиоактивные материалы, произведенные человеком. Например, выброс 99Tc из отдела ядерной медицины больницы, который происходит, когда человек, получающий Tc-образительное средство, выделяет агент. Выбросы радиоактивных материалов, произведенных человеком, которые происходят во время промышленной или исследовательской аварии. Например, Чернобыльская авария. Выбросы, которые происходят в результате военной деятельности. Например, испытание ядерного оружия. Освобождения, которые происходят в результате преступления. Например, в случае с аварией в Гоянии, когда воры, не зная о радиоактивном содержании, украли медицинское оборудование, в результате чего несколько человек подверглись воздействию радиации. Выбросы радиоактивных материалов, встречающихся в природе (NORM), в результате добычи полезных ископаемых и т.д. Например, выброс следовых количеств урана и тория в угле, когда он сжигается на электростанциях.
Сельское хозяйство и передача на человека отложенной радиоактивности
То, что радиоизотоп попадает на поверхность почвы, не означает, что он попадает в пищевую цепь человека. После выброса в окружающую среду радиоактивные материалы могут достигать людей по разным маршрутам, и химический состав элемента обычно диктует наиболее вероятный путь.
Тест на Троицу
Один из источников радиоактивности, созданных человеком, - это испытания ядерного оружия. Стеклянный тринитит, созданный первой атомной бомбой, содержит радиоизотопы, образованные активацией нейтронов и ядерным делением. Кроме того, присутствуют некоторые природные радиоизотопы. Недавняя статья сообщает о уровнях долгоживущих радиоизотопов в тринитите. Тринитит образовался из фельдспара и кварца, которые были расплавлены при нагревании. Были использованы два образца тринитита, первый (левые боковые столбики на графике) был взят на расстоянии от 40 до 65 метров от нулевой точки, а другой образец был взят дальше от нулевой точки. 152Eu (период полураспада 13,54 года) и 154Eu (период полураспада 8,59 года) образовались в основном в результате нейтронной активации европия в почве, очевидно, что уровень радиоактивности для этих изотопов является самым высоким, где доза нейтронов в почве была больше. Часть 60Co (период полураспада 5,27 года) образуется при активации кобальта в почве, но часть также была получена при активации кобальта в стальной башне (100 футов). Этот 60Co из башни был бы рассеян по всей площадке, уменьшая разницу в уровнях почвы. 133Ba (период полураспада 10,5 года) и 241Am (период полураспада 432,6 года) обусловлены нейтронной активацией бария и плутония внутри бомбы. Барий присутствовал в виде нитрата в химических взрывчатых веществах, в то время как плутоний был расщепляющимся топливом. Уровень 137Cs выше в образце, который был дальше от нулевой точки это, как полагают, происходит потому, что предшественники 137Cs (137I и 137Xe) и, в меньшей степени, сам цезий являются летучими. Природные радиоизотопы в стекле примерно одинаковы в обоих местах.
Продукты активации
Действие нейтронов на стабильные изотопы может образовывать радиоизотопы, например, нейтронная бомбардировка (активация нейтронов) азота 14 образует углерод 14. Этот радиоизотоп может быть выпущен из ядерного топливного цикла; это радиоизотоп, ответственный за большую часть дозы, испытываемой населением в результате деятельности атомной энергетики. Испытания ядерной бомбы увеличили специфическую активность углерода, тогда как использование ископаемого топлива уменьшило ее. Подробнее см. в статье о радиоуглеродном датировании.
Продукты расщепления
Выбросы из атомных электростанций в рамках ядерного топливного цикла вводят продукты деления в окружающую среду. Выбросы от ядерных установок переработки, как правило, представляют собой радиоизотопы среднего и длительного срока жизни; это связано с тем, что ядерное топливо охлаждается в течение нескольких лет, прежде чем растворяться в азотной кислоте. Выбросы от аварий на ядерных реакторах и взрывов бомб будут содержать большее количество радиоизотопов с коротким сроком жизни (когда количества выражены в активности Bq)).
Недолговечный
Примером короткоживущего продукта деления является йод 131, который также может быть сформирован как продукт активации нейтроновой активацией теллура. Как в результате облучения бомбы, так и в результате аварии энергетического реактора, изотопы с коротким сроком жизни вызывают дозу в первый день, которая намного выше, чем та, которая будет испытываться на том же месте много дней спустя. Это верно даже в том случае, если не предпринимаются попытки дезактивации. На графиках ниже показаны общая частота гамма-дозы и доля дозы, вызванная каждым основным изотопом, выделенным в результате аварии на Чернобыльской АЭС.
Средняя продолжительность жизни
Примером средней продолжительности жизни является 137Cs, который имеет период полураспада 30 лет. Цезий выделяется в результате облучения бомбы и из ядерного топливного цикла. Была написана статья о радиоактивности устриц, найденных в Ирландском море, которые были обнаружены гамма-спектроскопией, содержащие 141Ce, 144Ce, 103Ru, 106Ru, 137Cs, 95Zr и 95Nb. Кроме того, был обнаружен продукт активации цинка (65Zn), что, как полагают, связано с коррозией магнокс топливных облицовок в охлаждающих прудах. Концентрация всех этих изотопов в Ирландском море, связанная с ядерными установками, такими как Sellafield, значительно снизилась в последние десятилетия. Важной частью выброса в Чернобыле был цезий 137, этот изотоп отвечает за большую часть долгосрочного (по крайней мере, один год после пожара) внешнего воздействия, которое произошло на объекте. Изотопы цезия в осадках повлияли на сельское хозяйство. Большое количество цезия было выпущено во время аварии в Гоянии, где был украден радиоактивный источник (сделанный для медицинского использования), а затем разбился во время попытки превратить его в металлолом. Авария могла быть предотвращена на нескольких этапах: во-первых, последние законные владельцы источника не позаботились о том, чтобы источник был хранится в безопасном месте; во-вторых, рабочие по металлургическому отбору, которые его взяли, не распознали маркировки, указывающие на то, что это был радиоактивный объект. Судек и др. В 2006 году сообщалось о поглощении 90Sr и 137Cs подсолнечником, выращенным в гидропонных условиях. Цезий был обнаружен в венах листьев, в стебле и в устьевых листьях. Было обнаружено, что 12% цезия попало на завод, и 20% стронция. В этой статье также приводятся подробности о влиянии ионов калия, аммиака и кальция на поглощение радиоизотопов. Цезий прочно связывается с глиняными минералами, такими как иллит и монтмориллион; поэтому он остается в верхних слоях почвы, где к нему могут получить доступ растения с мелкими корнями (такие как трава). Следовательно, трава и грибы могут содержать значительное количество 137Cs, которое может передаваться человеку через пищевую цепь. Одной из лучших мер в молочном животноводстве против 137Cs является смешивание почвы путем глубокого оползни. Это приводит к тому, что 137Cs оказываются вне досягаемости мелких корней травы, поэтому уровень радиоактивности в траве будет снижен. Кроме того, после ядерной войны или серьезной аварии, удаление верхних нескольких сантиметров почвы и ее захоронение в мелководье уменьшит долгосрочную дозу гамма для людей из-за 137Cs, поскольку гамма-фотоны будут ослаблены их прохождением через почву. Чем дальше от людей и глубже траншея, тем лучше степень защиты, которая будет предоставлена человеческому населению. В животноводстве важной мерой против 137Cs является кормление животных немного прусского синего. Это соединение цианистого калия железа действует как ионный обменник. Цианид так прочно соединен с железом, что человеку безопасно есть несколько граммов прусского синего в день. Прусский синий уменьшает биологический период полураспада (не путать с ядерным периодом полураспада) цезия). Физический или ядерный период полувыведения 137Cs составляет около 30 лет, что является постоянным и не может быть изменено; однако биологический период полувыведения будет меняться в зависимости от природы и привычек организма, для которого он выражен. У цезия у человека обычно биологический период полураспада составляет от одного до четырех месяцев. Дополнительным преимуществом прусского синего является то, что цезий, который извлекается из животного в экскрементах, находится в форме, которая не доступна растениям. Таким образом, он препятствует переработке цезия. Форма прусского синего, необходимая для лечения людей или животных, является специальным классом. Попытки использовать пигмент, используемый в красках, не увенчались успехом.
Долго жил .
Примеры долгоживущих изотопов включают йод 129 и Tc 99, которые имеют ядерный период полураспада 15 миллионов и 200 000 лет соответственно.
Плутоний и другие актиниды
В популярной культуре плутоний считается главной угрозой жизни и конечностям, что неверно; в то время как потребление плутония, вероятно, не полезно для здоровья, другие радиоизотопы, такие как радий, более токсичны для людей. В любом случае, по возможности следует избегать введения в окружающую среду трансурановых элементов, таких как плутоний. В настоящее время деятельность отрасли ядерной переработки является предметом больших дебатов, поскольку один из опасений противников отрасли заключается в том, что большие количества плутония будут либо неправильно управляться, либо выброшены в окружающую среду. В прошлом одним из крупнейших выбросов плутония в окружающую среду были испытания ядерной бомбы. Эти испытания в воздухе рассеяли немного плутония по всему земному шару; это большое разбавление плутония привело к тому, что угроза для каждого подверженного воздействию человека была очень маленькой, так как каждый человек подвергается воздействию только очень маленького количества. Подземные испытания, как правило, образуют расплавленную породу, которая быстро охлаждается и запечатывает актиноиды в породе, что делает их неспособными к перемещению; опять же, угроза для людей мала, если место испытания не будет вырыто. Испытания безопасности, в которых бомбы подвергались имитации аварий, представляют наибольшую угрозу для людей; некоторые участки земли, используемые для таких экспериментов (проводимых на открытом воздухе), не были полностью освобождены для общего использования, несмотря на то, что в одном случае была проведена обширная дезактивация.
Продукты активации космических лучей
Космогенные изотопы (или космогенные нуклиды) - редкие изотопы, создаваемые при взаимодействии высокоэнергетического космического луча с ядром атома in situ. Эти изотопы образуются в земных материалах, таких как камни или почва, в атмосфере Земли и в внеземных объектах, таких как метеориты. Измеряя космогенные изотопы, ученые могут получить представление о ряде геологических и астрономических процессов. Существуют как радиоактивные, так и стабильные космогенные изотопы. Некоторые из этих радиоизотопов - тритий, углерод 14 и фосфор 32.
Перевод на землю
Уровень бериллия 7 в воздухе связан с циклом солнечных пятен, поскольку излучение от Солнца образует этот радиоизотоп в атмосфере. Скорость его переноса из воздуха на землю частично зависит от погоды.
Применения в геологии, перечисленные по изотопам
+ Обычно измеряемые долгоживущие космогенные изотопы элемента масса полужизнь (год) типичное применение гелий 3 стабильная экспозиция датирование оливиновых несущих пород бериллий 10 1,36 млн экспозиция датирование кварцевых несущих пород, осадок, датирование ледяных ядер, измерение скорости эрозии углерод 14 5,730 датирование органического вещества, водяной неон 21 стабильная датировка очень стабильных, долго подвергающихся воздействию поверхностей, включая метеориты алюминий 26 720,000 экспозиция датирования пород, хлор в осадочных пород 36 308,000 экспозиция пород, следопытный элемент подземных вод кальций 41 103,000 экспозиция датирования карбонатных пород йод 129 15,7 млн следопытный элемент подземных вод
Методы измерения долгоживущих изотопов
Для измерения космогенных изотопов, образующихся в твердых земных материалах, таких как порода, образцы обычно сначала подвергаются процессу механического разделения. Образец измельчают, а желательный материал, например, определенный минерал (кварц в случае Be 10), отделяют от нежелательного материала с помощью разделения по плотности в тяжелой жидкой среде, такой как литий-натриевый вольфрам (LST). Затем образец растворяют, добавляют обычный носитель изотопа (носитель Be 9 в случае Be 10) и очищают водный раствор до оксида или другого чистого твердого вещества. Наконец, отношение редкого космогенного изотопа к общему изотопу измеряется с помощью ускорительной масс-спектрометрии. Затем исходная концентрация космогенного изотопа в образце рассчитывается с использованием измеренного изотопного соотношения, массы образца и массы носителя, добавленного к образцу.
Радий и радон от распада долгоживущих актиноидов
Радий и радоны есть в окружающей среде, потому что они являются продуктами распада урана и тория. Радон (222Rn), выделяемый в воздух, распадается на 210Pb и другие радиоизотопы, и уровни 210Pb могут быть измерены. Скорость осаждения этого радиоизотопа зависит от погоды. Ниже приведен график показателей осаждения, наблюдаемый в Японии.
Датирование ураном-свинцом
Уран свинцовое датирование обычно выполняется на минерале циркон (ZrSiO4), хотя могут быть использованы и другие материалы. Циркон включает атомы урана в свою кристаллическую структуру в качестве заменителей циркония, но сильно отклоняет свинец. Он обладает высокой температурой блокировки, устойчив к механическому выветриванию и химически инертен. Циркон также образует несколько кристаллических слоев во время метаморфических событий, каждый из которых может записывать изотопный возраст события. Их можно датировать ионным микрозондом SHRIMP. Одним из преимуществ этого метода является то, что любой образец обеспечивает два часа, один основанный на распад урана 235 в свинец 207 с периодом полураспада около 703 миллионов лет, а другой основанный на распад урана 238 в свинец 206 с периодом полураспада около 4,5 миллиардов лет, обеспечивая встроенную перекрестную проверку, которая позволяет точно определить возраст образца, даже если часть свинца была потеряна.
Ссылки о датировании космогенными изотопами
Госс, Джон С. и Филлипс, Фред М. (2001). "Земные космогенные нуклиды in situ: теория и применение". Четверточные научные обзоры 20, 14751560. Гренджер, Даррил Э., Фабел, Дерек и Палмер, Артур Н. (2001). "Плиоценовый плейстоценовый разрез в Грин-Ривер, Кентукки, определенный из радиоактивного распада космогенных 26Al и 10Be в осадках пещеры Мамонта". Геологическое общество Америки Бюллетень 113 (7), 825-836.