Radioaktywność środowiska
| Część serii o |
| zanieczyszczeniu |
|---|
|
Promieniotwórczość środowiskowa jest wytwarzana przez materiały radioaktywne w środowisku człowieka . Podczas gdy niektóre radioizotopy , takie jak stront-90 ( 90 Sr) i technet-99 ( 99 Tc), występują na Ziemi tylko w wyniku działalności człowieka, a niektóre, jak potas-40 ( 40 K), są obecne tylko dzięki do procesów naturalnych, kilka izotopów, np. tryt ( 3H ), powstaje zarówno w wyniku procesów naturalnych, jak i działalności człowieka. Na stężenie i lokalizację niektórych naturalnych izotopów, zwłaszcza uranu-238 ( 238 U), może wpływać działalność człowieka.
Poziom tła w glebach
Radioaktywność jest obecna wszędzie i była od powstania ziemi. Naturalna radioaktywność wykrywana w glebie wynika głównie z następujących czterech naturalnych radioizotopów: 40 K, 226 Ra, 238 U i 232 Th. W jednym kilogramie gleby potas-40 wynosi średnio 370 Bq promieniowania, przy typowym zakresie 100–700 Bq; każdy z pozostałych wnosi około 25 Bq, z typowymi zakresami 10–50 Bq (7–50 Bq dla 232 Th). Niektóre gleby mogą znacznie różnić się od tych norm.
Muł morski i rzeczny
Niedawny raport dotyczący rzeki Sawy w Serbii sugeruje, że wiele mułów rzecznych zawiera około 100 Bq kg -1 naturalnych radioizotopów ( 226 Ra, 232 Th i 238 U). Według Organizacji Narodów Zjednoczonych normalne stężenie uranu w glebie wynosi od 300 μg kg -1 do 11,7 mg kg -1 . Powszechnie wiadomo, że niektóre rośliny, zwane hiperakumulatorami , są w stanie absorbować i koncentrować metale w swoich tkankach; jod został po raz pierwszy wyizolowany z wodorostów we Francji , co sugeruje, że wodorosty są hiperakumulatorami jodu.
Syntetyczne izotopy promieniotwórcze można również wykryć w mule. Busby [ potrzebne źródło ] cytuje raport na temat aktywności plutonu w walijskich osadach międzypływowych autorstwa Garlanda i in. (1989), co sugeruje, że im bliżej Sellafield znajduje się miejsce , tym wyższe jest stężenie plutonu w mule. W ich danych można dostrzec pewien związek między odległością a aktywnością po dopasowaniu do krzywej wykładniczej, ale rozrzut punktów jest duży (R 2 = 0,3683).
Stworzone przez człowieka
Dodatkowa radioaktywność w biosferze spowodowana działalnością człowieka w wyniku emisji radioaktywności spowodowanej przez człowieka i naturalnie występujących materiałów promieniotwórczych (NORM) można podzielić na kilka klas.
- Normalne licencjonowane uwolnienia, które mają miejsce podczas normalnej pracy zakładu lub procesu związanego z materiałami promieniotwórczymi wytworzonymi przez człowieka.
- Na przykład uwolnienie 99 Tc z oddziału medycyny nuklearnej szpitala, które ma miejsce, gdy osoba, której podano środek do obrazowania Tc, wydala środek.
- Uwolnienia materiałów radioaktywnych wytworzonych przez człowieka, które mają miejsce podczas wypadku przemysłowego lub badawczego.
- Na przykład wypadek w Czarnobylu .
- Uwolnienia, które występują w wyniku działań wojennych.
- Na przykład test broni jądrowej.
- Uwolnienia, które nastąpiły w wyniku przestępstwa .
- Na przykład wypadek w Goiânia , w którym złodzieje, nieświadomi radioaktywnej zawartości, ukradli część sprzętu medycznego, w wyniku czego wiele osób zostało narażonych na promieniowanie.
- Uwolnienia naturalnie występujących materiałów radioaktywnych (NORM) w wyniku wydobycia itp.
- Np. uwolnienie śladowych ilości uranu i toru w węglu podczas jego spalania w elektrowniach.
Hodowla i przenoszenie na ludzi zdeponowanej radioaktywności
To, że radioizotop wyląduje na powierzchni gleby, nie oznacza, że dostanie się do łańcucha pokarmowego człowieka . Po uwolnieniu do środowiska materiały radioaktywne mogą dotrzeć do ludzi wieloma różnymi drogami, a chemia pierwiastka zwykle dyktuje najbardziej prawdopodobną drogę.
Krowy
Jiří Hála twierdzi w swoim podręczniku „Radioaktywność, promieniowanie jonizujące i energia jądrowa”, że bydło przekazuje tylko mniejszość strontu , cezu , plutonu i ameryku , które spożywają, ludziom spożywającym mleko i mięso . Używając mleka jako przykładu, jeśli krowa spożywa dziennie 1000 Bq powyższych izotopów, wówczas mleko będzie miało następujące działania.
- 90 Sr, 2 Bq/L
- 137 CS, 5 Bq/L
- 239 Pu, 0,001 Bq/l
- 241 am, 0,001 Bq/l
Gleba
W podręczniku Jiří Háli stwierdza się, że gleby różnią się znacznie pod względem zdolności wiązania radioizotopów, cząsteczki gliny i kwasy huminowe mogą zmieniać rozkład izotopów między wodą glebową a glebą. Współczynnik dystrybucji Kd jest stosunkiem radioaktywności gleby (Bq g −1 ) do radioaktywności wody glebowej (Bq ml −1 ). Jeśli radioaktywność jest ściśle związana z minerałami w glebie, mniej radioaktywności może zostać wchłonięte przez uprawy i trawę rosnącą w glebie.
Próba Trójcy
Jednym z dramatycznych źródeł radioaktywności spowodowanej przez człowieka jest test broni jądrowej . Szklisty trinitite utworzony przez pierwszą bombę atomową zawiera radioizotopy powstałe w wyniku aktywacji neutronów i rozszczepienia jądrowego . Ponadto obecne są naturalne izotopy promieniotwórcze. Niedawny artykuł podaje poziomy długożyciowych radioizotopów w trynitycie. Trinitite powstał ze skalenia i kwarcu , które zostały stopione przez ciepło. Wykorzystano dwie próbki trinitytu, pierwszą (słupki po lewej stronie na wykresie) pobrano z odległości od 40 do 65 metrów od punktu zerowego, podczas gdy drugą próbkę pobrano z większej odległości od punktu zerowego .
152 Eu (okres półtrwania 13,54 roku) i 154 Eu (okres półtrwania 8,59 roku) powstały głównie w wyniku aktywacji neutronów europu w glebie, jasne jest, że poziom radioaktywności tych izotopów jest najwyższy tam, gdzie dawka neutronów do gleba była większa . Część 60 Co (okres półtrwania 5,27 roku) jest generowana przez aktywację kobaltu w glebie, ale część została również wygenerowana przez aktywację kobaltu w stalowej wieży (100 stóp). To 60 Co z wieży zostałoby rozrzucone po terenie, zmniejszając różnicę poziomów gleby.
133 . Ba (okres półtrwania 10,5 roku) i 241 Am (okres półtrwania 432,6 roku) są spowodowane neutronową aktywacją baru i plutonu wewnątrz bomby Bar był obecny w postaci azotanów w używanych chemicznych materiałach wybuchowych, podczas gdy pluton był używanym paliwem rozszczepialnym .
Poziom 137 Cs jest wyższy w próbce znajdującej się dalej od punktu zerowego - uważa się, że dzieje się tak dlatego, że prekursory 137 Cs ( 137 I i 137 Xe) oraz, w mniejszym stopniu, sam cez są lotne . Naturalne radioizotopy w szkle są mniej więcej takie same w obu lokalizacjach.
Produkty aktywacyjne
Działanie neutronów na stabilne izotopy może tworzyć radioizotopy , na przykład bombardowanie neutronami (aktywacja neutronami) azotu -14 tworzy węgiel -14. Ten radioizotop może być uwalniany z jądrowego cyklu paliwowego ; jest to radioizotop odpowiedzialny za większość dawki, jakiej doświadcza ludność w wyniku działalności energetyki jądrowej . [ potrzebne źródło ]
Testy z bombami jądrowymi zwiększyły aktywność właściwą węgla, podczas gdy wykorzystanie paliw kopalnych ją obniżyło. Więcej informacji można znaleźć w artykule na temat datowania radiowęglowego .
Produkty rozszczepienia
Wyładowania z elektrowni jądrowych w jądrowym cyklu paliwowym wprowadzają do środowiska produkty rozszczepienia. Uwolnienia z przeróbki jądrowej są zwykle radioizotopami o średniej lub długiej żywotności; dzieje się tak dlatego, że paliwo jądrowe może ostygnąć przez kilka lat, zanim zostanie rozpuszczone w kwasie azotowym . Uwolnienia z reaktorów jądrowych i detonacji bomb będą zawierały większą ilość krótkożyciowych radioizotopów (gdy ilości wyrażone są w aktywności Bq )).
Krótkotrwałe
Przykładem krótkotrwałego produktu rozszczepienia jest jod-131 , który może również powstać jako produkt aktywacji przez neutronową aktywację telluru .
Zarówno w przypadku opadu bomby, jak i uwolnienia z wypadku reaktora energetycznego, krótkotrwałe izotopy powodują, że moc dawki pierwszego dnia jest znacznie wyższa niż ta, która będzie doświadczana w tym samym miejscu wiele dni później. Dzieje się tak nawet wtedy, gdy nie podejmuje się żadnych prób dekontaminacji. przedstawiono całkowitą moc dawki gamma i udział dawki przypadającej na każdy główny izotop uwolniony w wyniku wypadku w Czarnobylu.
Średnio żył
Przykładem żywego medium jest 137 Cs, którego okres półtrwania wynosi 30 lat. Cez jest uwalniany podczas opadu bomby iz jądrowego cyklu paliwowego . Napisano artykuł na temat radioaktywności ostryg znalezionych w Morzu Irlandzkim . Za pomocą spektroskopii gamma stwierdzono, że zawierają one 141 Ce, 144 Ce, 103 Ru, 106 Ru, 137 Cs, 95 Zr i 95 Nb. [ potrzebne źródło ] Ponadto wykryto produkt aktywacji cynku ( 65 Zn), co uważa się za spowodowane korozją płaszcza paliwa magnox w stawach chłodzących. Stężenie wszystkich tych izotopów w Morzu Irlandzkim, które można przypisać obiektom jądrowym, takim jak Sellafield, znacznie spadło w ostatnich dziesięcioleciach.
Ważną częścią uwolnienia w Czarnobylu był cez-137, izotop ten jest odpowiedzialny za większość długotrwałego (co najmniej rok po pożarze) narażenia zewnętrznego, które miało miejsce w miejscu. Izotopy cezu w opadzie miały wpływ na rolnictwo. [2]
Duża ilość cezu została uwolniona podczas wypadku w Goiânia , gdzie źródło radioaktywne (przeznaczone do użytku medycznego) zostało skradzione, a następnie rozbite podczas próby przekształcenia go w złom. Wypadek można było zatrzymać na kilku etapach; po pierwsze, ostatni prawni właściciele źródła nie zadbali o to, aby źródło było przechowywane w bezpiecznym miejscu; a po drugie, zbieracze złomu, którzy go zabrali, nie rozpoznali oznaczeń, które wskazywały, że jest to obiekt radioaktywny.
Soudek i in. podali w 2006 r. szczegóły pobierania 90 Sr i 137 Cs przez słoneczniki uprawiane w warunkach hydroponicznych . Cez wykryto w nerwach liściowych, w łodydze iw wierzchołkowych . Stwierdzono, że do rośliny dostało się 12% cezu, a strontu 20%. W artykule podano również szczegóły dotyczące wpływu potasu , amonu i wapnia na wychwyt radioizotopów.
Cez ściśle wiąże się z minerałami ilastymi , takimi jak illit i montmorylonit ; dlatego pozostaje w górnych warstwach gleby, gdzie mają do niej dostęp rośliny o płytkich korzeniach (takie jak trawa). Dlatego trawa i grzyby mogą przenosić znaczne ilości Cs 137 , które mogą być przenoszone na ludzi poprzez łańcuch pokarmowy . Jednym z najlepszych środków zaradczych w hodowli bydła mlecznego przeciwko 137 Cs jest wymieszanie gleby poprzez głęboką orkę . Powoduje to umieszczenie 137 Cs poza zasięgiem płytkich korzeni trawy , stąd poziom radioaktywności w trawie zostanie obniżony. Również po wojnie nuklearnej lub poważnym wypadku usunięcie kilku centymetrów wierzchniej warstwy gleby i zakopanie jej w płytkim wykopie zmniejszy długoterminową dawkę gamma dla ludzi z powodu 137 Cs, ponieważ fotony gamma zostaną osłabione przez ich przejście przez gleba . Im bardziej oddalony jest rów od ludzi i im głębszy jest rów, tym lepszy stopień ochrony zapewni populacji ludzkiej.
W hodowli zwierząt ważnym środkiem zaradczym przeciwko 137 Cs jest karmienie zwierząt błękitem pruskim . Ten cyjanku żelaza i potasu działa jako wymieniacz jonowy . Cyjanek jest tak mocno związany z żelazem, że człowiek może bezpiecznie zjeść kilka gramów błękitu pruskiego dziennie. Błękit pruski skraca biologiczny okres półtrwania (nie mylić z okresem półtrwania w jądrze ) cezu). Fizyczny lub jądrowy okres półtrwania 137 Cs wynosi około 30 lat, co jest wartością stałą i nie można jej zmienić; jednakże biologiczny okres półtrwania zmieni się w zależności od natury i zwyczajów organizmu, dla którego jest wyrażony. Cez u ludzi ma zwykle biologiczny okres półtrwania od jednego do czterech miesięcy. Dodatkową zaletą błękitu pruskiego jest to, że cez, który jest usuwany ze zwierzęcia w odchodach, występuje w postaci niedostępnej dla roślin. W związku z tym zapobiega recyklingowi cezu. Forma błękitu pruskiego wymagana do leczenia ludzi lub zwierząt to specjalny gatunek. Próby wykorzystania pigmentu stosowanego w farbach nie powiodły się.
Długo żył
Przykłady długożyciowych izotopów obejmują jod -129 i Tc-99, których okres półtrwania w jądrze wynosi odpowiednio 15 milionów i 200 000 lat.
Pluton i inne aktynowce
W kulturze popularnej pluton jest uznawany za największe zagrożenie dla życia i zdrowia, co jest złe; podczas gdy spożywanie plutonu prawdopodobnie nie jest dobre dla zdrowia, inne radioizotopy, takie jak rad, są bardziej toksyczne dla ludzi. Niezależnie od tego, w miarę możliwości należy unikać wprowadzania do środowiska pierwiastków transuranowych , takich jak pluton . Obecnie działalność przemysłu ponownego przetwarzania materiałów jądrowych jest przedmiotem wielkiej debaty, ponieważ jedną z obaw przeciwników tego przemysłu jest to, że duże ilości plutonu zostaną źle zagospodarowane lub uwolnione do środowiska.
W przeszłości jednym z największych uwolnień plutonu do środowiska były testy bomb atomowych .
- Te testy w powietrzu rozrzuciły trochę plutonu po całym globie; to wielkie rozcieńczenie plutonu spowodowało, że zagrożenie dla każdej narażonej osoby jest bardzo małe, ponieważ każda osoba jest narażona tylko na bardzo małą ilość.
- Testy podziemne mają tendencję do tworzenia stopionej skały, która szybko schładza i uszczelnia aktynowce w skale, uniemożliwiając im poruszanie się; znowu zagrożenie dla ludzi jest niewielkie, chyba że miejsce testu zostanie wykopane.
- Próby bezpieczeństwa, w których bomby były przedmiotem symulowanych wypadków, stanowią największe zagrożenie dla ludzi; niektóre obszary gruntów wykorzystywane do takich eksperymentów (prowadzonych na wolnym powietrzu) nie zostały w pełni udostępnione do powszechnego użytku, mimo w jednym przypadku szeroko zakrojonej dekontaminacji.
Naturalny
Produkty aktywacji promieni kosmicznych
Izotopy kosmogeniczne ( lub nuklidy kosmogeniczne ) to rzadkie izotopy powstające, gdy wysokoenergetyczny promień kosmiczny oddziałuje z jądrem atomu in situ . Izotopy te są wytwarzane w materiałach ziemskich, takich jak skały lub gleba , w atmosferze ziemskiej oraz w obiektach pozaziemskich, takich jak meteoryty . Mierząc kosmogeniczne izotopy, naukowcy mogą uzyskać wgląd w szereg procesów geologicznych i astronomicznych . Istnieją zarówno radioaktywne , jak i stabilne izotopy kosmogeniczne. Niektóre z tych radioizotopów to tryt , węgiel -14 i fosfor -32.
Tryby produkcji
Oto lista radioizotopów powstałych w wyniku działania promieni kosmicznych na atmosferę; lista zawiera również tryb produkcji izotopu. Dane te uzyskano z raportu SCOPE50, patrz tabela 1.9 w rozdziale 1 .
| Izotop | Tryb formacji |
|---|---|
| ³H (tryt) | 14 N (n, 12 C)³H |
| 7 Bądź | Spalacja (N i O) |
| 10 Bądź | Spalacja (N i O) |
| 11 C | Spalacja (N i O) |
| 14 C | 14 N (n, p) 14 C |
| 18 F | 18 O (p, n) 18 F i Spallacja (Ar) |
| 22 Na | Spallacja (Ar) |
| 24 Na | Spallacja (Ar) |
| 28 mg | Spallacja (Ar) |
| 31 Si | Spallacja (Ar) |
| 32 Si | Spallacja (Ar) |
| 32 str | Spallacja (Ar) |
| 34m kl | Spallacja (Ar) |
| 35 s | Spallacja (Ar) |
| 36 kl | 35 Cl (n, ) 36 Cl |
| 37 Ar | 37 Cl (p, n) 37 Ar |
| 38 kl | Spallacja (Ar) |
| 39 Ar | 38 Ar (n, ) 39 Ar |
| 39 kl | 40 Ar (n, np) 39 Cl i spalanie (Ar) |
| 41 Ar | 40 Ar (n, ) 41 Ar |
| 81 Kr | 80 Kr (n, ) 81 Kr |
Przenieś na ziemię
Poziom berylu -7 w powietrzu jest związany z cyklem plam słonecznych , ponieważ promieniowanie słoneczne tworzy ten radioizotop w atmosferze. Szybkość, z jaką jest przenoszona z powietrza na ziemię, jest częściowo kontrolowana przez pogodę.
Zastosowania w geologii wymienione według izotopów
| element | masa | okres półtrwania (lata) | typowym zastosowaniem |
|---|---|---|---|
| hel | 3 | - stabilny - | datowanie ekspozycji skał oliwinowych |
| beryl | 10 | 1,36 mln | datowanie ekspozycyjne skał kwarconośnych , osadów, datowanie rdzeni lodowych, pomiar szybkości erozji |
| węgiel | 14 | 5730 | datowanie materii organicznej, wody |
| neon | 21 | - stabilny - | datowanie bardzo stabilnych, długo eksponowanych powierzchni, w tym meteorytów |
| aluminium | 26 | 720 000 | datowanie ekspozycji skał, osadów |
| chlor | 36 | 308.000 | datowanie ekspozycji skał, znacznik wód podziemnych |
| wapń | 41 | 103 000 | datowanie ekspozycyjne skał węglanowych |
| jod | 129 | 15,7 mln | znacznik wód gruntowych |
Zastosowania randek
Ponieważ izotopy kosmogeniczne mają długi okres półtrwania (od tysięcy do milionów lat), naukowcy uważają je za przydatne do datowania geologicznego . Izotopy kosmogeniczne są wytwarzane na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu, dlatego są powszechnie stosowane w problemach pomiaru wieku i tempa zdarzeń i procesów geomorficznych i sedymentacyjnych .
Konkretne zastosowania izotopów kosmogenicznych obejmują:
- datowanie ekspozycji powierzchni ziemi, w tym podłoża skalnego wyczyszczonego przez glacjał , skarp uskokowych , szczątków osuwisk
- datowanie pochówku osadu, podłoża skalnego, lodu
- pomiar szybkości erozji w stanie ustalonym
- datowanie bezwzględne materii organicznej ( datowanie radiowęglowe )
- datowanie bezwzględne mas wody, pomiar szybkości transportu wód podziemnych
- datowanie bezwzględne meteorytów, powierzchni Księżyca
Metody pomiaru izotopów długożyciowych
Aby zmierzyć kosmogeniczne izotopy wytwarzane w materiałach ziem stałych, takich jak skały, próbki są zazwyczaj najpierw poddawane procesowi mechanicznej separacji. Próbka jest kruszona, a pożądany materiał, taki jak określony minerał ( kwarc w przypadku Be-10), jest oddzielany od niepożądanego materiału za pomocą separacji gęstości w ciężkim ciekłym ośrodku, takim jak wolframian litowo-sodowy (LST). Następnie próbkę rozpuszcza się, dodaje zwykły nośnik izotopowy (nośnik Be-9 w przypadku Be-10) i wodny roztwór oczyszcza się do tlenku lub innego czystego ciała stałego.
Wreszcie stosunek rzadkiego izotopu kosmogenicznego do zwykłego izotopu jest mierzony za pomocą spektrometrii mas z akceleratorem . Pierwotne stężenie izotopu kosmogenicznego w próbce jest następnie obliczane na podstawie zmierzonego stosunku izotopów, masy próbki i masy nośnika dodanego do próbki.
Rad i radon z rozpadu długowiecznych aktynowców
Rad i radon występują w środowisku, ponieważ są produktami rozpadu uranu i toru .
Radon ( 222 Rn) uwolniony do powietrza rozpada się na 210 Pb i inne radioizotopy, a poziomy 210 Pb można zmierzyć. Szybkość osadzania się tego radioizotopu zależy od pogody. Poniżej znajduje się wykres tempa depozycji obserwowany w Japonii .
Datowanie uranowo-ołowiowe
uranowo - ołowiowe przeprowadza się zwykle na minerale cyrkonowym (ZrSiO 4 ), chociaż można użyć innych materiałów. Cyrkon zawiera atomy uranu w swojej strukturze krystalicznej jako substytuty cyrkonu , ale zdecydowanie odrzuca ołów. Charakteryzuje się wysoką temperaturą wiązania, jest odporny na działanie warunków atmosferycznych i chemicznie obojętny. Cyrkon tworzy również wiele warstw kryształów podczas zdarzeń metamorficznych, z których każda może rejestrować wiek izotopowy zdarzenia. Można je datować za pomocą jonowej SHRIMP .
Jedną z zalet tej metody jest to, że każda próbka zawiera dwa zegary, jeden oparty na rozpadzie uranu-235 do ołowiu-207 z okresem półtrwania około 703 milionów lat, a drugi oparty na rozpadzie uranu-238 do ołowiu-206 z okres półtrwania około 4,5 miliarda lat, zapewniając wbudowaną kontrolę krzyżową, która umożliwia dokładne określenie wieku próbki, nawet jeśli część ołowiu została utracona.
Zobacz też
- Dziennik radioaktywności środowiskowej
- Naturalnie występujący materiał promieniotwórczy
- Radioekologia
- Rad w środowisku
- Uran w środowisku
Referencje dotyczące datowania izotopów kosmogenicznych
- Gosse, John C. i Phillips, Fred M. (2001). „Lądowe nuklidy kosmogeniczne in situ: teoria i zastosowanie”. Czwartorzędowe recenzje naukowe 20 , 1475–1560.
- Granger, Darryl E., Fabel, Derek i Palmer, Arthur N. (2001). „Plioceńsko-plejstoceńskie nacięcie rzeki Green w stanie Kentucky, określone na podstawie radioaktywnego rozpadu kosmogenicznego 26Al i 10Be w osadach Mammoth Cave”. Amerykańskie Towarzystwo Geologiczne Biuletyn 113 (7), 825–836.
Dalsza lektura
- Radioaktywność, promieniowanie jonizujące i energia jądrowa, J. Hala i JD Navratil
- Przegląd tematu został opublikowany przez Komitet Naukowy ds. Problemów Środowiska (SCOPE) w raporcie SCOPE 50 Radioekologia po Czarnobylu .
Linki zewnętrzne
- Purdue University Prime Lab, „Nuklidy kosmogeniczne”
- „Cosmogenic Exposure Randki i wiek Ziemi”
- Kosmogeniczne Laboratorium Izotopów, University of Washington
