ПӘндердің ОҚУ-Әдістемелік кешені
жүктеу/скачать 1,11 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Қоршаған ортадағы радионуклидтер
- Иондаушы сәулелердің табиғи көздері
- Космостық сәулелер
- Табиғи радиоактивті заттар.
Бақылау сұрақтары: Дозиметрия деген не? Сәулелену дозасы дегеніміз не, дозаның қандай түрлері болады және олардың өлшем бірліктері қандай? Ядролық сәулелерді өлшеу үшін қандай приборлар қолданылады? Иондаушы сәулелерді бақылау үшін детекторлардың қандай типтері қолданылады және олардың жұмыс істеу принциптері қандай? Дәріс 6. Қоршаған ортадағы радионуклидтер Дәріс сабақтың мазмұны: Иондаушы сәулелердің табиғи көздері Космостық сәулелер Табиғи радиоактивті заттар Қоршаған ортадағы жасанды радионуклидтер Радиоактивті изотоптарға маңызды экологиялық фактор ретінде ХХ ғасырдың 30-шы жылдардың ортасынан бастап көңіл аудара бастаған. Адамдардың антропогенді іс әрекеттері ең алдымен ядролық қаруларды сынау, табиғи радиоактивті фонның өзгеруіне әкелді. Атомдық өнеркәсәптің дамуы және атомдық энергияны қолдану жаңа ғылыми бағыт – радиоэкологияны қалыптастырды. Ол тірі ағзаның, өсімдіктер мен жануарлар қоғамдарының радиоактивтілігі жоғары ортада өмір сүру ерекшеліктері туралы ілім. Жер бетіндегі барлық тіршілік – иондаушы сәулелердің табиғи (космостық сәулелер және табиғи радиоактивті заттар) және жасанды (атомдық өнеркәсіптердің қалдықтары және биологияда, медицинада, ауыл шаруашылығында қолданылған радиоактивті изотоптар) көздерінен сырттай және іштей сәулелену салдарынан әрқашан иондаушы радиацияның әсеріне ұшырайды. Табиғи және жасанды радионулидтер табиғатта көп таралған; олар жер қыртысында, суда, ауада, өсімдіктерде және жануарлар денесінде кездеседі. Жер қыртысында кездесетін радиоактивті элементтер және құрылыс материалдары адам денесі арқылы тікелей өтетін сәулелерді шығарады. Олар радиацияның сыртқы көзі болып табылады. Тағам құрамында болатын сирек кездесетін радиоактивті элементтердің микроскопиялық мөлшері, ішкі ағзаға түскен кезде іштей сәулеленудің тұрақты көздері болып табылады. Жер шары тұрғындары сәулеленудің негізгі бөлігін радиацияның табиғи көздерінен алады. Иондаушы сәулелердің табиғи көздері Жер бетінде, адамзат қатысынсыз түзілетін радионуклидтер – табиғи радионуклидтерге жатады. Бұлар ең алдымен үзақ өмір сүретін 235U, 238U, 226Ra, 232Th, 40K изотоптары және т.б., сонымен қатар осы изотоптардың ыдырауының туынды радиоактивті өнімдері. Сол сияқты бұған Жерде космостық сәулелердің әсерінен түзілетін және космостан жер бетіне түсетін радионуклидтер де жатады. Топырақта, суда, ауада, құрылыс материалдарында және басқа да материалдарда әрқашан табиғи радионуклидтер таралған. Олар космостық сәулелермен бірігіп, Жер бетіндег барлық тірі ағзаларды тұрақты сәулелендіретін табиғи радиоактивті фонды құрайды. Космостық сәулелер – бұл әлемдік кеңістіктен Жер бетіне үздіксіз келіп түсетін иондаушы сәулелер (біріншілік космостық сәулелер) және жер атмосферасында біріншілік космостық сәулелердің ауаның атомдарымен әрекеттесуі нәтижесінде түзілетін сәулелер (екіншілік космостық сәулелер). Біріншілік космостық сәулелер жұлдыздар бетінен және космостық кеңістіктен материяның атқылауы және булануы нәтижесінде түзіледі. Ол негізінен жеңіл атомдардың: сутегі – протондар (79%), гелий – альфа бөлшектер (20%), литий, берилий, бор, көміртегі, азот, оттегі және басқа да элементтердің ядроларынан тұрады. Олардың көбі, 3 -15 ГэВ аралығында болатын өте жоғары энергияға ие болады. Біріншілік космостық сәулелердің тек біраз мөлшері ғана жер бетіне жетеді, себебі олар ауаның атомдарымен әрекеттеседі, нәтижесінде екіншілік космостық сәулелер бөлшектерінің шоғырын түзеді. Сондықтан Жер бетіне келіп жететін космостық сәулелердің негізгі массасын екіншілік космостық сәулелер құрайды. Екіншілік космостық сәулелер өте күрделі және осы уақыта белгілі болып отырған барлық элементарлы бөлшектер мен сәулелерден тұрады. Олардың негізгі массасын:  - және  - мезондар (70%), электрондар және позитрондар (26%), біріншілік протондар (0,05%), гамма-кванттары, жылдам және өте жылдам нейтрондар құрайды.
Биологиялық әсерін бағалау үшін (космостық сәуленің дозасын есептеу үшін) екіншілік космостық сәулелерді энергия деңгейі және құрамы бойынша төрт компонентке бөлуге болады: Жұмсақ немесе аз өтетін – электрондар, позитрондар, гамма-кванттары және энергиясы 100 МэВ болатын жылдам протондарды біріктіреді. Қатаң немесе өтімділігі жоғары – негізінен энергиясы 600 МэВ болатын -мезондардан, өте жылдам нейтрондардың біраз мөлшерінен, альфа-бөлшектерден және өз мөлшерде -мезондардан тұрады.
Күшті иондайтын – ядролық ыдырау өнімдері: протондар, альфа-бөлшектер, дейтрондар, тритондар және энергиясы 10 – 15 МэВ болатын ядроның ауыр жарықшақтары құрайды. Нейтронды – энергиясы әр түрлі нейтрондар. Космостық сәулелердің жұмсақ компоненттері қалыңдығы 8 -10 см қорғасын және қалыңдығы 15 – 20 см болатын темір қабаттарымен сіңіріледі, ал қатаң компоненттері қалыңдығы 1 м болатын қорғасын қабатынан өтіп кетеді; оны бірнеше километр тереңдікте жер және су астында байқауға болады. Жұмсақ және қатаң компоненттердің бөлшектері үлкен энергияға ие бола отырып, заттарда ең төменгі иондау тығыздығын орнатады. Бірнішілік космостық сәулелердің бөлшектері атмосфераға түскен кезде, атмосмералық газдар атомдарының ядроларымен соқтығысады. Осының нәтижесінде космостық сәулелердің және ядролардың бұзылуына әкеледі. Түзілген ыдырау өнімдері жоғары энергияға ие болады және басқа газ атомдарының ядроларымен соқтығысып, ядролық бұзылу процестерінің ары қарай жалғасуына әкеледі. Осындай процестердің нәтижесінде космостық сәулелердің құрамы өзгереді, ал космостық сәуле құрамындағы бөлшектердің энергиясы төмендейді. Жер бетіне келіп жететін космостық сәулелердің қуаты географиялық ендікке және теңіз деңгейіндегі биіктіке байланысты өзгереді. Георгафиялық ендікке байланысты космостық сәулелердің қуатының өзгеруі, жердің магниттік қасиетіне байланысты. Сондықтан зарядталған бөлшектерден тұратын космостық сәулелер экватор аудандарында ауытқиды, ал жер шарының полюсті аймақтарында жинақталады. Соның салдарынан космостық сәулелердің қуаты экватор аймақтарында минималды, ал полюсті аймақтарға тақағанда жоғарлайды. Табиғи радиоактивті заттар. Оларды үш топқа бөлуге болады. Бірінші топқа U және Th, олардың ыдырау өнімдері, сол сияқты 40K және 87Rb кіреді. Екінші топқа аз таралаған изотоптар және жартылай ыдырау периоды үлкен изотоптар жатады: 48Ca, 96Zr, 113In, 124Sn, 130Te, 138La, 150Nb, 152Sm, 176Lu, 180W, 187Re, 209Bi. Үшінші топқа космостық сәулелердің үздіксіз әсерінен түзілетін: 14C, 3H, 7Be, 10Be радиоактивті изотоптар жатады. Жер қыртысында ең көп тараған радиоактивті изотоп - 87Rb. Оның мөлшері уран, торий және әсіресе 40K мөлшерінен жоғары. Бірақ жер қыртысынада 40K радиоактивтілігі, барлық табиғи радиоактивті элементтердің радиоактивтіліктерінің қосындысынан артып кетеді: 87Rb жұмсақ бета-сәулемен сипатталады және үлкен жартылай ыдырау периодына ие болады, ал 40K қатаң бета- және гамма- сәулелерін шығарады. 40K изотопы топырақта кең тараған және сорбция процесі нәтижесінде глиналарда берік ұсталып тұрады. Глиналық топырақтар құм және ізбес топырақтармен салыстырғанда, әрқашан радиоактивті элементтерге бай болады. Ауыр радиоактивті элементтер (U, Th, Rа) гранитты тау жыныстарының құрамында көп мөлшерде кездеседі. Жер шарының әр түрлі аудандарында, жер бетіндегі әртүрлі жыныстардың гамма-сәулелерінің дозасы 0,26 – 11,5 мГр/жыл аралығында болады. Жер жыныстарын құрылыс материалдары ретінде қолданады, сондықтан ғимарат ішіндегі радиация құрылыс материалдарына тәуелді болады. Темірбетон мен глиназемнан тұрғызылған үйлерде гамма-радиация шамасы жоғары – 1,571 мГр/жыл, ал ағаш үйлерде төмен – 0,5 Гр/жыл болады. Судың радиоактивтілігін негізінен топырақ суларымен шайылып, ерігіш комплексті қосылыстар түзетін U, Th, Rа элементтері, сонымен қатар олардың радиоактивті айналымдарының газ тәрізді өнімдері – радон және торон береді. Радиоактивті элементтердің концентрациясы теңіз және көлдерге қарағанда, өзендерде аз болады. Атмосфераның радиоактивтілігі ондағы радиоактивті заттардың газ тәрізді күйде (радон, торон, 14С, тритий) немесе аэрозолдар түрінде (40К, уран, радий және т.б.) болуына негізделген. Радон және торон жер жыныстарынан, ал көміртегі және тритий – екіншілік космостық сәулелердің нейтрондары, азот және сутегі атомдарының ядросына әсер етуі нәтижесінде түзіледі. Табиғатта 70 жуық радионуклидтер кездеседі. Олар жер қыртысында, ауада және суда көп тараған. Радиоактивті ыдырау нәтижесінде келесі тұрақты изотоп алынғанға дейін өздігінен жүретін процесс нәтижесінде қалыптасатын нуклидтердің тізбегі –радиоактивті қатар деп аталады. Бұл қатардағы барлық нуклидтер – бастапқы элементтен бастап, соңғы элементке дейін генетикалық байланыста және белгілі бір қатынаста болады. Табиғатта үш радиоактивті қатар кездеседі: уран (238U), актиноуран (235U), және торий (Th). Қатарлардың аталуы бастапқы радионуклидтің атымен аталады. Радиоактивті қатардағы бастапқы нуклидтен басқа, қалған нуклидтер – туынды нуклидтер деп аталады. Радиоактивті қатарларды бастайтын барлық үш радиоактивті элементтердің жартылай ыдырау периодтары өте үлкен, яғни баяу ыдырайды. Уран қатарындағы 238 активті, оныңU -  . Уран қатарына радий, радон, полоний сияқты радионуклидтер енеді. Бұл қатардағы соңғы өнім қорғасынның тұрақты изотопы  .
Егер радиоактивті зат құрамына бірнеше радионуклидтер кіретін болса, онда оның активтілігі осы радионуклидтердің активтіліктерінің қосындысымен анықталады. Кез-келген радионуклидтің құрамында 6,02. 1023 атом болатынын біле отырып, радионуклидтердің активтілігі (А) және оның массасы (m) арасындағы байланысты анықтауға болады: 
мұндағы,  - жартылай ыдырау периоды, с.;
6,02. 1023 – Авогадро саны; 0,693/А – 1г радионуклидтегі атомдар саны. зайыбы Герен Жашо-Кюри ядролық радиация өнімдерінің радиоактивтілігі – жасанды радиоактивтілікті ашты. -бөлшектер т.б.), фотондық сәулелер немесе нейтрондар көмегімен іске асыруға болады.Жасанды және табиғи радионуклидтер арасында принципиалды айырмашылықтар болмайды. Бірақ позитронды шығару және электрондық жаулап алу сияқты ядролық айналымдар тек қана жасанды радиоактивтілік кезінде байқалады. Ядролық айналымдарды зарядталған бөлшектердің (протондар, Жасанды радионуклидтер арнайы құрылғылар көмегімен ядролық синтездер жүргізу, атом энергиясын қолдану, ядролық қаруларды сынау нәтижесінде түзіледі. Ядролық жарылыс кезінде ауыр элементтердің (238U, 235U, 233U, 239Рu) ядроларына нейтрондармен әсер ету нәтижесінде бөліну реакциялары іске асады және 35 элементтің 250-ге жуық изотоптары түзіледі, олардың 225 – радиоактивті. Жалпы ядролық реакцияларды – сол жағында атқылаушы бөлшек (а) пен нысана ядросы (А), ал оң жағында туынды ядро (В) мен үшып шыққан бөлшекті (в) көрсететін теңдеу түрінде жазу қабылданған: В + вА + а Осы ядролық реакциялардың қысқартылған теңдеуі келесі түрде жазылады: А(а; в)В. Мысалы,  немесе 
Ядролық реакция өнімдерінің шығымын сандық есептеу үшін тиімді көлденең қима () деген ұғым қолданылады. ) деп бөлшектің ядромен әрекеттесу мүмкіншілігін айтады. Оның өлшем бірлігі ретінде –Тиімді көлденең қима ( бір барн қолданылады: 1б = 10-28м2. Әрбір ядро үшін тиімді қиманың шамасы атқылаушы бөлшектің түріне және энергиясына тәуелді болады. Бөлінудің радиоактивті өнімдерінің мөлшері ядро зарядының қуатына сәйкес артады. Зарядталған атқылаушы бөлшек алдымен атқыланушы ядроның (нысананың) ядролық күш аймағына келіп түседі, ол ядро мен бөлшек арасындағы кулондық тебіліс күштері негізінде болатын потенциалды кедергіні жеңуі қажет. Сондықтан нысананы зарядталған бөлшектермен атқылау кезінде радионуклидтердің шығымы онша көп болмайды. Нейтрондар өздерінің электробейтараптығы арқасында ешқандай тебіліс күштерін сезінбей, ядроға оңай өте алады. Нейтрондардың әсерінен ядролық реакциялар төмен энергияда да жүреді. Кейбір радионуклидтердің 86Rb, 89Sr, 91Y, 95Cd, 125Sn, 125Te, 131I, 133Xe, 136Cs, 140Ba, 141Ce, 156Eu, 161Yb жартылай ыдырау периоды бірнеше күнге, ал85Kr, 90Sr, 106Ru, 125Sb, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 155Eu жартылай ыдырау периоды бір жылдан бірнеше жылға дейін жетеді. Жасанды жолдармен түзілетін радионуклидтердің басым бөлігі бета – және гамма – сәулелерін шығарушылар болып табылады (131I, 137Cs, 140Ba), қалғандары тек қана бетта – (90Sr, 135Сs) немесе альфа-бөлшектерін (144Nd, 147Sm) шығарады. Соңғы жылдардың ішінде адамзат жасанды радионуклидтерді синтездеп, атом энергиясын әр түрлі мақсатта: медицинада, атом қаруында, энергия өндіруде және пайдалы қазбалардың кен орындарын іздестіруде қолдануды үйренді. Атом электростанцияларының жұмыс істеуі кезінде қоршаған ортаға 3Н, 85Кr, 131I сияқты радиоактивті изотоптардың көп мөлшері түседі, ал қолданыста болған жылу шығаратын элементтерді сақтау кезінде өте қауіпті 129I изотопы түзіледі. Жасанды радионуклидтер әр түрлі себептерге байланысты қоршаған ортаға келіп түседі де, соның нәтижесінде табиғи радиациялық фон жоғарылайды. Жасанды радионуклидтерден шығатын сәулелерді оңай байқауға болады және сәулелену процесі, ядролық жарылыстардың радиациялық қалдықтарына байланысты. Оны ғарыштық сәулелермен немесе жер қойнауынан шығатын сәулелердің негізгі көздерімен салыстыруға болмайды. Қазіргі кезде адамдардың техногенді жолмен алынатын радиация көздерінің, сәулелену дозасына қосатын үлесі медициналық процедура мен емдеу әдістерінде радиациялық заттарды қолданумен байланысты. Жасанды радионуклидтердің кейбіреулері атмосферада газ түрінде таралады. Олардың ішінде ең қауіптісі 41Ar және ксенон изотоптары, ал глобальды масштабта 3Н, 14С, 85Kr. Ядролық жанғыш заттармен 233U, 235U, 238U,239Pu нейтрондар (n, 2n) әрекеттесуі рекциясы бойынша 232U, 234U, 237U,238Pu радиоактивті изотоптары түзіледі. Нейтрондар конструкциялық құрылыс материалдарымен әрекеттесуі кезінде 54Mn, 53Fe, 181W,185W, 28Al радионуклидтерінің түзілуіне әкеледі. Нейтрондар қошаған ортадағы заттармен: су, ауа және жер қабатымен әрекеттесуі нәтижесінде 14C, 22Na, 27Mg,28Al, 31Si, 32P, 35S, 38Ce, 41Ar, 42Kr, 45Ca,54Mn, 57-60Co, 59Fe, 65Zn, 80Br сияқты радионуклидтер түзіледі. Ұзақ өмір сүретін активті радионуклидтер қоршаған ортада ақырындап жинақтала бастайды. Соңғы уақытта 14С әлемдік балансты үлкен өзгерістерге әкелуде. Осы артық мөлшердегі 14С, 14СО2 газ молекуласының құрамына кіреді және атомосферада ұзақ сақталады. Ол әлемдегі көміртектің жалпы айналымына кіреді. Термоядролық жарылыстардың негізінде тритий (3Н) қалыптасады, кейін ол ауадағы су молекулаларының құрамына кіріп тропосферада атмосфералық қалдық ретінде жойылады. Өндірістік өнеркәсіптерден шығарылатын радиоактивті қалдықтар және ядролық қаруларды сынау атмосфера мен жер бетіндегі сулардың ластануының негізгі көзі болып табылады. Осының нәтижесінде қоршаған ортаға радиоактивті қалдықтар ғана емес, сонымен қатар әр түрлі ядролық реакциялардың қатысуымен басқа да радиоактивті заттар бөлінеді. жүктеу/скачать 1,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|