|
|
ОглавлениеГлава 1. История развития агрохимии Глава 4. Химическая мелиорация почв Глава 5. Азотное питание и трансформация азота в почве Глава 6. Фосфорное питание растений Глава 7. Калийное питание растений Глава 8. Комплексные удобрения Глава 10. Органические удобрения Глава 11. Удобрение сельскохозяйственных культур Глава 12. Удобрение зернобобовых культур Глава 13. Физиологические основы питания и удобрения гречихи и картофеля Глава 14. Особенности питания и удобрения сахарной свеклы Глава 15. Особенности питания и удобрения масличных культур Глава 16. Питание и удобрение овощных культур Глава 18. Удобрение многолетних трав Глава 19. Удобрение плодовых и ягодных культур Глава 20. Приемы, способы и сроки внесения удобрений Глава 21. Особенности удобрения овощных культур в защищенном грунте Глава 22. Биологическое земледелие Глава 23. Определение потребности сельскохозяйственных культур в удобрениях Глава 24. Агрохимия радиоактивных изотопов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГлава 24. Агрохимия радиоактивных изотопов24.1. Явление радиоактивностиОбщие представления. Радиоактивностью называют явление спонтанного распада ядра атома с испусканием α-, β-, γ- излучений. В отличие от химических (неядерных) процессов, при которых реакции протекают путем взаимодействия между орбитальными электронами атомов, ядерные процессы вызваны изменениями, происходящими внутри атомного ядра. Ядро атома представлено нуклонами — положительно заряженными протонами (р) и нейтронами (n), не имеющими заряда. Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента (Z), сумма числа протонов и нейтронов в ядре составляет массовое число (М). Разновидности атомов, характеризующиеся массовым и зарядовым числом, называются нуклидами. Нуклиды принято обозначать схематически в виде: , где X — символ химического элемента. Число нейтронов в атомах одного и того же элемента не постоянно и может в известных пределах изменяться. Разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре, называются изотопами. Понятия «изотопы» и «нуклиды» идентичны. Термином, «изотопы» принято пользоваться для обозначения атомов одного химического элемента, например, изотопов водорода — 1Н, 2Н, 3Н, а термином «нуклиды» — атомов разных химических элементов, например осколочных радионуклидов — 90Sr, 131I, 137Cs и пр. Нуклиды бывают стабильными, если их ядра устойчивы во времени и самопроизвольно не распадаются, и радиоактивными, если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном счете к увеличению стабильности ядра. По происхождению радионуклиды подразделяются на естественные (природные) и искусственные (или техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности человека. Естественные радионуклиды широко распространены в природе, однако к экологически значимым можно отнести немногие: три тяжелых радионуклида, образующие радиоактивные семейства, заканчивающиеся разными, но стабильными изотопами свинца. Это 238U (14 дочерних радионуклидов, в том числе 226Ra, 222Rn, 218,210Po, 214,210Pb и др.); 235U (11 дочерних радионуклидов, в том числе 227Ac, 211Pb, 211Bi и др.) и 232Th (10 дочерних радионуклидов, в том числе 220Rn, 228, 224Ra и др.), 40K; космогенные радионуклиды: 3Н, 7Ве, 14С и др. Природный изотопный состав калия представлен тремя изотопами: стабильными 39K (~ 93%), 41K (~ 7%) и радиоактивным 40K (0,012%). Наряду с космическим излучением естественные радионуклиды являются составляющими естественного радиационного фона (ЕРФ). Искусственные радионуклиды, созданные человеком в определенных целях или являющиеся побочным продуктом технической деятельности, могут находиться в процессе нормальной эксплуатации, под контролем человека или оказаться вне его контроля (утерянные источники или рассеянные в окружающей среде в результате аварии на ядерных объектах и др.). В последнем случае они становятся причиной радиоактивного загрязнения. Виды радиоактивного распада и ионизирующих излучений. При распаде ядер радионуклидов происходит испускание излучений определенного вида. В результате α-распада образуется новый химический элемент, у которого по сравнению с исходным элементом заряд ядра уменьшается на две единицы, а массовое число — на четыре, и α-частица — ядро атома гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. При β-распаде в ядре атома либо нейтрон распадается с образованием протона (зарядовое число атома увеличивается на 1) и электрона, покидающего атом (β–-распад), либо, наоборот, протон в ядре распадается с образованием нейтрона (зарядовое число атома уменьшается на 1) и испускается позитрон (β+-распад). При избытке в ядре энергии, например после неполного α- или β-распада, переход ядра из возбужденного состояния в стабильное происходит с испусканием γ-излучения (квантов электромагнитного излучения или фотонов). Атомный номер и массовое число изотопа при этом остаются прежними, изменяется только энергетическое состояние ядра. Рентгеновское излучение (Х-лучи) возникает при работе генераторов ионизирующего излучения. Это также поток фотонов, характеризующихся похожими частотно-волновыми характеристиками и свойствами на γ-излучение. Излучения, возникающие при ядерных процессах, несут большую энергию, поэтому они относятся к ионизирующим (т. е. способным вызывать ионизацию нейтральных атомов при столкновениях) излучениям или излучениям высокой энергии. Ионизация атомов — выбивание электрона с внешнего уровня атома, в результате чего образуется 2 иона — отрицательно заряженный свободно летящий электрон и положительно заряженный фрагмент атома. Корпускулярное α-излучение обладает минимальной проникающей и максимальной ионизирующей способностью, фотонные γ-излучение и рентгеновское излучение, наоборот, максимальной проникающей и минимальной ионизирующей способностью; корпускулярное β-излучение занимает по этим характеристикам промежуточное положение. Так, в воде или биологической ткани в зависимости от энергии излучения пробег α-частиц составляет 30–90 мкм β-частиц — 0,06–1 см γ-фотонов — 120 — n · 104 см. Другой вид распада — осколочное деление тяжелых ядер (нуклиды с зарядовым числом 90 и выше), наиболее важен с точки зрения радиоэкологии, так как именно в результате него образуется большинство искусственных радионуклидов при техногенных загрязнениях окружающей среды. Закон радиоактивного распада. Активность, единицы активности. Радиоактивный распад каждого отдельного атома — событие случайное, однако при наличии в системе представительного числа радиоактивных атомов процесс распада подчиняется закону радиоактивного распада: За единицу времени распадается всегда одна и та же часть имеющихся в наличии ядер радиоактивного вещества. Уменьшение числа радиоактивных атомов во времени t осуществляется в соответствии с экспоненциальной зависимостью: Nt = N0 · e–λ∙t или Nt = N0 · e-0,693∙t/Т 1/2, где N0 — исходное число радиоактивных атомов Nt — число радиоактивных атомов, оставшихся через интервал времени t; λ — постоянная распада, характеризующая степень нестабильности радионуклида, ее физический смысл — вероятность распада; Т 1/2 — период полураспада — промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных атомов. По истечении одного периода полураспада остается половина исходного количества атомов, после двух периодов полураспада –1/4 часть, после трех — 1/8, после четырех — 1/16 и т. д. Теоретически число радиоактивных атомов во времени будет уменьшаться до бесконечности. Однако считается, что для практически полного их распада необходим отрезок времени протяженностью 10Т 1/2, по истечении которого от исходного количества останется менее 0,1% радиоактивных атомов. Например, если принимать во внимание только физический распад, то для полного очищения биосферы от 137Cs (Т 1/2 = 30 лет) чернобыльского происхождения потребуется 300 лет. Активность, единицы активности. Для большинства радионуклидов их содержание в рассматриваемых объектах даже при очень высоких уровнях радиоактивности крайне мало, поэтому количество их выражается не в массовых величинах, а в единицах активности. Активностью радионуклида (А) называют количество распадов атомов, происходящих в единицу времени. Активность радионуклида зависит от количества радиоактивных атомов в данный момент времени (Nt) и от степени их нестабильности: А = Nt · λ. В СИ активность измеряется в беккерелях [Бк]; 1 Бк = 1 расп. /с. (1 ядерное превращение в секунду независимо от типа распада). Реже используется внесистемная единица измерения активности — кюри [Ки]; 1 Ки = 3,7 · 1010 Бк (количество распадов атомов в 1 г 226Ra за 1 секунду). Активность является количественной мерой содержания радионуклидов в изучаемом образце. На практике часто пользуются не абсолютной (Бк), а удельной, отнесенной к массе (Бк/кг) или объему (Бк/л) активностью. Методы регистрации ионизирующих излучений. Существующие в настоящее время методы измерения радиоактивности основаны на явлениях взаимодействия излучений с веществом. Условно методы и соответствующие детекторы регистрации радиоактивности можно разделить на 3 группы: химические, ионизационные и оптические. В основу химических методов положена способность излучений инициировать химические реакции атомов и молекул. Эти методы регистрации излучений в настоящее время применяются редко из-за небольшой чувствительности. Исключение составляет фотографический метод (радиоавтография). Исторически это первый метод регистрации излучений, с помощью которого была открыта радиоактивность (Беккерель А., 1896 г.). Ионизационные методы основаны на использовании явления прохождения электрического тока через газы (газовый разряд). Наиболее популярные детекторы, в которых реализован ионизационный метод, — счетчики Гейгера–Мюллера и полупроводниковые детекторы. В основу работы полупроводниковых детекторов положены особенности взаимодействия полупроводниковых материалов, таких как германий и кремний, с ионизирующим излучением. Полупроводниковый детектор можно рассматривать как аналог газоразрядного счетчика, в котором рабочим телом является не газ, а твердый полупроводник. Оптические (сцинтилляционные) методы основаны на сцинтилляции — возникновению достаточно интенсивных вспышек света в некоторых веществах при прохождении через них частиц и квантов высокой энергии. 24.2. Дозиметрия ионизирующих излученийПонятие дозы ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение поглощается веществом, с которым оно взаимодействует и теряет энергию. Энергетический эффект взаимодействия излучения со средой (поглощенная энергия излучения) и оценка этого эффекта в виде дозы излучения — предмет раздела радиологии «дозиметрия ионизирующих излучений». Доза ионизирующего излучения — количественная мера воздействия его на объекты окружающей среды. Следует различать дозу, формируемую при внешнем и внутреннем облучении. При внешнем облучении источник излучения находится вне облучаемого объекта, при внутреннем — внутри него. При простейшем случае внешнего облучения: система из точечного (бесконечно малого) источника ионизирующего излучения и облучаемого объекта, можно обозначить параметры, составляющие дозу: активность (A), экспозиция (t) — время нахождения под воздействием ионизирующего излучения, качество (энергия) излучения (Кγ — гамма-постоянная) и расстояния между источником излучения и облучаемым объектом (R). С первыми тремя составными доза связана прямо пропорциональной зависимостью, с четвертым — обратно квадратичной. Таким образом, для снижения дозы ионизирующего излучения следует работать с менее активными и энергонасыщенными источниками более короткое время и особенно на большем расстоянии. Обычно на практике пользуются величинами не дозы, а мощности дозы ионизирующего излучения Р, т. е. значениями дозы в единицу времени. Из закономерностей формирования доз следует важная пространственная закономерность распределения мощности дозы вокруг точечного источника ионизирующего излучения. Например, если имеется источник ионизирующего излучения А, то на расстояниях R1, R2, …, Rn будет выполняться соотношение: Р1R12 = Р2R22 = … = РnRn2. Это соотношение позволяет рассчитать безопасное расстояние, обеспечивающее безопасную работу без ограничения времени, исходя из безопасной дозовой нагрузки. Снижение дозовой нагрузки достигается также экранированием — установкой между источником ионизирующего излучения и облучаемым объектом защитных сооружений. Следует отметить, что формирование дозы внешнего облучения актуально преимущественно для проникающего излучения; вклад других излучений во внешнее излучения пренебрежительно невелик. Современная система дозиметрических величин. Основные виды доз. Доза формируется в дозном поле — поле ионизирующего излучения, представляющем собой пространство, каждой точке которого соответствуют дозиметрические величины, являющиеся характеристиками поля излучения. Эти величины характеризуют пространственно-временной перенос частиц и энергии излучения. Современная система дозиметрических величин включает: 1) физические величины, являющиеся мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество. Физические величины, как правило, являются характеристиками дозного поля излучения; 2) нормируемые величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия излучения на человека и 3) операционные величины, являющиеся непосредственно определяемыми в измерениях величинами, предназначенными для оценки нормируемых величин при радиационном контроле. Существуют несколько способов выражения доз ионизирующих излучений. Основной физической величиной для оценки меры действия ионизирующего излучения является поглощенная доза (D) — рассчитанная на единицу массы m облученного вещества поглощенная энергия излучения E: D = dE/dm. В СИ поглощенная доза выражается в греях (Гр) — джоулях относительно килограмма (Дж/кг) и радах (несистемная величина, от англ. radiation absorbed dose, дословно — доза поглощенной радиации), причем 1 рад = 10–2 Гр. Экспозиционная доза Х (или доза в воздухе) — это количество полного заряда ионов одного знака (Q), которые образуются в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами в единице массы сухого воздуха (m): Х = Q/m. Установленная в СИ единица измерения экспозиционной дозы — кулон относительно килограмма (Кл/кг). В практике распространена другая, внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген (Р). Соотношения между этими единицами: 1 Р = 2,58 · 10–4 Кл/кг. Из современных норм радиационной безопасности экспозиционная доза исключена; не рекомендуется пользоваться этим видом дозы, и прекращен выпуск дозиметров, отградуированных в рентгенах. Для определения дозы ионизирующего излучения с учетом биологического эффекта используется показатель, который называется взвешивающим коэффициентом WR, а доза в этом случае называется эквивалентной дозой Н и рассчитывается следующим образом: поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения: Н = D · wR. Для γ- и β-излучений WR = 1, для α-излучения WR = 20. Эквивалентную дозу в системе СИ принято выражать в зивертах (Зв), в качестве внесистемной единицы следует назвать бэр (биологический эквивалент рентгена), 1 бэр = 0,01 Зв. |
||||||||||||||||||||||
