Источники ионизирующих излучений в биосфере. Естественная радиоактивность. Лекция 3

1. 25.02.2023

ЛЕКЦИЯ 3
Источники ионизирующих излучений в
биосфере. Естественная радиоактивность.
Байтимирова Марина Олеговна

2. Содержание лекции

Космическое излучение. Классификация радионуклидов
присутствующих в биосфере. Источники и
радиоэкологическая
роль
естественных
радионуклидов:
космогенных,
радионуклидов
природных радиоактивных семейств, радионуклидов
не входящих в семейства.
2

3. Космическое излучение

Галактические космические лучи - излучение, идущее
из глубин космоса, простирающихся за пределы
солнечной системы. Состоит из протонов на 90%, альфачастиц около 10% и ядер тяжёлых элементов до 1%.
Радиационные пояса - заряженные частицы, образующие
циркулирующие вокруг Земли слои. Мощность дозы
растёт по мере увеличения высоты приблизительно до 11
км, а затем становится постоянной.
Солнечные космические лучи - непредсказуемые
мощные потоки радиации, идущие от Солнца, т.е. потоки,
сопровождающие
солнечные
ядерно-физические
процессы.
3

4.

5.

6. Средний поток ГКЛ = 1 ч/(с*см2)

СРЕДНИЙ ПОТОК ГКЛ
= 1 Ч/(С*СМ2)

7. Радиационные пояса

Одно колебание вдоль силовой линии из Северного
полушария в Южное протон с энергией ~ 100 МэВ
совершает за время ~ 0,3 с.
Время
нахождения такого протона в геомагнитной
ловушке может достигать 100 лет.
За это время протон совершает до 1010 колебаний.
В зависимости от энергии частицы совершают полный
оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до
нескольких суток.
Рис. 1. Примерный характер
движения заряженной частицы
в дипольном
магнитном
поле Земли
7

8. Мощность эквивалентной дозы космического излучения в зависимости от высоты над уровнем моря и широты, мЗв/год

Высота, км
0
1
2
3
4
5
10
15
30
Широта места, градусы
Экватор
0,30
0,60
1,00
1,70
2,60
4,00
14,0
30,0
35,0
30
0,70
1,30
2,20
3,60
5,80
23,0
50,0
60,0
50
0,90
1,70
3,00
5,00
8,00
45,0
110,0
140,0
8

9. Солнечные космические лучи

Большие вспышки происходят 1 раз в 4-5 лет.
При космических полетах поглощенная доза (ПД)
может изменяться в пределах (1,5 ÷ 5,0)·10-4 Гр/сут.
Поглощённая доза за большую вспышку может
составить 1,23 Гр (подобная вспышка наблюдалась в
1972 году).
Защиту
в радиационном отсеке
делают
из
алюминия ~ 3 г/см2 Al, для аномально больших
вспышек – до 15 г/см2.
При длительности полета до трех лет вес защиты
бытового отсека межпланетного корабля должен
составить около 30 тонн.
9

10. Космическое излучение

Пассажир обычного турбореактивного самолета при
полёте на высоте 12 000 м получает дозу около 5
мкЗв/ч, а в сверхзвуковом лайнере на высоте 20 000
м – 13 мкЗв/ч.
При перелёте на большей высоте человек
подвергается более интенсивному облучению,
однако меньшее время полёта на сверхзвуковом
лайнере позволяет снизить суммарную дозу за
полёт на 30 % по сравнению с турбореактивным
самолётом.
10

11. Классификация радионуклидов, присутствующих в окружающей среде

Радионуклиды
Искусственные
Естественные
космогенные;
радиоактивные
природные
Искусстве
семейства;
нные
радионуклиды, не входящие
в семейства.
продукты деления тяжелых ядер;
продукты нейтронной активации и
других ядерных реакций;
продукты ядерного синтеза.
11

12. Радионуклиды космогенного происхождения

14
С, Т1/2 = 5730 лет, тип распада – β-;
3
H (тритий), Т1/2 = 12,35 года, тип распада – β -;
7
Ве, Т1/2 = 53,3 сут, тип распада – электронный захват.
Реакции образования 14С и 3H (трития):
14
7
01 n → 146 C + 11 р,
14
7
N + 11 p → 31 Н + осколки,
14
7
N + 0 n → 31 Н + 6 C,
2
1
H + d (дейтрон) → 31 Н + 11 Н.
1
12
12

13.

С-14 - чистый бета-излучатель, 156,5 кэВ, 5730 лет
В дождевой воде 0,04 Бк/л, везде 0,26 Бк на грамм углерода
H-3 - чистый бета-излучатель, 18,6 кэВ, 12,3 года
Реакции скалывания
В воздухе – 0,02 – 0,2 Бк/1000 м3, в воде – 0,2 – 4 Бк/л
Be-7 – К.З., гамма-линия 477 кэВ, 53 дня
Реакции скалывания на 18О, 14N, 12С и др. + фотоядерные
реакции
В дождевой воде – от 0,4 до 4 Бк/л

14. Радиоуглеродный метод

После смерти биологического объекта равновесие с 14С
нарушается, и его концентрация убывает со скоростью
радиоактивного распада (А = Ао· е-λt). Ао =0,227 ± 0,001 Бк/г.
Радиоуглеродный
метод
разработан американским
радиохимиком У. Либби (Нобелевская премия 1960 года),
используется для определения возрастов не старше
50 000 лет.
Ас = 0,227 · е - λс· t,
где λс – постоянная радиоактивного распада 14С,
t – время, прошедшее после смерти организма,
Ас – удельная активность.
Тогда еλс· t =0,227/Ас и после логарифмирования получаем
оценку возраста:
t = ( ln (0,227/Ac))/ λc.
14

15.

15

16.

17. Наиболее важные космогенные радионуклиды

НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ КОСМОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ
Радионуклид
Поступление,
Бк/год
Годовая эффективная доза,
мкЗв
H3
250
0,004
Ве7
50
0,002
C14
20000
12
Na22
50
0,15

18. Природные радиоактивные семейства

Родоначальники трех семейств имеют возраст, сравнимый с
возрастом Вселенной – около 109 лет:
Семейство U-238: 238U (a 2b 4a 2B b B)206Pb
массовые числа членов семейства кратны 4n+2
Семейство U-235: 235U (a b a 3B a b B)207Pb
массовые числа членов семейства кратны 4n+3
Семейство Th-232: 232Th (a 2b 4a b B)208Pb
массовые числа членов семейства кратны 4n
Семейство Np-237: 237Np (a b 2a b 3a B b)209Bi
массовые числа членов семейства кратны 4n+1
В природе отсутствует, т.к. период полураспада Np-237 2,25·106 лет.
18

19.

Радиоактивное семейство Th-232 (4n).

20.

Радиоактивное семейство U-238 (4n+2).

21.

Радиоактивное семейство U-235 (4n+3).

22.

Радиоактивное семейство Np-237 (4n+1).

23.

Рецепт от
доктора
фармацевтики:
350 Бк Ra-226
800 Бк Th-232
на 4 грамма
пудры
Продавали до
1960-х годов

24.

Сигареты с радием
24

25.

Ректальные свечи с радием для повышения потенции
25

26.

Презервативы с радиевой пропиткой
26

27.

27

28.

29.

30. Пример: активности радона в воздухе и получаемые дозы облучения

ПРИМЕР:
АКТИВНОСТИ
РАДОНА В
ВОЗДУХЕ И
ПОЛУЧАЕМЫЕ
ДОЗЫ
ОБЛУЧЕНИЯ

31. Рак легкого

РАК ЛЕГКОГО

32.

33.

34. Смертность в США от различных видов онкозаболеваний

СМЕРТНОСТЬ В США ОТ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ОНКОЗАБОЛЕВАНИЙ

35.

Схема источников поступления радона в воздух жилых помещений

36.

Влияние проветривания на содержание радона в
воздухе жилого помещения

37. Нормы по радону:

НОРМЫ ПО РАДОНУ:
Питьевая вода – 60 Бк/л
В воздухе:
Для новых зданий
ЭРОА(Rn) + 4,6*ЭРОА(Tn) не более 100 Бк/м3
Для эксплуатируемых зданий
ЭРОА(Rn) + 4,6*ЭРОА(Tn) не более 200 Бк/м3

38.

4.2. Средние значения радиационных факторов в течение года,
соответствующие при монофакторном воздействии эффективной дозе 5 мЗв за
год при продолжительности работы 2000 ч/год, средней скорости дыхания 1,2
м3/ч и радиоактивном равновесии радионуклидов уранового и ториевого рядов
в производственной пыли, составляют:
- мощность эффективной дозы гамма-излучения на рабочем месте - 2,5
мкЗв/ч;
- ЭРОАRn в воздухе зоны дыхания - 310 Бк/м3;
- ЭРОАTn в воздухе зоны дыхания - 68 Бк/м3;
- удельная активность в производственной пыли урана-238, находящегося в
радиоактивном равновесии с членами своего ряда, - 40/f кБк/кг, где f среднегодовая общая запыленность воздуха в зоне дыхания, мг/м3;
- удельная активность в производственной пыли тория-232, находящегося в
радиоактивном равновесии с членами своего ряда, - 27/f, кБк/кг.
При многофакторном воздействии должно выполняться условие: сумма
отношений воздействующих факторов к значениям, приведенным выше, не
должна превышать 1.

39. Радоноопасные территории СНГ

РАДОНООПАСНЫЕ ТЕРРИТОРИИ СНГ

40.

Районы расположения уранодобывающих объектов в России

41.

Районы контроля объёмной активности радона 222Rn на территории России с
2008 г. по настоящее время

42.

Пути решения
Оценка уровней облучения осуществляется за счет мониторинга всех
объектов окружающей среды, которые должны контролироваться на
содержание природных радионуклидов, 222Rn и его ДПР :
приземном слое атмосферного воздуха, в поверхностных и
подземных
вода, в горных породах на территории, выявлять геологические разломы и
другие аномалии;
в воздухе в помещений проживания населения, детских и общественных
учреждений, в рабочих помещениях персонала.
Для обеспечения радиационной безопасности на потенциально опасных
территориях требуется организация широкомасштабного комплексного
радиационного мониторинга, при проведении которого есть ряд проблем.

43.

ЛОКАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
43

44. Элементы, содержащие первичные долгоживущие радионуклиды

ЭЛЕМЕНТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ПЕРВИЧНЫЕ ДОЛГОЖИВУЩИЕ РАДИОНУКЛИДЫ

45. Природные радионуклиды, не входящие в семейства

Изотоп Распространенность
изотопа, %
40K
87Rb
96Zr
130Te
144Nd
150Nd
147Sm
187Re
209Bi
0,0119
27,85
2,80
34,11
23,87
5,60
15,07
62,93
100
Период
полураспада,
год
Тип
распада
1,28 109
4,7 1010
6,2 1016
1,4 1021
2 1015
5 1015
6,7 1011
5 1010
2,7 1017
, ЭЗ
45

46. Природный калий

Изотопный состав природного калия (в ат.%):
39К= 93,2581±0,0029, (стабильный изотоп);
40К= 0,01167±0,00004, (радиоактивный изотоп);
41К= 6,7303±0,0029, (стабильный изотоп).
Удельная активность природного калия ~31 Бк/г
46

47. Задача

Рассчитайте среднюю β-активность тела
человека по 40K, если в человеке весом 70 кг
содержится 130 грамм калия
47

48. Активность тела человека по 40К

АКТИВНОСТЬ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА ПО 40К
В человеке весом 70 кг содержится около 130 г калия.
Масса изотопа 40К, согласно его доли в смеси изотопов,
составит:
0, 0117
m(К-40)= 130 ·
= 1,52·10-2 г;
100
а его активность
0,693 1,52 10 2 6,02 1023
3
0,893
3,5
10
Бк .
А=
9
1, 28 10 365 24 3600 40
48

49.

50. Природный рубидий

87 Rb,
Т1/2 = 4,7 · 1010 лет.
Тип распада: β-распад, Еmax= 0,274 МэВ, Есредняя= 0,079 МэВ.
50

51.

Изотопный возраст горной породы или минерала можно получить
при решении уравнения основного закона радиоактивного
распада относительно t. Для этого обычно используется
уравнение в которое подставлены соотношения между
материнскими и дочерними изотопами. Это уравнение имеет вид
D=DO+M(eλt - 1)
t = ln((D-DO)/M + 1)/λ
D – количество дочернего изотопа, DO - количество дочернего
изотопа в начальный момент времени, M – количество
материнского изотопа.
Значения D и M можно непосредственно измерить, в то время как
значение Do либо выбирается исходя из общих соображений,
либо рассчитывается.

52. Требования к объекту исследований

ТРЕБОВАНИЯ К ОБЪЕКТУ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Порода или минерал не должен терять ни материнский, ни
дочерний изотопы, т.е. отношение D/M должно меняться только
за счет радиоактивного распада. Другими словами, образец
породы или минерала должен быть закрытой системой
относительно родительского и дочернего изотопов.
2. Величине Do необходимо приписывать реальные значения.
Это обычно возможно, особенно когда D намного больше Do.
3. Значение постоянной распада λ должно быть точно известно.
Пример: погрешность (2σ) λ равна 0,11 % для урана-238 и 0,14 %
для урана-235, тогда как инструментальная погрешность при
измерении концентраций может быть менее 0,1%.
4. Измерение D и M должно производиться с достаточной
точностью,
и
полученные
значения
должны
быть
представительными по отношению к датируемой породе или
минералу.

53. Датировка и возраст

ДАТИРОВКА И ВОЗРАСТ
Когда эти четыре условия удовлетворены, решив уравнение,
мы произведем тем самым датирование породы или минерала.
Полученное значение t будет представлять собой изотопный
возраст породы или минерала.
Следует различать понятие датировка и изотопный
возраст. Решая уравнение, мы всегда получаем датировку.
Однако полученное таким образом значение t будет
представлять изотопный возраст породы или минерала
только в том случае, когда удовлетворяются все четыре
приведенные выше условия и когда полученную величину
можно связать со значительным геологическим событием
в истории этой породы или минерала.

54. Уравнение изохроны

УРАВНЕНИЕ ИЗОХРОНЫ
D1/D2 = (D1/D2)0 + M/D2(eλt - 1)
Где M – число ядер материнского изотопа
D1 – число ядер радиогенного изотопа
D2 – число ядер нерадиогенного изотопа
λ – постоянная распада материнского изотопа
t – возраст минерала

55.

56. Радионуклиды для геохронологии

РАДИОНУКЛИДЫ ДЛЯ ГЕОХРОНОЛОГИИ
Материнский
изотоп (М)
Тип распада, период
полураспада
Радиогенный
дочерний (D1)
Нерадиогенный
(D2)
K-40
β- (88,8%), β+ (11,2%),
1,28·109 лет
Ca-40, Ar-40
Ar-36
Rb-87
β-, 4,89·1010 лет
Sr-87
Sr-86
Sm-147
α, 1,06·1011 лет
Nd-143
Nd-144
Re-187
β-, 4,56·1010 лет
Os-187
Os-186
Lu-176
β-, 3,5·1010 лет
Hf-176
Hf-177
U-238
α, 4,468·109 лет
Pb-206
Pb-204
U-235
α, 7,04·108 лет
Pb-207
Pb-204
Th-232
α, 1,405·1010 лет
Pb-208
Pb-204

57. Древнейшие минералы, найденные на Земле

ДРЕВНЕЙШИЕ МИНЕРАЛЫ, НАЙДЕННЫЕ НА ЗЕМЛЕ
Минерал
Метод
Возраст, млн лет
Гнейс, Канада
87Sr/87Rb
3600±70
Циркон из гнейса, Мортон
207Pb/206Pb
3500
Гнейсы, Норвегия
207Pb/206Pb
3460±70
Гнейсы, Китай
143Nd/147Sm
3600
Гнейсы, Южная Африка
87Sr/87Rb
3440
Гнейсы, Западная Австралия
87Sr/87Rb
143Nd/147Sm
3348±43
3510 – 3630
Вулканогенные
зеленокаменные породы,
Австралия
207Pb/206Pb
3452±16
Кристаллические породы
района Исуа, Гренландия
87Sr/87Rb
207Pb/206Pb
3800±100
3810
207Pb/206Pb
4100 – 4200
Циркон из архейских
песчаников, Западная
Австралия

58.

Использование смолы Sr для определения географического
происхождения сыра

59.

60.

61. Нервановесные методы датирования

НЕРВАНОВЕСНЫЕ МЕТОДЫ ДАТИРОВАНИЯ
В некоторых объектах природной среды (гранитах, слюдах, цирконах и т.д.)
радиоактивное равновесие между членами рядов может сохраняться, но в
большинстве случаях оно нарушается ввиду множества природных факторов:
миграция р/элементов в отложениях, выведение из воды в осадок, растворение
одних и, наоборот, невозможность других изотопов переходить в раствор. Все это
связано с различием в физико-химических свойствах элементов, входящих в эти
ряды.
Появление и внедрение в практику геохронологических исследований
рассматриваемых ниже методов явилось результатом установления в
океанской воде и, как следствие, в донных отложениях, нарушения радиоактивного равновесия в природных рядах 238U и 235U. Эти методы могут быть
разделены на две категории:
1) одни основаны на явлении радиоактивного распада избыточного над равновесным с
материнским изотопом дочернего нуклида (например, 230Th над 234U или 231Pa над
235U),
2) другие, наоборот, - на накоплении дочернего радиоизотопа, стремящегося к
равновесию с материнским радиоэлементом (например, накопление 230Th из 234U или
231Pa из 235U).
61

62.

Th
230
80
Активность
100
60
40
20
0
0
200000 400000 600000
Время тыс. лет
Теоретическая кривая альфа-распада
Th-230 по глубине осадочной колонки
Используемые изотопы – Th-230, Pa-231, U-238/U-234
Пределы методов – от 1-2 тыс. лет до 500 тыс. лет
62

63. Q′/P′=234U / 238U R′/Q′=230Th / 234U

Q′/P′=234U / 238U
R′/Q′=230TH / 234U

64. Требования НРБ-99/2009:

ТРЕБОВАНИЯ НРБ-99/2009:
1.4. Требования Норм не распространяются на источники излучения, создающие
при любых условиях обращения с ними индивидуальную годовую эффективную дозу
не более 10 мкЗв. Требования Норм не распространяются также на космическое
излучение на поверхности Земли и внутреннее облучение человека, создаваемое
природным калием, на которые практически невозможно влиять.
Нормирование техногенного облучения в контролируемых условях:
Нормируемые
Пределы доз
величины*
Персонал (группа А)**
Эффективная доза 20 мЗв в год в среднем за любые
последовательные 5 лет, но не
более 50 мЗв в год
Население
1 мЗв в год в среднем за
любые последовательные 5
лет, но не более 5 мЗв в год
Эквивалентная
доза за год
в хрусталике
глаза***
150 мЗв
15 мЗв
коже****
500 мЗв
50 мЗв
кистях и стопах
500 мЗв
50 мЗв

65. Требования НРБ-99/2009:

ТРЕБОВАНИЯ НРБ-99/2009:
3.1.4. Эффективная доза для персонала не должна превышать за период
трудовой деятельности (50 лет) - 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70
лет) - 70 мЗв. Началом периодов считается 1 января 2000 года. – пункт
распространяется только на техногенные источники
4.1. Эффективная доза облучения природными источниками излучения всех
работников, включая персонал, не должна превышать 5 мЗв в год в
производственных условиях (любые профессии и производства).
4.3. Воздействие космических излучений на экипажи самолетов нормируется
как природное облучение в производственных условиях по п.4.1.
5.3.1. Допустимое значение эффективной дозы, обусловленной суммарным
воздействием природных источников излучения, для населения не
устанавливается. Снижение облучения населения достигается путем
установления системы ограничений на облучение населения от отдельных
природных источников излучения.
5.4.4. При проведении обоснованных медицинских рентгенорадиологических
обследований в связи с профессиональной деятельностью или в рамках медикоюридических процедур, а также рентгенорадиологических профилактических
медицинских и научных исследований практически здоровых лиц, не
получающих прямой пользы для своего здоровья от процедур, связанных с
облучением, годовая эффективная доза не должна превышать 1 мЗв.

66. Система ограничений на облучение населения от отдельных природных источников излучения:

СИСТЕМА ОГРАНИЧЕНИЙ НА ОБЛУЧЕНИЕ НАСЕЛЕНИЯ
ОТ ОТДЕЛЬНЫХ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ИЗЛУЧЕНИЯ:
1. Контроль содержания Rn-222 (радона) и Rn-220
(торона) в воздухе жилых и общественных помещений.
2. Контроль эффективной удельной активности
природных радионуклидов в строительных материалах.
3. Контроль природных радионуклидов в питьевой воде.
4. Контроль удельной активности природных
радионуклидов
в
минеральных
удобрениях
и
агрохимикатах

67. Требования ОСПОРБ-99/2010 к облучению населения при воздействии природных источников излучения:

ТРЕБОВАНИЯ ОСПОРБ-99/2010 К ОБЛУЧЕНИЮ НАСЕЛЕНИЯ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ:
5.1.1. Требования по обеспечению радиационной безопасности населения
распространяются на регулируемые природные источники ионизирующего излучения:
изотопы радона и продукты их радиоактивного распада в воздухе помещений, гаммаизлучение природных радионуклидов, содержащихся в строительных изделиях и
материалах, природные радионуклиды в питьевой воде, минеральных удобрениях и
агрохимикатах, а также в продукции, изготовленной с использованием минерального сырья
и материалов, содержащих природные радионуклиды.
5.1.2. Степень радиационной безопасности населения характеризуют следующие
значения эффективных доз облучения от всех основных природных источников излучения:
- менее 5 мЗв/год - приемлемый уровень облучения населения;
- свыше 5 до 10 мЗв/год - облучение населения является повышенным;
- более 10 мЗв/год - облучение населения является высоким.
Мероприятия по снижению уровней облучения природными источниками излучения
должны осуществляться в первоочередном порядке для групп населения, подвергающихся
облучению в дозах более 10 мЗв/год.
5.1.6. При выборе участков территорий под строительство зданий жилищного и
общественного назначения выбираются участки с мощностью эквивалентной дозы гаммаизлучения менее 0,3 мкЗв/ч и плотностью потока радона с поверхности грунта не более 80
мБк/(м2·с). При проектировании здания на участке с мощностью эквивалентной дозы
гамма-излучения выше 0,3 мкЗв/ч, плотностью потока радона с поверхности грунта более
80 мБк/(м2·с) в проекте должна быть предусмотрена система защиты здания от

68. Требования ОСПОРБ-99/2010 к облучению населения при воздействии природных источников излучения:

ТРЕБОВАНИЯ ОСПОРБ-99/2010 К ОБЛУЧЕНИЮ НАСЕЛЕНИЯ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ:
5.1.16. Использование в коммунальных условиях и быту материалов и
изделий, для которых в НРБ-99/2009 и настоящих Правилах не установлены
прямые нормативы на содержание природных радионуклидов, допускается, если
при использовании ее по назначению эффективная доза облучения населения не
превысит 0,1 мЗв/год.
5.1.17. При перевозке строительных материалов и изделий, минерального
сырья и материалов, изделий на их основе, а также производственных отходов,
содержащих природные радионуклиды, мощность дозы на поверхности
транспортного средства не должна превышать 1 мкЗв/ч, а на поверхности
упаковки продукции - 2,5 мкЗв/ч.