Определение основных видов бета-распада, а также экcпозиционной дозы и ее применимость на практике. Характеристика содержания радионуклидов в граните, анализ содержания основных нуклидов в донных отложениях морей, океанов и газовом составе атмосферы.
Дайте определение основных видов бета-распада Дайте определение экспозиционной дозы и поясните ее применимость на практике. Дайте характеристику содержания радионуклидов в граните Дайте характеристику содержания радионуклидов в алевритах Дайте характеристику содержания основных нуклидов в донных отложениях морей и океанов.
План
Содержание
Список литературы
Контрольная работа №1 радионуклид экспозиционный доза
Вопросы по темам №1.1; 1.2
№8. Дайте определение основных видов бета-распада
Бета-распад - тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон).
В случае испускания электрона он называется «бета-минус» (?-): в ядре элемента при ?- - распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино.
В случае испускания позитрона - «бета-плюс-распадом» (? ): в ядре элемента при ? -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино.
Кроме ?- и ? -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват. При электронном захвате внешние электроны в атоме (с более высоких по энергии оболочек) переходят на вакантные места внутренних электронов, расположенных на ближайшей оболочке.
Все вышеперечисленные типы бета-распада относят к одностадийным превращениям. Известна и двустадийная радиоактивность, связанная с испусканием ?- - частицы и вылетом из ядра так называемых запаздывающих частиц (протонов, нейтронов и др.) или последующим актом спонтанного деления.
№11. Для каких ядер характерна электронная и позитронная радиоактивность?
Под термином "?-распад" объединяют радиоактивные превращения, сопровождающиеся испусканием из атомных ядер электронов е- (электронная радиоактивность), которые возникают при превращении нейтрона в протон (?-распад); испусканием позитронов е (позитронная радиоактивность), возникающих в ядрах при превращении протона в нейтрон (? -распад); захватом орбитального электрона.
Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т.е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции. ?-Распад наблюдается как у легких, так и у тяжелых ядер. Как правило, ?-распад характерен для ядер, имеющих избыточное (по сравнению со стабильными ядрами) число нейтронов. Например, в стабильных ядрах атомов 12С и 13С содержится соответственно 6 и 7 нейтронов, а у ?-радиоактивного 14С - 8 нейтронов. Напротив, ? -распад характерен для нейтронодефицитных ядер, число нейтронов в которых меньше, чем в ядрах стабильных атомов данного элемента. Например, в стабильном ядре 23Na содержится 12 нейтронов, а в ядре ? -радиоактивного 21Na - 10 нейтронов.
Таким образом, электронным ?- -распадом обладают все нейтронно-избыточные ядра, а позитронным ? -распадом - нейтронно-недостаточные ядра.
Вопросы по теме №1.3-1.5
№8. Задача
Рассчитайте значение интенсивности гамма-потока в слое железа толщиной 3 см при энергии гамма-квантов 0,4 МЭВ и исходной интенсивности 50 гамма квантов в минуту/см2.
Решение: Интенсивность излучения на глубине слоя d: , где
I0 - исходная интенсивность излучения;
? - коэффициент ослабления в данном веществе;
d - слой ослабления.
Коэффициент ослабления для железа при энергии гамма-квантов 0,4 МЭВ равен ? = 0,74 см-1 гамма квантов в минуту/см2
№11. Объясните кривую Брэгга-Грэя?
Кривая Брэгга-Грэя характеризует линейные потери энергии протонов от их скорости (энергии) и атомного номера среды, в которую они попадают.
Удельная ионизация не является постоянной величиной, а является функцией пройденного альфа-частицей расстояния. Если измерить зависимость удельной ионизации от расстояния (длины пробега), пройденного частицей, получится кривая, показанная на рисунке 1. Эта зависимость называется кривой Брэгга-Грэя. Как видно из рисунка, с уменьшением скорости удельная ионизация возрастает, достигая острого максимума, и затем быстро падает до нуля. В конце пробега (при малых скоростях) потери энергии протонов возрастают и потери в зависимости от толщины слоя максимальны в конце пробега, называемом пиком Брегга.
Рисунок 1 - Кривая Брэгга-Грэя
Вопросы по теме №2
№8. Задача
Активность изотопа - 10569 Бк. Переведите это значение в Кюри.
№11. Дайте определение экспозиционной дозы и поясните ее применимость на практике
Экспозиционная доза X - это отношение суммарного заряда DQ всех ионов одного знака, созданных в сухом воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в этом объеме: X=DQ/dm.
Таким образом, в то время как поглощенная доза характеризует поглощенную в веществе энергию излучения, экспозиционная представляет собой энергию квантового излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в воздухе.
Единица измерения экспозиционной дозы в системе СИ - кулон на килограмм Кл/кг. На практике обычно используется внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген: P=2,58·10-4 Кл/кг; 1Кл/кг=3876 Р.
Понятием экспозиционной дозы желательно пользоваться для фотонного излучения в воздухе, при энергии фотонов до 3 Мэв.
В настоящее время использование экспозиционной дозы не рекомендуется. Это связано с тем, что экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использоваться в полях смешанного излучения разных видов. Однако в настоящее время используется очень большое количество дозиметрических приборов, которые осуществляют измерение дозы именно в единицах экспозиционной дозы.
Контрольная работа 2
Вопросы по теме №3
№8. Задача
Рассчитайте активность 60Со через 20 лет, если исходная активность 50 000 Бк.
Решение: Активность изотопа уменьшается со временем по закону: А = А0·е -?·t
Заменив в формуле постоянную распада ? ее выражением, получим: А = А0·е-ln2·t/T1/2 = А0·(eln2)-t/T1/2
Так как eln2 = 2, то А = А0·2-t/T1/2
Зная период полураспада 60Со: T1/2 = 5,24 лет
Получаем: А = 50000·2-20/5,24 = 3,55·103 Бк = 3,55 КБК
Ответ: 3,55 КБК.
№11. Задача
Активность почвы на настоящий момент времени составляет 500Бк. Какова была ее активность на момент аварии в Чернобыле?
Решение: Т.к. при анализе последствий Чернобыльской катастрофы Цезий-137 был выбран в качестве вещества, характеризующего величину осаждения на землю в связи с тем, что он легко поддается измерению и потому что он был основным элементом, вызвавшим радиационное облучение у населения после распада йода-131 со значительно меньшим периодом полураспада, то в качестве рассматриваемого радиоактивного элемента выберем 137Cs
Период полураспада T1/2 = 30,0 лет.
Авария произошла 25 лет назад => t = 25 лет.
Активность изотопа уменьшается со временем по закону: А = А0·е -?·t
Заменим постоянную распада ? ее выражением: А = А0·е-ln2·t/T1/2 = А0·(eln2)-t/T1/2 = А0·2-t/T1/2
Откуда: А0 = А/2-t/T1/2
Получаем: А0 = 500/2-25/30 = 891 Бк
Ответ: А0 = 891 Бк
Вопросы по теме №4.1-4.4
№8. Дайте характеристику содержания радионуклидов в граните
Содержание естественных радиоактивных нуклидов (ЕРН) в объектах окружающей среды по существу прямо или косвенно определяется радиоактивностью горных пород, содержащих основную массу радиоактивных элементов. Самые высокие уровни излучений имеют граниты. Например, до 90% урана находится в подвижной форме в некоторых гранитах и легко выщелачивается. Большинство гранитов имеют уровень излучений в пределах 0,2 микрозиверта/час.
В изверженных породах имеется тенденция к увеличению содержания урана с ростом содержания SIO2. Наивысшее содержание урана среди пород имеют граниты.
К гранитам пространственно тяготеют подземные радоновые воды с содержанием 222Pv 1-40 КБК/л
В таблице 1 приведены средние содержания ЕРН в типичных гранитах.
Таблица 1 - Содержание ЕРН в граните
ЕРН 238U 232Th 226Ra 40K
А, Бк/кг 52-111 85- 480 95-115 1070-1110
№11. Дайте характеристику содержания радионуклидов в алевритах
Алеврит - рыхлая мелкообломочная осадочная порода. Алеврит состоит преимущественно из минеральных зерен (кварц, полевой шпат, слюда и другие) размером 0,01-0,1 мм.
По степени радиоактивности осадочные материалы разделяют на 4 группы (низкой, средней, повышенной и очень высокой активности). Для алевритов характерна средняя радиоактивность (3,65-36,5 Бк/кг).
В крупных алевритах на мелководье (глубина 2-6 м) с активным гидродинамическим режимом отмечено минимальное содержание 137Cs: 0,6-20,0 Бк/кг. В мелкоалевритовых илах сравнительно глубокого (10-11 м) Темрюкского залива содержится до 30?80 Бк/кг 137Cs. В большинстве кернов содержание ЕРН снижается сверху вниз. Так, в 10 см алевритовых осадках содержания снижаются сверху вниз для 90Sr от 2,8 до 2,2 Бк/кг, 137Cs от 36 до 10 Бк/кг, 239,240Pu от 0,6 до 0,4 Бк/кг.
В таблице 2 приведены средние содержания ЕРН в типичных алевритах.
Таблица 2 - Средние содержания ЕРН в алевритах
ЕРН 238U 232Th 40K
А, Бк/кг 5,5-22,1 6,8-34,0 186-620
Вопрос по теме 4.5-4.7
№8. Дайте характеристику содержания основных нуклидов в донных отложениях морей и океанов
По существу морская вода является хлоридно-сульфатно-натриево-магниевым раствором, в котором в виде следов и примесей находятся все остальные химические элементы, в том числе и радиоактивные.
Многие параметры морской среды тесно связаны с биомассой морских организмов, их жизнедеятельностью, составом и миграцией. Формы нахождения радионуклидов определяются процессами их фрагментации и механизмами переноса от источника, то есть формой, в которой радионуклид поступает в морскую среду; преобладающей формой существования его в морской среде и его природных носителей, степени влияния механизма миграции на форму нахождения его в морской среде.
Содержания основных нуклидов в донных отложениях морей и океанов находятся в пределах: 12-36 Бк/кг 238U; 3-400 Бк/кг 226Ra и 0,17-16 Бк/кг 232Th. Обращает на себя внимание относительно большое содержание в осадках 226Ra и, особенно, 232Th по сравнению с их содержанием в воде: для 226Ra это соотношение - 40 Бк/кг, а для 232Th - 4·103 Бк/кг (для 238U это отношение 0,3 Бк/кг). Это естественным образом связано с известной способностью радия концентрироваться в известковых раковинах морских организмов и в водорослях и, соответственно, со значительным переносом его на дно. Для тория повышенная способность переноса на дно связана с его низкой растворимостью и связи его с терригенным (обломочным) материалом.
Контрольная работа 3
Вопросы по теме №5
№8. Дайте характеристику газового состава атмосферы
Атмосфера - газообразная оболочка, окружающая Землю. Почти вся масса ее сосредоточена в пределах 100 км (но 90 % в слое толщиной 16 км), нижний слой - тропосфера, простирается до высоты 10-11 км в северных и умеренных широтах и до 14-17 км - в тропических. Стратосфера расположена от верхнего края тропосферы до высоты 40 км; мезосфера - от края стратосферы до высоты 80 км; выше расположен сильно ионизированный слой - ионосфера. Наиболее интенсивные процессы переноса происходят в тропосфере. Состав приземного слоя атмосферы приведен в таблице 3: Таблица 3 - Состав воздуха
Газ Содержание по объему, % Содержание по массе, %
Азот 78,084 75,50
Кислород 20,946 23,10
Аргон 0,932 1,286
Вода 0,5-4 -
Углекислый газ 0,032 0,046
Неон 1,818х10-3 1,Зх10-3
Гелий 4,6х10-4 7,2x10-5
Метан 1,7х10-4 -
Криптон 1,14х10-4 2,9х10-4
Водород 5х10-5 7,6x10-5
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся S02, СН4, NH3, СО, углеводороды, HCL, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах.
Атмосфера находится в состоянии постоянного массообмена с литосферой, гидросферой и биосферой. Для нее характерна общая циркуляция - преобладающая система больших (планетарного масштаба) воздушных течений.
Атмосфера является основным резервуаром и переносчиком радионуклидов космического и искусственного происхождения, а ее приземный слой - переносчиком естественных радионуклидов земного происхождения.
Основными носителями радионуклидов в атмосфере являются аэрозоли - дисперсные системы на основе мелких частиц вещества в твердой или жидкой фазе в газообразной среде (размером от 1 мм до 10 мм). Радиоактивные аэрозоли - это аэрозоли, в состав которых входят частицы, полностью или частично состоящие из радионуклидов, которые либо входят в материал частиц, либо присоединяются к неактивным частицам.
Кроме радиоактивных аэрозолей в атмосфере содержатся радиоактивные газы, которые в течение сравнительно длительного времени не присоединяются к аэрозольным частицам. Это, например, радиоактивные благородные газы.
За последние полвека под воздействием все нарастающей антропологической деятельности радионуклидный состав атмосферы существенно изменился и продолжает изменяться. Отсюда и изменения радионуклидного состава атмосферных выпадений.
№11. Какие вариации испытывает содержание радона в атмосфере в одном и том же районе?
Содержание долгоживущих естественных радиоактивных нуклидов (ЕРН) в приземном слое воздуха определяется преимущественно запыленностью этого слоя, содержанием ЕРН в почво-грунтах и скоростью газовыделения эманации с земной поверхности.
Содержание эманации (222Rn) и продуктов его распада в воздухе определяется, в основном, газовыделением его с земной поверхности (почв, грунтов, растительного покрова) и турбулентной диффузией его в атмосфере.
Содержание 222Rn в приземном слое воздуха иногда хорошо коррелирует с содержанием 226Ra в приповерхностном слое почвы. Но районы с высоким содержанием 222Rn в воздухе все же чаще связаны е особой геологической структурой и особыми геохимическими характеристиками подстилающих пород.
Типичные скорости эманирования радона с земной поверхности изменяются от 2·10-4 Бк/(м2с) для скальных пород, до (8-21) ·10-3 Бк/(м2с) для горных почв, (4-50)·10-3 Бк/(м2с) для подзолистых почв, (5-38)·10-3 Бк/(м2с) с для пустынных почв и до (21-53)·10-3 Бк/(м2с) для черноземов. В зонах с аномальной геологией и геохимией подстилающих пород скорость газовыделения радона доходит до 5,25·10-2 Бк/(м2с). Средневзвешенная по площади земли скорость газовыделения радона 1,6·10-2 Бк/(м2с).
Содержание радона в атмосфере в одном и том же районе испытывает вариации в зависимости от погодных условий, времени суток и сезона, высоты над поверхностью земли. Так, например, если содержание 222Rn в приземном слое воздуха в условиях развитой воздушной конвекции 9 Бк/м3, в условиях устойчивости атмосферы (дымка, туман) 28 Бк/м3, то оно возрастает до максимума 67 Бк/м3 в условиях приземной инверсии в утренние часы.
В сезонных колебаниях содержания радона в воздухе проявляется максимум летом-осенью и минимум зимой-весной. В суточном ходе минимум наблюдается в послеполуденное время (12-15 часов), а максимум - после полуночи (0-6 часов) при расхождении максимума и минимума в 2 раза. С увеличением высоты от поверхности земли концентрация 222Rn уменьшается таблица 4.
Таблица 4 - Зависимость концентрации 222Rn от высоты
Н, м 222Rn, %
0,01 100
1,00 95
10,0 87
100 69
1000 38
От метеопараметров (температура, влажность воздуха, ветер) зависит не только содержание 222Rn, но и состояние равновесия между радоном в воздухе и продуктами его распада.
Общее содержание радона в атмосфере оценивается в 1018 Бк, из которого 1016 Бк обусловлено эманированием радона из почвы.
Прямыми признаками радоновых аномалий (кроме повышенного содержания радона в приземном слое воздуха) является повышенная скорость газовыделения радона с земной поверхности и повышенное содержание радона в почвенном воздухе.
Вопросы по теме №6-7
№8. Какие возможные механизмы действия радиопротекторов рассматриваются как вероятные
Несмотря на обширные исследования, радиобиологи не достигли единого, полного и общепризнанного представления о механизме действия химических радиопротекторов, что отчасти является следствием ограниченности современных познаний о развитии радиационного поражения при поглощении энергии ионизирующего излучения живыми организмами.
Представления о механизме защитного действия сосредоточены вокруг двух основных групп.
1. Радиохимические механизмы
По этим представлениям, радиозащитные вещества либо их метаболиты непосредственно вмешиваются в первичные пострадиационные радиохимические реакции. К ним относятся: -химическая модификация биологически чувствительных молекул-мишеней созданием смешанных дисульфидов между SH-группой аминокислоты белковой молекулы и SH-группой протектора;
-инактивация окислительных радикалов, возникающих преимущественно при взаимодействии ионизирующего излучения с водой пораженной ткани.
2. Биохимико-физиологические механизмы
Эти представления объясняют действие радиозащитных веществ их влиянием на клеточный и тканевый метаболизм. Не участвуя в самой защите, они косвенно способствуют созданию состояния повышенной радиорезистентности, мобилизуя собственные резервы организма. К этой группе можно отнести: - высвобождение собственных эндогенных, способствующих защите веществ, таких как эндогенные SH-вещества (например, гистамин);
- подавление ферментативных процессов при окислительном фосфорилировании, синтезе нуклеиновых кислот, белков и др., ведущих к снижению общего потребления кислорода, а в пролиферативных тканях-к отсрочке или торможению деления клеток;
- влияние на центральную нервную систему, систему гипофиз - надпочечники, на сердечнососудистую систему с созданием общей или избирательной тканевой гипоксии.
Особого внимания заслуживает и механизм комбинированного воздействия радиозащитных веществ. Обычно испытывается радиозащитное действие двухкомпонентных комбинаций, однако не составляют исключения и многокомпонентные рецептуры.
Все комбинации испытываются с тем, чтобы свести к приемлемому минимуму дозу отдельных компонентов с целью ослабления их нежелательного побочного действия и достижения наибольшего защитного эффекта.
Многокомпонентная рецептура протекторов с разными механизмами действия логически оправдана. Если при использовании отдельных протекторов перед летальным общим облучением выживало 20-30% крыс, то совместное применение этих протекторов повышало выживаемость животных до 70%.
Таким путем можно оценить, наблюдается ли в комбинациях синергизм защитного действия лишь аддитивного или же потенцирующего характера, повышается или снижается токсичность протекторов при их совместном или раздельном применении. Сделать это довольно трудно, ибо побочное действие радиопротекторов не слишком характерно. К таким проявлениям относятся тошнота, рвота, снижение артериального давления, брадикардия и др.
Вопросы по теме 8
№8. Каким образом детектируются гамма-кванты?
Детекторы служат как для регистрации самого факта наличия частицы так и для определения ее энергии и импульса, траектории движения частицы и др. характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.
В современных дозиметрических приборах широкое распространение получил ионизационный метод обнаружения и измерения ионизирующих излучений. Принцип обнаружения ионизирующих излучений гамма-лучей основан на способности этих излучений ионизировать вещество среды, в которой они распространяются. Ионизация, в свою очередь, является причиной физических и химических изменений в веществе, которые могут быть обнаружены и измерены. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы и др.
На рисунке 2 приведена типовая схема датчика регистрации гамма-излучения с помощью газоразрядного счетчика. Принцип работы следующий: в исходном состоянии емкость С1 заряжена до напряжения 400В. Ток через счетчик не протекает. Как только в чувствительный объем счетчика попадает гамма-квант и вызывает ионизацию счетчик становится токопроводящим и через него протекает ток по цепи С1- счетчик- обмотка импульсного трансформатора - С1. При этом на выходе трансформатора формируется импульс напряжения, который подается на регистрирующую схему.
Рисунок 2 - типовая схема датчика регистрации гамма-излучения с помощью газоразрядного счетчика
№11. Каким образом детектируются радиоактивные аэрозоли?
Радиоактивные аэрозоли измеряют осаждая их на фильтр из ткани Петрянова (ФПП-15) (Рисунок 3). После этого фильтр подносят вплотную к детектору радиометра. Принцип действия радиометра заключается в получении счетных импульсов от детектора, регистрирующего излучение счетного образца, экспонируемого в фиксированных условиях измерения. В радиометре используются газоразрядные или сцинтилляционные детекторы.
Газоразрядный детектор регистрирует ионизирующие излучения. Его работа основана на ионизирующем действии радиоактивного излучения. Газоразрядный счетчик воспринимает ядерное излучение и превращает его в электрические импульсы. Эти импульсы попадают в регистрирующее устройство. Частота поступающих импульсов характеризует степень радиоактивности.
Сцинтилляционные детекторы. Некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий, органические кристаллы) под воздействием онизирующих излучений светятся. Количество вспышек пропорционально мощности дозы излучения и регистрируется.
Рисунок 3 - Фильтр для измерения радиоактивных аэрозолей в воздухе
Для измерения радиоактивных аэрозолей и суммы радиоактивных йодов используют ленту с активированным углем, пропитанным азотнокислым серебром. Йоды реагируют с серебром и химически удерживаются на угле в ленте. Обычные аэрозоли задерживаются на ткани Петрянова (Рисунок 4). Лента непрерывно движется мимо детекторов (Рисунок 5).
Рисунок 4 - Лента для непрерывного измерения аэрозольной активности.
Рисунок 5 - Контроль радиоактивных аэрозолей (непрерывный).
Детектор Д1 определяет короткоживущую и долгоживущую компоненты. Детектор Д2 определяет долгоживущую компоненту. Детектор ДЗ определяет гамма-фон и вычитает его из показаний Д1, Д2.
