Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Природный радиационный фон: Учебное пособие

Голосов: 1

Учебное пособие подготовлено совместно на кафедре ядерной физики физического факультета и кафедре экологии и систематики беспозвоночных животных биологического факультета Воронежского государственного университета. Учебное пособие подготовлено в обеспечение лекционного курса "Радиоэкология", читаемого для студентов 5 курса физического факультета по специализациям "Физика ядра и элементарных частиц", "Ядерная физика" и "Медицинская физика", а также для студентов 4 курса и магистров 6 курса биологического факультета в обеспечение лекционных поточных курсов "Экология и рациональное природопользование" и "Экологические проблемы наземных экосистем".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
   ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
              УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
    «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
             УНИВЕРСИТЕТ»




          ПРИРОДНЫЙ
      РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
           Учебное пособие для вузов




       Издательско-полиграфический центр
   Воронежского государственного университета
                      2008


Утверждено научно-методическим советом физического факультета 12 но-
ября 2007 г., протокол №




Составители: М.Н. Левин, О.П. Негробов, В.Р. Гитлин, О.В. Селиванова,
О.А. Иванова


Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Терехов


Учебное пособие подготовлено совместно на кафедре ядерной физики фи-
зического факультета и кафедре экологии и систематики беспозвоночных
животных биологического факультета Воронежского государственного
университета.

Учебное пособие подготовлено в обеспечение лекционного курса «Радио-
экология», читаемого для студентов 5 курса физического факультета по
специализациям «Физика ядра и элементарных частиц», «Ядерная физика»
и «Медицинская физика» а также для студентов 4 курса и магистров
6 курса биологического факультета в обеспечение лекционных поточных
курсов «Экология и рациональное природопользование» и «Экологические
проблемы наземных экосистем».




Для специальностей: 010701 – Физика;
                    020201 – Биология



                                    2


                 Природный радиационный фон

     Открытие Беккерелем излучения урана в 1896 году стало первым в
ряду открытий, показавших постоянное присутствие в окружающем мире
радиационного фона, непрерывно воздействующего на природу Земли.
Последующие три десятилетия исследований предоставили данные о со-
держании радионуклидов в земных породах, в атмосферном воздухе, в во-
де океанов, морей, озер, рек. Важным было обнаружение свойства субъек-
тов органического мира – растений, животных и человека – накапливать в
себе радиоактивные вещества. Наличие в метеоритах радиоактивных эле-
ментов показало, что явление радиоактивности не ограничивается Землей,
но присуще и другим объектам Вселенной. Современная геофизика счита-
ет, что радиоактивный распад был причиной разогрева земных недр и дал
начало тектоническим и горообразовательным процессам на нашей плане-
те, при этом на поверхности Земли в местах разломов коры образовыва-
лись области с аномально повышенным уровнем радиации. Установлено,
что первичный уровень радиоактивности на поверхности Земли был в 5 –
10 раз выше современного, затем он постепенно снижался за счет распада
короткоживущих радионуклидов [1].
     Доза облучения от природных источников носит название природного,
или естественного, радиационного фона. Несмотря на малую величину есте-
ственного радиационного фона, интерес к нему велик и объясняется он
увеличением областей применения атомной энергии, радиоактивных изо-
топов и источников ионизирующего излучения. Расширение добычи мине-
рального сырья связано с подъемом на поверхность Земли большой массы
горных пород, в том числе и с повышенным уровнем радиоактивности, что
сопровождается антропогенным загрязнением естественными радионукли-
дами больших территорий. Все указанное является причиной увеличения
круга людей (не только специалистов, но и населения), подвергающихся


                                    3


воздействию возрастающих доз радиации, и интерес к радиационному фо-
ну связан, прежде всего, с решением вопроса: какие дозы облучения безо-
пасны для человека и какие представляют реальную опасность? Разумеет-
ся, радиоактивные элементы на Земле возникли задолго до появления на
ней живых существ, и, следовательно, все живые существа, включая чело-
века, с самого их зарождения непрерывно подвергались воздействию при-
родного радиационного фона и на протяжении своего длительного разви-
тия сумели приспособиться к воздействию радиации в определенном диа-
пазоне доз.


              Внешнее и внутреннее облучение человека
     Природный радиационный фон обусловлен источниками облучения,
находящимися как вне, так и внутри человека [28].
     Источниками внешнего облучения человека являются радиоактивные
вещества, содержащиеся в почве, горных породах, воздухе, воде, строи-
тельных материалах, а также космические лучи. Внешнее облучение явля-
ется следствием воздействия двух факторов, зависящих от места, а также
от условий проживания и вида деятельности человека.
     К первому фактору можно отнести облучение от радиоактивных ве-
ществ земной коры с учетом местности проживания людей, а также от ра-
диоактивных веществ, содержащихся в строительных материалах, из кото-
рых построены объекты жилищного, производственного и культурно-
бытового назначения. Сюда же относится и воздействие космического из-
лучения, связанного с высотой местности над уровнем моря (сильная зави-
симость) и с географической широтой (более слабая зависимость). Облу-
чение данного типа слабо меняется во времени, но зависит от местополо-
жения.
     Действие второго фактора определяется различными условиями жиз-
ни и видом деятельности людей, что приводит к большому диапазону доз

                                   4


облучения. Ко второму фактору относится и облучение от вдыхаемого с
воздухом радона, которое зависит от геологических условий местности,
типа, этажности и вентиляции помещений, а также от характера труда
(внутри помещения или на открытом воздухе), условий на рабочем месте и
т. д. Радиоактивные вещества, находящиеся вне организма человека, явля-
ются источниками всех трех основных видов радиоактивных излучений:
альфа-, бета- и гамма-лучей. Малая проникающая способность альфа- и
бета-излучений приводит к тому, что их основная часть поглощается воз-
духом, органическими веществами на поверхности Земли, одеждой чело-
века, внешними слоями строительных материалов и только незначительная
часть их попадает на тело человека, но и она поглощается поверхностным
слоем кожи. Поэтому при определении дозы в расчет принимается только
гамма-компонента, обладающая наибольшей проникающей способностью.
Известно, что за счет радиоактивных веществ, содержащихся в грунте и в
горных породах, человек получает в среднем дозу 1–2,4 мрад в неделю или
50–130 мрад в год. Меньшие значения доз получены над уровнем моря,
большие – над горными породами вулканического происхождения. Зимой
эта величина меньше, чем летом, так как слой снега в 30 см уже вдвое
снижает интенсивность γ-излучения [18].
     Значительную часть жизни (более 80 % времени) люди проводят
внутри помещений. Соотношение между поглощенной в воздухе дозой
внутри и вне помещений зависит от типа здания, этажа и других факторов.
Наименее поглощают γ-излучение стены деревянных домов. Поглощение
наружного излучения наиболее сильное в домах из камня, бетона, кирпича,
и радиационный фон в таких помещениях определяется в основном излу-
чениями радионуклидов, содержащихся в строительных материалах. Из-
мерение радиационного фона внутри помещений показало, что в деревян-
ных домах мощность дозы несколько меньше, а в кирпичных и бетонных



                                   5


несколько больше, чем на открытом воздухе. Наибольшим фоном облада-
ют помещения, построенные из материалов, содержащих гранит.
      В атмосферном воздухе всегда присутствует небольшое количество
радиоактивных веществ γ-излучателей: радиоактивные аэрозоли, обра-
зующиеся при выветривании горных пород, и радиоактивные изотопы, об-
разующиеся в воздухе при воздействии космических лучей. Доза радиа-
ции, создаваемая в воздухе всеми источниками, невелика и составляет в
среднем около 0,013 мрад в неделю.
      За счет космических лучей для местности, расположенной в средних
широтах (широта 500), доза радиации составляет около 50 мрад в год на
уровне моря, значительно возрастая с высотой. На высоте 1 км над уров-
нем моря она возрастает до 90 мрад в год, а на высоте 5 км – 800 мрад
в год [5, 7].
      Внутреннее облучение не зависит от вида деятельности человека, по-
стоянно во времени и в пространстве и вызвано радиоактивными вещест-
вами, которые с воздухом, водой или пищей попадают внутрь человече-
ского организма, усваиваются им, входят в его состав и облучают его из-
нутри. Основную часть эффективной эквивалентной дозы внутреннего об-
лучения дают источники земного происхождения и лишь небольшую
часть – космогенные радионуклиды.
      К источникам внутреннего облучения относятся калий-40, содержа-
щийся, в основном, в нервной и мышечной ткани, радий, откладывающий-
ся в костной ткани, газообразные продукты распада радона, накапливаю-
щиеся в дыхательных путях, и радиоактивные изотопы углерода-14, руби-
дия-87, полония-210.
      В табл. 1 [3] представлено содержание радиоактивных изотопов в те-
ле человека (среднее значение для человека весом 75 кг).




                                     6


                                                                   Таблица 1
        Содержание естественных радиоизотопов в теле человека
          (среднее значение для тела человека массой в 75 кг)

 Радиоактивный   Места преимущественного      Содержание     Радиоактивность,
     изотоп             накопления          радиоактивного        кюри
                                              изотопа (без
                                             стабильного)
                                              носителя, г
   Тритий-3           Весь организм             8 10-15         7,6 10-11
  Углерод-14          Жировая ткань             2 10-3           8,9 10-8
   Калий-40      Нервная и мышечная ткань      8,3 10-2           6 10-7
  Рубидий-87         Мышечная ткань             7 10-3          4,6 10-19
   Торий-232          Костная ткань             7 10-5          7,9 10-12
   Уран-235        Весь организм, почки         7 10-6          1,1 10-11
   Уран-238           Костная ткань             7 10-4          2,4 10-10
   Радий-226          Костная ткань          0,4–3,7 10-10      1,1 10-10



     Особенно большую роль во внутреннем облучении организма играет
калий-40 [7]. Он активно поглощается организмом из окружающей среды,
усваивается им и участвует в обмене веществ вместе со стабильными изо-
топами калия, необходимыми для жизнедеятельности человеческого орга-
низма. Калий-40 из почвы через корневую систему поступает в растения и
затем с растительной пищей попадает в организм животных и человека.
Среди дикорастущих растений наиболее интенсивно идет процесс накоп-
ления калия у высших цветковых, несколько ниже он у голосемянных и
минимален у мхов и лишайников. Калий-40 является основным естествен-
ным бета-излучателем, содержащимся в теле любого представителя флоры
и фауны. В табл. 2 [7] показано содержание калия-40 в основных продук-
тах питания растительного и животного происхождения.




                                      7


                                                                    Таблица 2
            Содержание калия-40 в основных продуктах питания
            Продукт          Содержание калия    Удельная активность
                                                   Бк/кг (10-9 Ки/кг)
            Пшеница                0,5                 150 (4,0)
                 Рожь              0,6                 176 (4,8)
             Горох                 0,9                 274 (7,4)
        Крупа гречневая            0,13                 41 (1,1)
           Картофель               0,45                130 (3,5)
            Морковь                0,29                 84 (2,3)
                 Лук               0,15                44,4 (1,2)
             Огурцы                0,34                100 (2,7)
            Лимоны                 0,17                41 (1,14)
             Клюква                0,15                44,4 (1,2)
            Говядина               0,37                 84 (2,3)
            Свинина                0,1                 33,3 (0,9)
                 Рыба              0,26                77,7 (2,1)
                 Икра              0,42                127 (3,4)
        Молоко коровье             0,14                44,4 (1,2)
        Масло сливочное           0,014                 37 (0,1)



Активность калия-40 в организме человека составляет примерно 2 104 Бк.
Содержание калия в теле человека зависит от пола и возраста. Оно макси-
мально у молодых мужчин и у пожилых женщин. Распределение калия в
различных органах и тканях тела и обусловленные излучением калия-40
мощности поглощенной дозы для взрослого мужчины приведены
в табл. 3 [5].




                                   8


                                                                      Таблица 3
 Средняя концентрация калия-40 в тканях взрослого мужчины и годовые
      поглощенные дозы, обусловленные этими радионуклидами

  Орган или ткань    Весовое содержа-       Концентрация ак-   Годовая поглощен-
                      ние элемента,          тивности, Бк/кг       ная доза,
                           г/кг                                      мкГр
      Гонады               2,1                    64                  180
      Легкие               2,1                    64                 180
 Красный костный           4,4                    130                270
       мозг
Эндостальные клет-                                                   140
        ки
Щитовидная железа          1,1                    33                 100
   Другие ткани            2,0                    81                 170


     Значительный вклад в радиоактивность человека вносит углерод-14 –
около 3 103 Бк или 18 % общей поглощенной дозы от радионуклидов, кото-
рые поступают в организм по пищевой цепочке.
     К характерным особенностям внутреннего облучения относятся:
  1) при внутреннем облучении основное действие оказывают альфа- и
бета-излучения, непосредственно действующие на жизненно важные внут-
ренние органы и ткани человека;
  2) большинство радиоактивных изотопов накапливается в определен-
ных тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей
организма;
  3) внутреннее облучение действует все время, пока радиоактивные ве-
щества находятся внутри организма.
     Различные органы и ткани человеческого организма обладают раз-
личной чувствительностью к облучению. Наиболее чувствительными яв-
ляются гонады – половые железы и органы кроветворения. Поэтому, по-
мимо общей дозы облучения, получаемой человеком, определяют эталон-
ную (реперную) дозу, получаемую гонадами. В табл. 4 представлены мощ-
ности доз внешнего и внутреннего облучения от естественных источников

                                        9


в районах с нормальным фоном радиоактивности. В таблице отдельно
представлена доза, полученная за счет альфа-частиц и нейтронов, обла-
дающих большей биологической эффективностью, чем гамма-лучи и бета-
частицы [6].
                                                           Таблица 4
     Годичные дозы, получаемые организмом человека в результате
   внешнего и внутреннего облучения от естественных источников [6]


          Источники облучения                      Клетки,
                                        Гонады,    выстилающие    Костный
                                        мрад/год    поверхность     мозг,
                                                       кости,     мрад/год
                                                     мрад/год
Внешнее облучение:
 космические лучи                          28           28          28
 излучение Земли (и воздуха)               50           50          50
Внутреннее облучение:
 калий-40                                 20           15            15
 рубидий-87                               0,3          0,3           0,3
 углерод-14                               0,7          1,6           1,6
 радий-226                                 –           0,6          0,03
 радий-223                                 –           0,7          0,03
 полоний-210                              0,3          2,1           0,3
 радон-222                                0,3          0,3           0,3

Итого                                     100          99           96
% альфа-частиц и нейтронов                1,3          4,4          1,4




     Установлено, что вклад внутреннего облучения (1,34 мЗв/год) в мощ-
ность эффективной эквивалентной дозы примерно в 2 раза превышает вклад
внешнего облучения (0,65 мЗв/год). Среди радионуклидов, дающих наи-
больший вклад в мощность дозы внутреннего облучения, на первом месте
стоят короткоживущие продукты распада радона-222 (около 60 %). Далее
идут калий-40 (13 %), радон-220 (13 %), и свинец-210 → полоний-210 (8 %).
Мощности доз, обусловленные космическим излучением и внешним облу-
чением радионуклидами, примерно равны.



                                   10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика