Get Adobe Flash player
Сайт Анатолия Владимировича Краснянского

Человек и радиация. Сборник статей. 1. Эдуард Иоханнесович Кэбин. Радиация. Страхи реальные и ложные. 2. Илья Абрамович Леенсон. Радиоактивность внутри нас.

5.02.2016 8:21      Просмотров: 911      Комментариев: 0      Категория: Экология, радиоэкология, ядерная геохимия.

 

Эдуард Иоханнесович Кэбин

Радиация. Страхи реальные и ложные

URL:   http://nuclphys.sinp.msu.ru/ecology/public/index.html

 

 

В 1895 г. Вильгельм Рёнтген открыл рентгеновские лучи, а в 1896 г. Антуан Беккерель открыл радиоактивность. Так началось изучение процессов и излучений, о существовании которых человечество до этого и не подозревало. Не подозревало и то, что чудодейственные свойства некоторых источников, связаны с какими-то таинственными лучами. А ведь использование целебных источников для лечения разных болезней насчитывало не одно столетие. В 1903 г. Джозеф Томсон, человек который открыл электрон (1897 г.), сделал еще одно открытие. Он зафиксировал радиоактивность колодезной воды. Позже оказалось, что воды многих известных курортных источников тоже радиоактивны. В 1898 г. Пьер и Мария Кюри открыли радий. Радиоактивность целебной воды была объяснена "эманацией радия" (радиоактивным газом, который мы сегодня называем радоном).
    Решили, что без радона вода мертва. Только радон делает ее живой. Вода без радона, что атмосфера без кислорода. Врачи перечисляли болезни, которые лечит эта живая вода: различных форм подагры и ревматизма , невралгию, желудочную диспепсию, хронический понос, хронические поражения кожи. Радиоактивность предотвращает безумие , вызывает благородные   эмоции , замедляет  приход старости   и  позволяет  радоваться жизни .


Рис. 1. "Целебная" вода

    Однако воду из целебных источников приходилось использовать на месте. Бутилированная вода не долго сохраняла свои свойства. Радон из бутылок улетучивался в атмосферу и довольно быстро распадался. Решение было найдено. Например в продажу поступили бутылочки с раствором радия (в основном радия-226). В каждой бутылочке 60 см2 воды с растворенным в ней 2 мкг радия. Радий постоянно распадался, образовывался радон. Целебные свойства сохранялись долго. Только через 1600 лет количество радия, соответственно и радона, должно было уменьшиться вдвое Рекомендовалось выпивать по бутылочке после еды.
    Мало того, в 1920-х и начале 1930-х, в продажу,  например в США, поступили содержащие радий  мази, косметические кремы, зубные пасты (считалось, что они помогают против кариеса и улучшают пищеварение), беруши, шоколадные батончики, мыло, суппозитории, и даже противозачаточные средства.
    Возникшей модой начали пользоваться жулики, которые не докладывали в свои продукты "радиоактивности", а то и вовсе вместо радия использовали обычную землю. Чтобы прекратить это безобразие, Американская медицинская ассоциация установила строгие стандарты (действовали с 1916 г. по 1929 г.). Устройства насыщающие радоном воду должны были обеспечивать образование радона в количестве не менее 2 мкКи радона на литр воды за 24 часа.
    Энтузиазм, однако, постепенно начал уменьшаться. Оказалось, что потребление "живой воды" может приводить к печальным последствиям. Нашумела история Эбена Байерса, известного бизнесмена из Питтсбурга, спортсмена - чемпиона США по гольфу среди любителей. Байерс заботился о своем здоровье и выпивал по три бутылочки радиевой воды в день, пока он не умер от отравления радием в апреле 1932 года.

    Давайте разберемся, что же пил несчастный Байерс и не только он. В каждой бутылочке было 2 мкг радия-226. Активность такого количества радия 2 микрокюри (2 мкКи).

2 мкКи = 2 × 3.7· 104 беккерелей (Бк) = 7.4· 104 распадов/с = 74 кБк.

    Воды в бутылочке 60 см3, соответственно удельная активность водички по радию 1230 кБк/литр. А теперь сравним.

"Высокое содержание радионуклидов обнаружено в водопроводной воде в населенных пунктах префектуры Фукусима. Пробы воды, взятые 20 марта в деревне Иетате, показали содержание по  йоду-131 – 965 Бк/литр, что более чем в три раза превышает предельно допустимую норму для взрослых – 300 Бк/л".

    Но это еще не все. Радий-226 распадаясь испускает альфа-частицы и образуется радиоактивный радон-222 (период полураспада ~3.8  дн). Гарантированно через месяц активность образующегося радона достигнет максимального значения и будет такая же как у радия  – 74 кБк (1230 кБк/л). Это на много больше, чем в водах известного с начала XX чешского курорта Яхимов (6.3 кБк/л ). Практически синхронно с радоном будет расти активности "дочерних" изотопов (полоний-218, свинец-214, висмут-214, полоний-214) и их активности достигнет тех же 74 кБк..  Цепочка распадов выглядит так

226Ra → 222Rn → 218Po → 214Pb → 214Bi → 214Po → 210Pb 210Bi 210Po 206Pb.

    У свинца-210 период полураспада относительно большой (22.3 года) и его активность будет расти заметно медленнее, достигнув половины активности своих предшественников через 22. 3 года. Его "дети" (висмут-210 и полоний-210) будут вести себя похожим образом; и в первые годы их будет относительно не много. (Более подробно распады радия и его "наследников" описаны здесь.)

    Таким образом в "коктейле", которым "поправлял" свое здоровье Байерс были альфа-излучатели (радий-226, радон-222, полоний-218, полоний-214) и бета-излучатели (свинец-214, висмут-214). Кроме того, в процессе цепочки распадов излучались и гамма-кванты. Какую дозу получил Байерс в процессе этой "терапии", остается только догадываться. Ясно, что огромную.

    Опасность для здоровья больших доз радиации с годами становилась все очевидней. В процессе работы над атомными проектами, во время взрывов атомных бомб, дозы, которые порой получали люди были настолько велики, что люди погибали через несколько дней, а то и часов после облучения. Накапливалась статистическая информация о связи доз облучения с различными заболеваниями, в частности онкологическими. Причинно-следственная связь между дозами облучения и состоянием здоровья становилась несомненной.

    Немного о дозах.

    Дозы бывают разного типа – экспозиционная, поглощенная, эквивалентная. Единицы измерения доз тоже разные – рентген и кулон/кг, рад и грей, зиверт и бэр. Бытовые дозиметры показывают мощность дозы в микрорентгенах в час (мкР/час), а, например, в сообщениях об аварии в микрозивертах в час (мкЗв/час) или миллизивертах в час (мЗв/час). Хотя экспозиционная доза не тоже самое, что эквивалентная доза, в большинстве случаев, представляющем интерес для непрофессионалов, можно пользоваться соотношением:

100 мкР ≈ 1 мкЗв,
100 бэр = 1 Зв.

    Мощность дозы в Москве обычно 13-15 мкР/час.


Рис. 2. Вклад различных компонент естественной радиации в радиационную нагрузку человека.

  Облучение делится на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека. Источниками внешнего облучения являются космическое излучение и наземные источники. Источником внутреннего облучения являются радионуклиды, находящиеся в организме человека.
    Если у Вас есть дозиметр и Вы решили померить уровень радиации, например, в Москве, то дозиметр скорее всего Вам покажет 13-15 мкР/час. Такая мощность дозы, к стати, и на рабочих местах ядерного практикума физического факультета МГУ. Однако в Москве Вы можете найти места и поинтереснее. Недавно натолкнулся на сообщение, что где-то в Москве дозиметр показал аж 37 мкР/час. Ах-ах, – затрепетали блоггеры, – это много. Подозреваю, что рядом просто было что-то, может из гранита или шлакобетона. Вы боитесь гранита? А он ведь "светит" сильнее, чем обычная деревяшка.
     Годовая средняя доза жителей Земли за счет всех источников оценивается в 2400 мР = 2.4 мЗв. Однако эта цифра мне напоминает "среднюю температуру по больнице". Уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. Посчитаем сколько покажет там наш дозиметр
(260 мЗв/год ≈ 0.03 мЗв/час = 30 мкЗв/час ≈ 3000 мкР/час). На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся монацитовые пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека, а дозиметр у них показывал бы за 40 мкР/час.

    Вы летаете на самолете? Я иногда летаю. Однажды из любопытства взял с собой дозиметр. На крейсерской высоте ~10  км он показал 250  мкР/час. Летел я 10 часов. Соответственно средняя мощность дозы, которой я подвергался за сутки, была около 110 мкР/час.

     Вклад космических лучей в индивидуальную эквивалентную дозу на уровне моря составляет около 15 % или примерно 40 % внешнего облучения от природных источников. При подъеме на 1500 м вклад космических лучей удваивается.  Это около 600 мкЗв/год. Мощность дозы за счет космического излучения зависит от широты и активности Солнца.


Рис. 3. Зависимость дозы от космического излучения от высоты

Рис. 4. Зависимость мощности дозы от широты Для разных высот и состояния солнечной активности

Так что шерпам, которые живут в горах на высоте до 4000 м, мощность дозы в 40 мкР/час не показалась чем-то необычным. И так каждый день. Да что там шерпы, спросите у французов или финнов, которые живут в местностях где много гранита, что показывают их дозиметры.


Рис. 5. Шерпы

 

- Я слышал, такие бывают языки... такие оленьи... Я понимаю, что...
- Сколько?
- Кило.
- Они в банках.
- Одна... Нет, две... Или три... Чтоб уже сразу. Ну, если вам все равно - четыре.
- Вы их не будете есть. Они своеобразного посола.
- Тогда одну.
- Одна.
- Две. Себе и на работе.
- Нельзя. Только вам.
- Ну, да, я съем сам. Вы сможете посмотреть.
- Одна.
- Нет. Две. Вдруг подойдет. Я тут же - вторую.
- Две.
- Нет, одна. Денег не хватит.  

Михаил Жванецкий

    А Вы ели оленину? Говорят вкусно. Сейчас напугаю.
    В мясе оленей накапливается до 14 Бк/кг свинца-210 и до 1.4 Бк/кг полония-210, которые они получают поедая лишайники, концентрирующие эти радионуклиды из воздуха. В организм населения в районах Крайнего Севера России, США, Канады и в Скандинавских странах, питающегося мясом оленей, в среднем поступает 3.7 Бк/сут полония-210, что в 10 раз превышает уровень поступления этого радионуклида в "нормальных" районах. Повышенное поступление сопровождается усиленным накоплением их в органах и тканях. В костях коренных жителей Крайнего Севера концентрация полония-210 в среднем составляет 21 Бк/кг, что обуславливает годовую поглощенную дозу, которая примерно в 35 раз выше, чем в среднем по планете.
   Испугались? А я попробую, если языки достану.
А вот и рецепт из Финляндии.

   В другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо и требуху овец и кенгуру.
    Свинец-210 и полоний-210 концентрируется в рыбе и моллюсках. Люди, потребляющие много   морепродуктов, могут получить относительно высокие дозы облучения.
    Однако, человеку необязательно есть оленину, кенгурятину или моллюсков чтобы стать радиоактивным. Основную дозу внутреннего облучения "средний" человек получает за счет радиоактивного калия-40. Этот нуклид имеет очень большой период полураспада (1.28·10лет) и сохранился на Земле со времени своего образования (
нуклеосинтеза). В естественной смеси калия 0.0117% калия-40. В теле человека массой 70 кг содержится приблизительно 140 г калия и соответственно 0.0164 г калия-40. Это 2.47·1020 атомов, из них каждую секунду распадается околоо 4000, т.е удельная активность нашего тела по калию-40 составляет ~60 Бк/кг. Доза, которую получает человек за счет калия-40, около 200 мкЗв/год, что составляет около 8% годовой дозы.
    Вклад космогенных изотопов (в основном это углерод-14), т.е. изотопов, которые постоянно образуются под действием космического излучения, невелик, меньше 1% от естественного радиационного фона.

     Наибольший вклад (40-50% общей экспозиционной годовой дозы человека) дают радон и продукты его распада. (Подробно о радоне и не только Вы можете почитать в курсе лекций И.Н. Бекмана.) Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрации в наружном воздухе существенно различается для различных точек Земного шара.
     Радон постоянно образуется в глубинах Земли, накапливается в горных породах, а затем постепенно по трещинам перемещается к поверхности Земли.
     Естественная радиоактивность воздуха, в основном обусловлена выделением из почв газообразных продуктов
радиоактивных семейств урана-радия и тория – радон-222, радона-220,  радона-219 и продуктами их распада, находящимися, главным образом, в аэрозольной форме.
     В глубинных грунтовых водах радона заметно больше, чем в поверхностных водостоках и водоемах. Например, в подземных водах его концентрация может изменяться от 4-5 Бк/л до
3-4  МБк/л, то есть в миллион раз.

    Если воду для бытовых нужд выкачивают из глубоко залегающих водяных пластов, насыщенных радоном, то высокая концентрация радона в воздухе достигается даже при приеме душа.

    Так, при обследовании ряда домов в Финляндии, было выяснено, что всего за 22 минуты пользования душем концентрация радона достигает величины, которая в 55 раз превышает предельно допустимую концентрацию.

    Концентрация радона может зависеть от времени года. Так, выделение радона в Павловске (под Петербургом) в среднем составляет весной, летом, осенью и зимой 9.6, 24.4, 28.5 и 19.2 Бк/м3·ч соответственно.

    Если в строительстве производстве применяют такие материалы как гранит, пемза, глинозем, фосфогипс, красный кирпич, кальциево-силикатный шлак, источником радоновой радиации становится материал стен.

    Дозы за счет ингаляции радона и продуктов его распада при пребывании человека в помещении определяются особенностями конструкции зданий, используемых строительных материалов, систем вентиляции и т.п. В некоторых странах цены на жилье формируются с учетом величины концентрации радона в помещениях.

    Многие миллионы европейцев живут в местах, традиционно имеющих высокий радоновый фон, например, в Австрии, Финляндии, Франции, Испании, Швеции и получают в 10-20 раз большую природную дозу облучения по сравнению с жителями Океании, где выделения радона пренебрежимо малы.

    Отношение людей к той или иной опасности определяется степенью осведомленности о ней. Есть опасности, о которых люди попросту не подозревают.

    Что же делать, если Вы узнали "страшную" тайну, что живете в местности, где много радона. Кстати, концентрацию радона Вам никакой бытовой дозиметр не измерит. Для этого существуют специальные приборы. Пропускайте питьевую воду через угольный фильтр. Вентилируйте помещения.


Часы с циферблатом и стрелками выпуска до 1962 г.

    Вы задумывались почему постоянно светятся циферблаты и стрелки некоторых приборов, в частности часов? Они светятся благодаря радиолюминисцентным краскам, которые содержат радиоактивные изотопы. До 80-х годов в них в основном применялись радий или торий. Мощность дозы вблизи таких часов около 300 мкР/час. С такими часами вы вроде бы как летите в современном самолете, там ведь тоже радиационная нагрузка приблизительно такая же.

    В первый период эксплуатации первых американских атомных подводных лодок, при нормальной работе реакторных установок, дозиметристами было отмечено некоторое превышение нормы облучения экипажа лодок. Обеспокоенные специалисты проанализировали радиационную обстановку на корабле и пришли к неожиданному выводу: причиной являлись радиолюминесцентные циферблаты приборов, которыми в избытке были оснащены многие корабельные системы. После сокращения количества приборов и замены радиолюминофоров радиационная ситуация на лодках заметно улучшилась.

    В настоящее время в радиолюминесцентных источниках света для бытовых приборов применяется тритий. Его бета-излучение небольшой энергии почти полностью поглощается защитным стеклом.

    Сильно загрязняет природные воды деятельность горно-обогатительных комбинатов.
Ежегодно из
хвостохранилищ на Курской магнитной аномалии в водную систему района выносится 4 т. урана и 35 т. тория. Этот объем радиоэлементов относительно свободно достигает водоносных горизонтов в связи с тем, что хвостохранилища располагаются в пределах влияния зон повышенной проницаемости земной коры.

    Анализы питьевой воды г. Губкин показали, что содержание в ней урана в 40 раз, а тория в 3 раза больше, чем в воде г. Санкт-Петербурга.

    Непривычно воспринимать как источники радиационного воздействия угольные электростанции на органическом топливе. Радионуклиды из сгоревшего в топке котла угля поступают во внешнюю среду или через трубу вместе с дымовыми газами или с золой и шлаками через систему золоудаления.

Годовая доза в районе вокруг ТЭС на угле составляет 0.5-5 мбэр.

    Некоторые страны эксплуатируют подземные резервуары пара и горячей воды для производства электроэнергии и отопления домов. на каждый гигаватт-год вырабатываемой ими электроэнергии приходится коллективная эффективная доза в три раза большая аналогичной дозы облучения от электростанций, работающих на угле.

    Как это ни парадоксально, но величина коллективной эффективной эквивалентной дозы облучения от АЭС при нормальной эксплуатации в 5-10 раз ниже, чем от угольных электростанций.

    Приведенные цифры относятся к безаварийной работе реакторов современных АЭС.


Рис. 7. Вклад различных компонентов в полную радиационную нагрузку человека.

    Среди всех источников ионизирующего излучения, влияющих на человека, медицинские занимают лидирующее положение.

    Среди них, как в масштабах использования, так и в плане лучевой нагрузки на население, была и остается рентгеновская диагностика, на долю которой приходится около 90% всей медицинской дозы.
    В результате медицинского облучения население каждый год получает приблизительно такую же дозу, какой исчисляется весь радиационный груз Чернобыля в интеграле за 50 лет с момента возникновения этой крупнейшей мировой техногенной катастрофы.

    Общепризнанно, что именно рентгенология располагает наибольшими резервами оправданного снижения индивидуальных, коллективных и популяционных доз. ООН подсчитано, что уменьшение доз медицинского облучения всего на 10%, что вполне реально, по своему эффекту равносильно полной ликвидации всех других искусственных источников радиационного воздействия на население, включая атомную энергетику. Доза медицинского облучения населения России может быть снижена примерно в 2 раза, то есть до уровня 0.5 мЗв/год, который имеет большинство индустриально развитых стран.
    Ни последствия испытаний ядерного оружия, ни развитие атомной энергетики не оказали существенного влияния на дозовую нагрузку, причем вклад этих источников в облучение постоянно снижается. Вклад от природного фона постоянен. Постоянна и доза от флюорографии и рентгеновской диагностики человека. Вклад радона в дозовую нагрузку в среднем на треть меньше флюорографии.

    Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного облучения. Неизвестно, могут ли существовать наши экосистемы без постоянного (и как некоторым кажется – вредного) радиационного воздействия на них. Неизвестно даже можем ли мы безнаказанно снижать дозу, получаемую населением от различных источников излучения.

    На Земле есть территории, где многие поколения людей живут в условиях природного радиационного фона, превышающего средний по планете показатель на 100 % и даже на 1000 %. Например, в Китае есть местность, где уровень естественно гамма-фона обеспечивает жителям за 70-летний период жизни 385 мЗв, что превышает уровень, требующий переселения жителей, принятый после аварии на Чернобыльской АЭС.

Однако смертность от лейкоза и рака в этих районах ниже, чем в районах с низким фоном, а часть населения этой территории – долгожители. Эти факты подтверждают, что даже значительное превышение среднего уровня радиации в течении многих лет может не оказывать отрицательного влияния на организм человека; более того, в областях с высоким радиационным фоном уровень здоровья населения достоверно выше.

Даже в урановых шахтах только при получении дозы более 3 мЗв в месяц достоверно возрастает заболеваемость раком легких.

    К радиации применим физиологический закон Ардна-Шульца: слабая стимуляция оказывает активизирующее действие, средняя – нормализующее, сильная – ингибирующее, сверх сильная – подавляющее и повреждающее. Все мы знаем от каких недугов помогает аспирин. Но я не завидую тому, кто проглотит сразу всю пачку. Так и с препаратами йода, бездумное применение которых может привести к неприятным последствиям. Так и с радиацией, которая может как лечить, так и калечить. Постоянно появляются работы, свидетельствующие о том, что малые дозы облучения не только не вредны, а скорее, наоборот, повышают защитно-приспособительные силы организма.

    На естественную радиацию мало кто обращает внимания. Население, как правило, охотно идет на рентгеновские процедуры, при этом нередко за секунды получая дозу облучения, в десятки раз превышающую суммарное годовое облучение. Но люди легко "ведутся" на "страшилки", которыми их потчуют некомпетентные, недобросовестные, а иногда просто неадекватные  "эксперты" и журналисты.

    Как отметил академик РАМН Леонид Ильин:

    «Трагедия в том, что народ не знает медицинских вопросов… В этом смысле события в Японии могут быть печальными. Особенно после того, как появляются инсинуации про 120 тысяч случаев рака, и возникает паника у людей. То же самое было с Чернобылем. Чем только не пугали. По заключениям серьезных ученых, основные последствия Чернобыля – это, прежде всего, социально-психологические последствия, затем социально-экономические и уже на третьем месте – радиологические».

Источники

 


Илья Абрамович Леенсон
Радиоактивность внутри нас
    Илья Абрамович Леенсон. Радиоактивность внутри нас.  «Химия и жизнь» №7, 2009.    URL:    http://elementy.ru/lib/431032?context=42845


Cначала — две цитаты: из раздела «Пишут, что...» и из статьи А. М. Чекмарева «Радиоактивность вокруг нас» (обе — из «Химии и жизни», 2008, № 10). Цитата первая: «Практически все клетки человеческого тела ежегодно испытывают хотя бы одно событие радиационного поражения, многие — несколько раз». И вторая: «Большинство людей получает от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год за счет земной радиации... В среднем от земных источников естественной радиации мы получаем примерно 350 микрозивертов в год (то есть индивидуальные дозы у большинства из нас ближе к 0,3 миллизиверта)... Если говорить о том, какой именно элемент вносит наибольший вклад в наше внутреннее облучение, то это газ радон и продукты его распада. Его доля — около 75% годовой индивидуальной дозы облучения человека от земных источников и около половины дозы от всех источников радиации». (Кстати, более подробно об облучении от вездесущего радона можно прочитать в статье «Еще раз о радиоактивности в нашем доме», опубликованной в № 4, 1990.)

Прежде всего — несколько слов о единице облучения в статье Чекмарева. Она названа в честь шведского физика Рольфа Максимилиана Зиверта (1896–1966). Это — единица эквивалентной дозы излучения в СИ, принятая на XVI Генеральной конференции по мерам и весам в 1979 году (с 1975 по 1979 год она назвалась «грэй»). Зиверт (Зв) равен дозе любого вида ионизирующего излучения, производящего такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 Гр, а эта единица (как единица поглощенной дозы) названа в честь английского физика Луиса Гарольда Грэя (1905–1965). Один грэй — поглощенная доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Значит, для среднего человека массой 70 кг 1 Зв соответствует общей поглощенной энергии 70 Дж. Для теплотехники это небольшая величина, ее достаточно для нагрева стакана воды менее чем на 0,1 градуса. Для человека же такая доза, особенно если она однократная, означает исключительно сильное поражение. Поэтому на практике применяют дольные единицы: 1 мЗв и 1 мкЗв.

Мало кто знает, что, если человека поместить в свинцовую камеру с толстыми стенками и никакой радон в его легкие попадать не будет, он все равно будет облучаться. Источник этого облучения — радионуклиды в его собственном теле, которые попали к нему при рождении и продолжают пополняться всю его жизнь. Избавиться от них невозможно принципиально, как, например, невозможно избавить человека от кальция или фосфора в его организме. Таких радионуклидов, вносящих основной вклад во внутреннее облучение, всего два. Это калий-40 и углерод-14 (так называемый радиоуглерод).

Начнем с калия. Это один из наиболее распространенных элементов в земной коре: его в ней 2,1 %. Калий представлен в природе тремя изотопами:

Изображение «Химия и жизнь»

В среднем относительная атомная масса калия с учетом распространенности его изотопов равна 39,0983. Один из этих изотопов, 40K, радиоактивен, хотя его активность и невелика, поскольку очень велик период полураспада (t1/2 = 1,28·10лет). Исходя из приведенных данных, можно рассчитать, какую радиацию мы получаем за счет распада калия в собственном теле. В человеке массой 70 кг содержится примерно 0,2% калия, или 140 г (кстати, это больше, чем натрия, которого в человеке около 100 г). Следовательно, средний человек всегда носит в своем теле 0,0164 г радиоактивного калия-40, или 2,47·1020 атомов.

Скорость радиоактивного распада — уравнение первого порядка, то есть она пропорциональна числу имеющихся атомов (N): dN/dt = –kN; знак минус показывает, что число атомов уменьшается со временем. (В радиохимии константу k обычно называют постоянной распада и обозначают греческой буквой λ.) Константа k связана с периодом полураспада простым соотношением: k = ln2/t1/2 = 0,693/1,28·109 = 5,41·10–10 год–1. То есть в теле человека распадается 5,41·10–10 × 2,47·1020 = 1,34·1011 атомов за год — больше ста миллиардов, или 4250 атомов каждую секунду!

Какая же энергия выделяется при этом? Нуклид 40K распадается по двум путям: на 11% он претерпевает электронный захват (его еще называют K-захватом, по номеру оболочки, с которой происходит захват электрона): 40K + е → 40Ar. Именно в результате такого распада 40K в земной коре и образовалась основная часть атмосферного аргона. Этот процесс является также основой так называемого калий-аргонового метода в геохронологии. Остальные 89% 40K (1,2·1011 атомов в год) распадаются с испусканием бета-излучения: 40K → 40Ca + е. Энергия этих β-частиц равна 1,314 МэВ = 1,314·106 эВ. Как известно, 1 эВ соответствует 96 500 Дж/моль, или 96 500/6·1023 = 1,6·10–19 Дж в расчете на одну частицу. Следовательно, энергия всех испущенных за год в теле человека β-частиц составит 1,314·106х1,6·10–19 × 1,2·1011 = 0,025 Дж или 0,36 мЗв.

Но и это не всё. Помимо калия-40 в нашем теле всегда присутствует радиоактивный углерод-14 с периодом полураспада 5730 лет, избавиться от которого тоже нельзя. Земля, как известно, подвергается непрерывному облучению космическими частицами. Если бы не атмосфера, пропускающая к земной поверхности лишь небольшую часть космического излучения, жизнь на Земле вряд ли была бы возможна. Из разнообразных ядерных реакций, идущих в верхних слоях атмосферы, нас сейчас интересует лишь одна — захват нейтронов атомами азота, при котором из ядра вылетает один протон: 14N + n → 14C + р.

Ядро составляет ничтожную часть объема атома, поэтому нейтроны даже при высокой плотности их потока редко попадают в ядро и над 1 см2 земной поверхности за 1 с образуется в среднем всего 2,4 ядра 14C. Если учесть площадь поверхности Земли, то получится, что ежегодно в атмосфере образуется примерно 8 кг этого нуклида. Земля существует миллиарды лет, и если бы ядра 14C были бы стабильными, то их масса на Земле исчислялась бы десятками миллионов тонн. Однако нуклид 14C радиоактивен и непрерывно распадается. Поэтому всего на Земле имеется около 60 тонн радиоуглерода, из которых ежегодно распадается 8 кг — столько же, сколько его образуется (в этом случае говорят о радиоактивном равновесии). Для Земли 60 тонн — крайне малая величина. Так, в атмосферном углекислом газе количество радиоуглерода в среднем составляет лишь около 1 тонны, или 3·10–11% от «обычного» атмосферного углерода (12C + 13C); остальной радиоуглерод в основном растворен в воде океанов. Содержание 14C нарушалось в 50-е — начале 60-х годов XX века в результате испытаний ядерного оружия, и лишь к началу XXI века оно почти вернулось к прежнему уровню.

Большинству из вновь образовавшихся атомов 14C предстоит долгая жизнь — на многие тысячи лет. После образования они почти мгновенно окисляются в воздухе до 14CO, а затем в течение нескольких недель — до 14CO2, молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода, который в огромных количествах усваивается растениями в процессах фотосинтеза. Так радиоуглерод попадает в биосферу. Растениями питаются животные, поэтому вся живая органическая материя содержит радиоуглерод, хотя и в ничтожных количествах (1,18·10–14% относительно углерода-12). Причем большое время его жизни и здесь способствует его равномерному распределению. Очень важно, что в результате обменных процессов, протекающих в живой природе, содержание 14C в растениях и животных в течение их жизни остается постоянным (хотя в разных растениях — разным, см. «Химию и жизнь», 2005, № 4). Но как только обмен с окружающей средой прекращается, содержание радиоуглерода начинает очень медленно снижаться — вдвое каждые 5730 лет.

Радиоуглерод входит также в состав неорганических соединений, которые растворены в воде морей и океанов, в подземных водах и находятся в обменном равновесии с углекислым газом атмосферы. В основном это растворимые гидрокарбонаты, которыми так богаты минеральные воды. Но как только обмен прекращается (например, углерод вошел в состав минерала), происходит то же, что и в живой природе после гибели организма — содержание 14C в обычном углероде со временем начинает убывать.

Подробное рассмотрение закономерностей образования и распада радиоуглерода позволило американскому физикохимику Уилларду Фрэнку Либби (1908–1980) совершить в конце 40-х годов выдающееся открытие и через несколько лет получить Нобелевскую премию по химии «за разработку метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».

Вернемся теперь к «среднему» человеку и посчитаем скорость распада радиоуглерода в его теле. Известно, что в 1 г природного «живого» углерода происходит 15,3 распада 14C в минуту. Такая малая активность (намного меньше фона) сильно затрудняла измерения с помощью счетчиков, поэтому сейчас для точного определения содержания радиоуглерода используются масс-спектрометрические методы. В человеке массой 70 кг содержится около 14 кг углерода. Следовательно, в минуту в нем будет распадаться 15,3·103 × 70 = 1,07·106 атомов, а в год — 5,63·1011 атомов 14C, величина того же порядка, что и для атомов 40K (конечно, это случайное совпадение).

Однако энергия при этом выделяется не такая большая. Углерод-14, как и калий-40, претерпевает β-распад, но со значительно меньшей энергией — всего 0,156 МэВ = 0,156·106 эВ. Значит, суммарная энергия всех β-частиц равна 0,156·106 × 1,6·10–19 × 5,63·1011 = 0,014 Дж, или 0,2 мЗв. Общая же доза от «внутреннего» облучения составит 0,36 + 0,2 = 0,56 мЗв, то есть столько же, сколько от внешних источников! Следует, однако, отметить, что мягкое излучение радиоуглерода задерживается в тканях полностью, тогда как более энергичные частицы, испускаемые атомами 40K, могут частично вылетать из тела.

Как видим, общее число частиц высокой энергии, испускаемых в теле человека нуклидами 40K и 14C в течение года, приближается к триллиону (1012). Клеток в организме порядка ста триллионов. Однако следует учесть, что мы рассчитали только «внутренние» частицы, тогда как человек подвергается также и внешнему облучению. Еще важнее то, что одна частица высокой энергии может вызвать целый каскад превращений и поразить не одну клетку. Поэтому приведенная в начале статьи цитата выглядит вполне правдоподобной, хотя и парадоксальной для небиолога.

В заключение — несколько забавных расчетов. Зная, сколько атомов 40K распадается в человеке за год по механизму 40K + е → 40Аr (примерно 1,5·1010), легко подсчитать, что в теле человека в течение 50 лет образуется около 3·10-8 мл аргона, а у всех людей на Земле — менее 200 мл — не хватит, чтобы надуть один воздушный шарик...

Современное значение относительной атомной массы калия — 39,0983. Какое значение получил бы воображаемый инопланетный химик, если бы он провел измерения этой величины в момент образования нашей планеты, 4,5 млрд лет назад? Отношение числа атомов 40K к современному рассчитывается по простой формуле: N0/N = exp(–kt) = exp(5,41·10–10 × 4,5·109) = 11,4. Теперь рассмотрим образец земной коры, содержащей 100 атомов калия. Из них сейчас на долю 39K приходится (в среднем, конечно) 93,2581 атомов, на долю 40K — 0,0117 атомов и на долю 41K — 6,7302 атомов. В момент образования Земли число атомов 39K и 41K было таким же, а число атомов 40K было в 11,4 раза больше, 0,1334; то есть к настоящему времени распалось 91,2% первоначального количества атомов калия-40! Итак, 4,5 млрд лет назад наш воображаемый образец содержал 100,1217 атомов. Их суммарная масса составляла 93,2581 × 38,9637 + 0,1334 × 39,9640 + 6,7302 × 40,9618 = 3914,6929 г, а относительная атомная масса элемента калия была 3914,6929/100,1217 = 39,0993. Изменение в третьем знаке после запятой инопланетный химик смог бы установить.

В заключение попробуем оценить, насколько нагрелась бы земная кора только за счет радиоактивного распада 40K, если бы в ней распалось всего 5% от имеющегося сейчас количества 40K — без учета тепловых потерь в окружающее пространство. Такое количество распадется за 95 миллионов лет. Будем считать, что калий распространен равномерно, а теплоемкость земных пород примем равной 1 Дж/(г·К). Сейчас в 1 кг породы содержится примерно 21 г калия, из которых на долю 40K приходится 21 × 0,000117 = 0,0025 г. При распаде в этой породе 5% 40K, то есть 0,0025 × 0,05 = 1,25·10-4 г, или 3,12·10-6 моль, выделится 1,314·106 (эВ) × 96,5 (кДж/(моль·эВ)) × З,12·10–6(моль) ≈ 400 кДж. В отсутствие тепловых потерь это привело бы к нагреву земной коры на 400 К! Таким образом, распад калия-40 вносит заметный вклад в тепловой баланс Земли и, вероятно, других планет. Действительно, по разным оценкам, распад калия-40 дает от 10 до 15% суммарной скорости генерации энергии в земной коре.

Ещё статьи:
Комментарии:
Нет комментариев

Оставить комментарий
Ваше имя
Комментарий
Код защиты

Copyright 2009-2015
При копировании материалов,
ссылка на сайт обязательна