Радиоактивное загрязнение атмосферы
К опасным факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудщению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность.
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивого изогона одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, а-частиц)/
Промежуток времени, в течение которого разлагается половина первоначального количества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада.
К основным видам радиоактивного распада относятся а-распад, р-распад, электронньш захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивното распада сопровождаются испусканием
у-лучей, т.е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного излучения.
При се-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 2 Не ; это приводит к уменьшению
заряда исходного радиоактивного ядра на 2, а его массового числа на 4.
Таким образом, в результате а-распада образуется атом элемента, смещенного на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы.
Возможность Р-распада связана с тем, что, по современным представлениям, протон и нейтрон представляют собой два состояния одной и той же элементарной частицы - нуклона (от латинского nucleus - ядро). При некоторых условиях (например, когда избыток нейтронов в ядре приводит к его неустойчивости) нейтрон может превращаться в прютон, одновременно «рождая» электрон. Этот процесс можно изобразить схемой:
Нейтрон = протон + электрон
или п=р+е'
Таким образом, при Р-распаде один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон; возникающий при этом электрон вылетает из ядра, положительный заряд которого на единицу возрастает.
Изменение заряда ядра при р-распаде приводит к тому, что при Р-распаде образуется атом элемента, смещенного на одно место от исходного радиоактивного элемента к концу периодической системы.
Элементы, расположенные в конце периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и так далее до тех пор, пока не получаются атомы устойчивого изотопа. Ряд элементов, образующийся подобным образом один из другого, называется радиоактивным рядом. Примером может служить приводимый ниже ряд урана - после-довательность продуктов превращения изотопа U, составляющего преобладающую часть природного урана.
Естественная радиоактивность атмосферы - это закономерное явление, обусловленное двумя причинами: наличием в атмосфере радона Rn и продуктов его распада, а также воздействием космических лучей. Сам радон, полураспад которого равен 3,8 дня, а также его изотопы первоначально образуются в земной коре за счет радиоактивного распада урана и тория (над стрелкой - тип радиоактивного распада; под стрелкой - период полураспада): Образуясь в грунте, радон затем через поры почвы проникает в приземный слой атмосферы, вследствие его захвата естественными аэрозолями переносится в самые верхние плоскости тропосферы, а его долгоживущие продукты распада, такие, как 21082Pb,2 83Bi и 2 ЛфРо, обнаруживаются и в стратосфере. Атмосферный круговорот радона включает его легкую вымываемость осадками и осаждение на земную поверхность под действием силы тяжести.
Космические лучи, проникающие на Землю из мирового пространства, обычно подразделяют на первичные и вторичные. В состав первичных космических лучей входят, главным образом, положительно заряженные частицы (преимущественно протоны). Они обладают огромными энергиями и несутся в мировом пространстве, с колоссальными скоростями. Проникая в земную атмосферу, первичные лучи уже на высоте около 50 км начинают взаимодействовать с ядрами встречных атомов, что ведет к образованию элементарных частиц, называемых пионами (П). Масса пионов - порядка 0,15 а.е.м., заряд их может быть и отрицательным, и положительным, и нейтральным, время жизни - 10"8 с. В слое атмосферы от 50 до 20 км шшги все первичные космические лучи расходуют свою энергию, которая передается вызванному ими вторичному космическому излучению. Последнее слагается в основном из мюонов (ц), представляющих собой частицы с массами порядка 0,11 ае.м., несущие положительный или отрицательный заряд и живущие не более 2-10 с, а также электронов* позитронов и у-лучей. Вторичные космические лучи, доходящие до поверхности Земли, подразделяются на «мягкие» и «жесткие», первые из которых поглощаются толщей свинца и состоят в основном из электронов и позитронов, а вторые - это мюоны, обладающие большой проникающей способностью.
Возникновение радиоактивных изотопов объясняется тем, что космические лучи, проникающие в атмосферу со скоростям», близкими к скорости света, сталкиваются с ядрами компонентов воздуха, движущихся со сравнительно небольшими скоростями (порядка 0,5 -1 км/с), вызывают ядерные реакции превращения одного вещества в другое. Главными радиационными частицами, обусловливающими радиоактивный фон атмосферы под влиянием космических лучей, являются тритий (,3#) и радиоуглерод (64С). Образование трития происходит за счет взаимодействия атмосферного азота с нейтронами Имеются, однако, и другие пути образования трития, в частности за счет взаимодействия атмосферного азота с протонами высоких энергий и атмосферного кислорода и нуклонами. В свою очередь, распад трития приводит к образованию гелия Общее количество трития на земном шаре оценивается величиной 12 кг. Образование радиоуглерода (^вызвано таким взаимодействием атмосферного азота с нейтронами, в процессе которого возникает неустойчивый радиоактивный азот (75 ^генерирующий 6 С и протон (±ру Характерно при этом, что распад "С вновь приводит к образованию стабильного азота: *'
,4C=L4iV + е
предопределяя тем самым обратимость процесса. По имеющимся данным, равновесная концентрация радиоуглерода и6С на земном шаре оценивается на сегодня величиной 8-104 кг.
Обращает на себя внимание, что содержание трития и радиоуглерода в стратосфере значительно больше, чем в тропосфере. Это говорит о том, что указанные радиоизотопы возникают именно под действием космических лучей. Кроме того, образование и концентрация в атмосфере указанных изотопов имеют минимум у экватора и растут по направлению к магнитным полюсам Земли, подобно тому, как это отмечается и для распределения космических лучей. Это
34
*
также служит подтверждением того, что радиоизотопы водорода и углерода возникают в атмосфере под действием космических лучей. Их влияние обусловливает появление и других радиоизотопов, вносящих свой вклад в радиоактивный фон атмосферы. Так, под действием космических лучей на атмосферный аргон образуется радиоизотоп хлора \пС1):
£Аг + ^=?79СЙ> + И, (1.38)
(где v - элементарная частица, называемая нейтрино), а также изотоп самого аргона:
Наличие в атмосфере рассмотренных выше радиоизотопов обусловлено в целом так называемой «естественной» ра/щрактивностью, к которой живые элементы биосферы хорошо адаптировались в процессе эволюции. Что касается антропогенных радиоактивных факторов, опасных по своим последствиям, то они связаны главным образом с «искусственной» радиоактивностью. При ядерных взрывах большая часть изотопов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Известно, что через несколько десятков секунд после взрыва образуется примерно 100 различных изотопов, двадцать девять из которых вносят наибольший вклад в радиоактивность атмосферы через час, двадцать - через двое суток, а три - через 100 лет. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в атмосфере в результате ядерных взрывов, приведены в табл. 5
Таблица 5 Основные радиоактивные изотопы, обнаруживаемые в атмосфере после ядерного взрыва
Изотоп 89 г, ззЬг 90 о„ 4<>Zr 131 т 531 13755CS ,405бВа ,4458Се
- 51 день 27,7 лет 65 дней 8 дней 28,8 лет 12,8 дня 28 дней
Во время ядерных взрывов радиоактивные вещества находятся в газообразном состоянии и по мере понижения температуры конденсируются в аэрозольное облако. Наиболее крупные частицы, радиусом 20 мкм, достаточно быстро выпадают из атмосферы и оседают на земной поверхности. Мелкие же частицы, радиусом от 1 до 10 мкм, попадают не только в верхние плоскости тропосферы, но и в стратосферу, обусловливая так называемое «глобальное» выпадение
|
