Реферат на тему:
Іонізація і радіоактивність у біосфері
Об’єктивні явища природи — іонізація і радіоактивність — завжди
існували й існують у біосфері, але ми їх не можемо сприйняти
безпосередньо нашими органами чуття. Лише на межі ХІХ і ХХ ст. учені
вперше виявили їх існування, а в наш час проблеми мілітарної ядерної
безпеки, безпеки АЕС стали глобальними проблемами людства.
Явище іонізації можна коротко визначити як процес поділу (перетворення)
електрично нейтральних атомів на позитивно заряджені іони і вільні
електрони, що відбувається під впливом зовнішніх енергетичних факторів.
Інакше кажучи — це відрив електрона (чи електронів) від атома. Отже, за
другим законом термодинаміки такий процес відбувається з поглинанням
енергії і збільшенням ентропії (невпорядкованості системи атомів). З
останнього випливає, що іонізація є (у загальному визначенні) негативним
фактором впливу на живу природу, що й зобов’язує нас розглянути це явище
докладніше.
Джерел іонізації атомів складових атмосфери, а також живої і неживої
речовини біосфери, є кілька.
Передовсім це іонізуюче випромінювання. Не кожне випромінювання може
бути іонізуючим. Так, енергії сонячних променів недостатньо для такого
процесу. Повсюдно відоме таке джерело іонізації, як рентгенівські
промені, відкриття котрих припадає на останнє десятиріччя минулого
століття. Німецький фізик Вільгельм Конрад Рентген, експериментуючи з
потоком електронів від катода до анода у вакуумній скляній колбі (1895),
спостерігав виникнення невідомих короткохвильових променів (від анода)
надзвичайно великої проникної здатності, які він назвав Х-променями. За
це відкриття В. К. Рентгену в 1901 році було присуджено Нобелівську
премію. Конструкцію приладу (рентгенівської трубки) і описи дослідів
ученого, як правило, можна знайти в будь-якому фундаментальному
підручнику з фізики. Тут зазначимо лише, що довжина хвилі Х-променів
становить 10 nm…1 pm (100…0,01 A), що на два порядки менше, ніж діапазон
видимого спектра сонячних променів.
Сучасні медичні рентгенівські апарати генерують Х-промені потужністю в
30—50 keV, а потужні промислові — від сотень keV, до 2…3 МeV, які здатні
«бачити наскрізь» багатотонні металеві зливки, виявляючи приховані
дефекти. Деякі сучасні дослідники доводять, що відкриттю Рентгена
передували аналогічні наукові дослідження нашого співвітчизника —
професора Вищої технічної школи в колишній Австро-Угорщині — І. П.
Пулюя, видатного вченого в царині газорозрядних процесів та
конструювання катодних трубок.
Одразу після відкриття ефекту «просвічування» предметів
Х-променями почалися інтенсивні дослідження таких явищ. Уже навесні 1896
р. французький учений А. Беккерель, досліджуючи явище фосфоресціювання,
відкрив, що подвійна сірчанокисла сіль урану і калію випромінює промені,
які засвічують фотопапір так само, як Х-промені. Щоправда, на відміну
від Х-променів, вони не відбивались і не заломлювались. Беккерель довів,
що випромінює їх елемент уран і назвав їх урановими променями. Його
сучасники, відомі нині як видатні вчені, лауреати Нобелівської премії
П’єр і Марія Кюрі виділили з уранової руди перші міліграми невідомих до
того часу елементів полонію і радію, а пізніше і торію, які
випромінювали «уранові промені». Сьогодні такі елементи мають загальну
назву радіоактивних (від латинського radius — промінь), а саме явище
називається радіоактивністю.
(два протони і два нейтрони). Електрозаряджені ? і ?-промені реагують
на магнітне поле, відхиляючись у бік його полюсів, протилежних відносно
їхнього заряду. Інтенсивність променів зменшується обернено пропорційно
квадрату відстані до джерела. Відкриття радіоактивності поклало початок
сучасній теорії будови атомів та їхньої іонізації. Людина виявила нову
«стихію» біосфери — природне радіоактивне випромінювання деяких
елементів свого навколишнього середовища.
Через деякий час (1912) на подив ученому світу австрійський фізик В.
Гесс сповістив, що підняті ним на повітряній кулі прилади на висоті 5 km
зареєстрували радіоактивне випромінювання набагато інтенсивніше, ніж
радіоактивність на поверхні Землі.
Більше того, що далі від поверхні Землі, то випромінювання було
сильнішим. Багаторазові вимірювання підтвердили сміливу думку, що
джерело нових інтенсивних променів перебуває поза межами нашої планети —
в Космосі. Нові промені отримали назву космічних.
) і зовсім рідко — ядрами атомів більш важких елементів — вуглецю,
азоту, кисню та інших, аж до заліза включно. Вражала їхня висока
проникна здатність, найбільша з усіх відомих науці.
Де, коли і за яких умов утворились такі «космічні промені» залишається
таємницею і сьогодні. Існують різні гіпотези. Але спочатку розглянемо,
за яких обставин заряджена частинка збільшує свою енергію. Одиниця, якою
вимірюють енергію часток, електрон-вольт (еV) пояснює природу цього
явища. Потрапивши в електронне поле, утворене різницею потенціалів між
зарядженими тілами в 1 V, електрон прискорюється до швидкості 593 km/s.
При цьому, зрозуміло, зростає його кінетична енергія, яка дорівнює
добутку його заряду на різницю потенціалів, до 1,6 · 10– 19 J. Саме ця
кількість енергії відповідає одиниці 1 еV. Щоб мати певне уявлення про
розмір цієї одиниці, вкажемо, що енергії руху молекул у газах чи атомів
у твердій речовині за кімнатної температури становлять від сотих до
десятих еV. За більш високих температур їхня швидкість, як було вже
показано (1.2.3), помітно зростає: частинці, яка рухається з енергією в
1 еV, відповідає температура близько 11 тис.°С. Максимальна енергія
електрона в атомі водню, за якої він іще утримується в полі тяжіння ядра
(протона), дорівнює 13,53 еV. Отже, щоб іонізувати атом водню, необхідно
збільшити енергію його електрона хоча б на 1 еV, чому відповідає
температура значно вища за 10 тис. °С.
За такої температури більшість молекул дисоціює (розпадаються) на атоми,
а їх іонізація відбувається за температур у десятки тисяч градусів. До
речі, на поверхні Сонця температура становить близько 6 000°С і тільки в
центрі сягає понад 40 000°С. Отже, гадають, що основна маса первинних
космічних часток (космічних променів) утворилась в надрах Сонця і зірок,
які потім унаслідок прискорення в міжзіркових чи інших міжпланетних
магнітних полях набули надзвичайно високих швидкостей і енергії.
Пізніше було доведено, що більшість таких частинок не космічного
походження, а утворились з атомів земної атмосфери, унаслідок
бомбардування їх «справжніми» космічними частинками. При цьому, нові,
утворені з атомів повітря частки, як і космічні, мають надзвичайно
велику енергію — у тисячі разів більшу, ніж ті, які виникають за
радіоактивного розпаду атомів відомих хімічних елементів. Такі вторинні
«уламки» атомів повітря самі здатні руйнувати нові атоми, а ті, у свою
чергу, інші, утворюючи «ланцюгову реакцію» атомних катастроф. Природа
начебто проводить «власні» експерименти, утворюючи «штучні частки», які,
на щастя, блискавично припиняють своє існування.
Виникає питання, чи не є космічні промені загрозою руйнування живої
речовини? Спробуємо відповісти на це питання з допомогою рис. 28. Потік
часток, які надходять з космосу, становить приблизно 10 тис. на m2 за 1
s з величезною енергією — мільярди еV. Наближаючись до Землі,
електрозаряджені частки космічних променів потрапляють в її
електромагнітне поле.
Те, що з ними відбувається, заслуговує на детальніший опис. Після
відкриття В. Гессом космічних променів найбільш визначних успіхів у
пізнанні цього явища було досягнуто вже за часів дослідження космосу
ракетами й супутниками. Перші прилади, які реєстрували космічні промені
на відстані від кількасот до кількадесятьох тисяч кілометрів, виявили
зони з різною концентрацією, енергією і зарядом космічних часток.
Дальшими дослідженнями було встановлено, що Земну кулю в площині
екватора оповито кількома відокремленими один від одного різною
відстанню від Землі поясами, густо «заселеними» частками різних зарядів,
енергій і мас. У площинах меридіанів (рис. 28) концентрація часток
зменшується в напрямку від екватора до полюсів. Над полюсами їхня
концентрація незначна.
Рис. 28. Радіаційні пояси Землі (пояси Ван Аллена)
f
h
j
j
Грунтовніший аналіз даних розподілу космічних часток і їхніх енергій
показав цікаве явище — магнітне поле Землі зупиняло, захоплювало і
утримувало заряджені космічні частки.
Зони підвищеної концентрації «космічних часток» у магнітному полі Землі
отримали назву поясів Ван Аллена.
Як сформувалися такі пояси?
Відомо, що будь-які заряджені частки, потрапивши в магнітне поле,
починають рухатись по спіралі навколо його силових ліній. Оскільки
щільність магнітного поля Землі збільшується від екватора до полюсів, то
частки, наближаючись до полюсів, поступово гальмуються, зупиняються і
починають рух у зворотному напрямі до протилежного полюсу, від якого
цикл знову повторюється. Такі коливання часток у магнітній «пастці»
відбуваються доти, доки вони не будуть вибиті іншими космічними частками
ще більших енергій.
Найближчий до Землі внутрішній пояс Ван Аллена (2… 3 тис. km)
«заселений» частками з позитивним зарядом і високою енергією порядку 100
МеV (протонами і ядрами легких елементів), які пройшли крізь зовнішнє
магнітне поле.
Більш віддалений зовнішній пояс «заселений» негативно зарядженими
частками — електронами. З’ясувавши природу космічних променів і роль
магнітного поля Землі, розуміємо, що останнє, як долоні великих рук,
надійно захищає Землю від небезпечних «прибульців» з космосу. Зникнення
магнітного поля, навіть на короткий час, призвело б до руйнування та
іонізації атомів атмосферних газів, припинення процесу фотосинтезу і
загибелі всіх живих організмів. Та незначна частка космічних променів,
яка все ж проривається до поверхні Землі, не становить загрози: в
процесі еволюції живі організми адаптувались до природних умов. Існує
навіть думка, що вони є певними стимуляторами життєвих процесів. Але
сьогодні людство виходить далеко за межі атмосфери і має зважати
передовсім на особливо небезпечний для космонавтики зовнішній пояс Ван
Аллена з високою концентрацією електронів.
.
. До речі, цей так званий «процес вуглець-азот-кисневого циклу»
відбувається в зірках.
Із самого початку відкриття радіоактивних елементів учених цікавило
питання, як довго існують радіоактивні елементи, якщо радіація є явищем
розпаду його атомів. Уже в перші роки досліджень радію подружжя Кюрі
встановило, що за 1 s в 1 g радію розпадається 37 млрд атомів. Саме цю
величину — кількість розпадів на 1 g за 1 s було названо питомою
активністю (а) будь-якого нукліду:
.
Розмірність ф. в. активності і її одиниця (див. 1.2.1) відповідно
будуть:
.
Невздовзі було визначено, що частка атомів радіоактивного елемента
(ізотопу), яка розпадається відносно всіх атомів в кожний момент часу
(s), є сталою величиною. Її позначення — (;
.
Розрахуємо сталу розпаду ? для радію виходячи з його активності а = 3,7
· 1010g–1 s–1 і кількості атомів у одному грамі — NRa (g–1), яке
дорівнює відношенню сталої Авогадро NA до молярної маси МRa:
.
Звідси
.
Стала розпаду ? для будь-якого радіоактивного елемента зумовлює його час
напіврозпаду — t1/2 і пов’язана з ним рівнянням:
t1/2 = 0,693/?.
років.
З часом активність вихідної кількості даної речовини зменшується за
експоненціальним законом.
) — 4,5 · 109 років, плутонію (Рu) —
2,4 · 104 років, радію (Ra) — 1590 років, цезію (Cs) — 30 років,
стронцію (Sr) — 24 роки, кобальту (Co) — 5,2 року, йоду (I) — 8 діб,
радону (Rn) — близько 4 діб.
).
в атмосфері Землі завжди є радіоактивний радон (Rn). На поверхні
Землі йонізуючі радіоактивні джерела, які містять торій і уран, — це
гірські породи і космічні промені. Радіоактивне випромінювання
природними джерелами грунту і води разом з космічними радіоактивними
частками, які досягли землі, утворюють так зване фонове випромінювання,
котре, на думку вчених, не тільки не шкідливе за нормальних умов для
організмів біоти, а, як уже було сказано, можливо, навіть регулює їхні
генні потоки.
Інтенсивність іонізуючого випромінювання в біосфері значно зросла за
останні десятиліття внаслідок економічної і мілітарної діяльності
суспільства: виробництво й випробування атомної зброї та розбудова
атомної енергетики. Екологічні проблеми людства
для визначення віку залишків органічної речовини
зв’язані саме з наслідками такої діяльності. У розділі 3.1.1 ми
розглянемо еколого-економічні проблеми розбудови атомної енергетики, а в
розділі 3.3.2 — вплив радіаційного випромінювання на організм людини
Література
Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ,
1999.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
