Радиоактивность внутри нас. Радиоактивные вещества в природе

Таблица 2-9

Средняя удельная активность k-40 и Rb-87 в органах и тканях взрослого мужчины и создаваемые годовые эквивалентные дозы

Примечание: 1) УА - удельная активность; 2) ГЭД - годовая эквивалентная доза; 3) годовая эффективная доза.

Из почвы К-40 поступает в растения, а затем, с пищей - в организм животных и человека. Радиоактивные изотопы калия поступают в организм, главным образом, с пищей и водой. Калий практически полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется в органах и тканях. Т б калия составляет 58 суток.

Суточная потребность человека в калии составляет около 3 г, т. е. в организм может поступать и значительное количество К-40 (табл. 2-8). Например, средняя активность К-40 в красном костном мозге человека оценивается в 121 Бк/кг (содержание калия в красном костном мозге - 4 г/кг), в скелетных мышцах - 90 Бк/кг (содержание калия - 3 г/кг).

Рубидий-87 (Rb-87, T 1/2 - 4,8∙10 10 г, ядро претерпевает -превращение) входит в состав продуктов деления урана (до 6 %). При пероральном поступлении практически полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется в органах и тканях (табл. 2-9). Т б из мягких тканей человека составляет 44 (от 32 до 57) суток.

Техногенно измененный радиационный фон

Формируется в результате деятельности человека, в основном, за счет источников ионизирующих излучений, используемых в медицине; глобальных выпадений радионуклидов; стройматериалов; телевидения; авиации.

Источники ионизирующего излучения, используемые в медицине , являются основной составляющей искусственного облучения и широко распространены во всем мире. Диагностическое облучение характеризуется довольно низкими дозами, получаемыми каждым из пациентов (типичные эффективные дозы находятся в диапазоне 1–10 мЗв), что достаточно для получения требуемой клинической информации. Итоговые значения подушной дозы в различных популяциях приведены в таблице 2–10.

Таблица 2-10

Радиационные нагрузки при медико-диагностических рентгеновских обследованиях

Терапевтическое облучение сопряжено с гораздо большими дозами, точно подводимыми к объему опухоли (типичные назначаемые дозы находятся в диапазоне 20–60 Гр). По оценке НКДАР ООН ожидается дальнейшее увеличение использования излучения в медицинских целях и соответствующих доз: увеличится использование рентгеновского излучения за счет возрастания значения компьютерной томографии и интервенционных процедур; возрастет использование радиофармпрепаратов для диагностики и терапии (применение новых и более избирательных средств); возрастет потребность в лучевой терапии вследствие старения населения.

Среднемировое значение индивидуальной дозы облучения всего тела вследствие медицинских процедур (главный вклад дает диагностика) составляет 0,4–1,0 мЗв/год; а в некоторых странах - от 50 до 100 % ЕРФ. В 1996 году облучение населения Беларуси за счет медицинских источников оценивалось в 2,0–2,5 мЗв/год. (Для сравнения: по данным индивидуального дозиметрического контроля в этом же году индивидуальные дозы работников рентгенкабинетов и радиоизотопных лабораторий составляли 2,5–6,3 мЗв/год). Для жителей Беларуси важно снижать дозовые нагрузки за счет медицинских источников.

Стройматериалы формируют эффективную дозу, равную 0,1 мЗв/год. Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется под влиянием двух противоположно действующих факторов:

а) экранирование внешнего излучения зданием;

б) излучение естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которых построено здание.

В зависимости от концентрации К-40, Ra-226, U-238 и Th-232 в различных стройматериалах мощность дозы в домах меняется от 4∙10 –8 до 12∙10 –8 Гр/ч (0,04–0,12 мкГр/ч). В среднем, в кирпичных, бетонных зданиях мощность дозы в 2–3 раза больше, чем в деревянных домах и в домах из синтетических материалов, где она обычно составляет 0,04–0,05 мкГр/ч (табл. 2-11). Необходимо отметить, что, чем больше отходов производства пошло на изготовление стройматериала, тем выше может быть его удельная активность.

О повышенном уровне калия в организме говорят тогда, когда количество калия в крови превышает значение 5 ммоль на литр. Такое состояние называют гиперкалиемией. Избыток калия очень опасен для организма человека, поскольку приводит к нарушениям работы сердца, почек, расстройствам нервной системы. Поэтому при обнаружении гиперкалиемии необходимо срочно принять меры по выведению калия из организма. Что конкретно нужно предпринять? Давайте разбираться вместе.

Прежде всего, давайте определимся с признаками. Основными симптомами избытка калия в организме являются:

• Нарушение сердечного ритма.
• Слабость, потеря сил, снижение работоспособности.
• Раздражительность, нервозность, перепады настроения.
• Снижение чувствительности, например, онемение рук или ног.
• Учащенное мочеиспускание.

Как выявить гиперкалиемию? Незначительное повышение калия в организме протекает практически бессимптомно и вряд ли заставит вас обратиться к врачу. Но при прохождении очередного медосмотра и сдачи анализа крови данную проблему можно обнаружить случайно. Также данная проблема выявляется и при выполнении электрокардиограммы (ЭКГ): на ЭКГ появляются высокие Т-волны, увеличиваются интервалы ORS и P-R, видна желудочковая тахикардия. Высокий уровень калия в организме несет серьезную угрозу работе сердца. Зачастую именно в связи с нарушением работы сердца пациенты обращаются к врачу, после чего начинается поиск причины имеющихся проблем. ЭКГ помогает заподозрить гиперкалиемию, однако окончательный диагноз можно поставить только по результатам анализа крови.

Почему возникает избыток калия? Самые распространенные причины – заболевания почек, надпочечников, в результате чего нарушается вывод калия, прием некоторых лекарственных препаратов, неправильное питание, серьезные травмы или ожоги.

После выявления гиперкалиемии, сдачи анализа крови и окончательного подтверждения диагноза необходимо вывести лишний калий из организма. Все действия необходимо проводить исключительно под контролем врача. Самый простой и действенный способ – это выведение калия через мочу: пациенту назначаются диуретики (мочегонные препараты). Хотя, как правило, одними мочегонными дело не ограничивается, а если почки не способны выполнять возложенные на них функции в полном объеме, то от приема мочегонных вообще придется отказаться.

Если причиной повышения уровня калия стал прием определенного лекарства, то необходимо уменьшить его дозировку, заменить препарат или полностью от него отказаться. Необходимо отменить прием витаминных комплексов, содержащих калий, заменить их более простыми витаминными препаратами.

Следует ограничить или даже исключить из рациона питания продукты, содержащие большое количество калия. К таким продуктам относятся бобовые (фасоль, соя, горох), картофель, морковь, арбуз, дыня, банан, сухофрукты (особенно курага), мед, миндаль, кедровые орешки, отруби, ржаной хлеб, пшенная каша, яблочный уксус. Следует свести к минимуму употребление молока, говядины и рыбы. Пейте побольше воды. Правильное питание позволит вывести калий из организма естественным путем, что ускорит лечение, уменьшит продолжительность использования для лечения капельниц и инъекций.

Медикаментозное лечение гиперкалиемии при незначительном повышении уровня калия и здоровых почках начинается с диуретиков, которые назначаются как в виде таблеток, так и внутривенно. Также назначается катионообменная смола, которая имеет свойство поглощать калий и выводить его через кишечник вместе с калом. Такая смола назначается перорально, она не всасывается организмом. Обычно также назначается внутривенное введение кальция в дозировке 500-3000 мг, при необходимости дополнительно выполняются инъекции инсулина.

В тяжелых случаях, а также при почечной недостаточности, для выведения избытка калия из организма применяется гемодиализ. Это процедура очищения крови от продуктов жизнедеятельности и токсических веществ. По сути, это крайняя мера, когда почки не способны выполнять свои функции.

После прохождения курса лечения гиперкалиемии не стоит расслабляться, необходимо постоянно следить за уровнем калия в крови, чтобы он соответствовал норме. Для этого необходимо регулярно делать анализ крови, а также выполнять ЭКГ, чтобы мониторить работу сердца. Как показывает практика, повторное увеличение уровня калия в организме, даже незначительное, серьезно сказывается на работе сердца, поэтому необходимо тщательно контролировать малейшие изменения показателей крови – это нередко помогает сохранить жизнь пациенту.

Калий-40 – радиоактивный изотоп калия, образовавшийся незадолго до возникновения Солнечной системы и планеты Земля – около 4,6 миллиарда лет назад. В виду огромного периода полураспада калия-40 – 1,25*10^9 лет – он до сих пор частично сохранился и продолжает распадаться.

Изотоп Калий-40 в организме человека и животных

Изотоп Калий-40 дает около 80% всей природной радиоактивности организма человека. Благодаря ему в организме человека весом 70 килограмм каждую секунду происходит примерно 4 000 радиоактивных распадов. Оставшуюся часть излучает еще один природный радиоактивный изотоп углерод-14.

Изотоп Калий-40 в продуктах. Где содержится?

Природные радиоактивные изотопы в основном поступают в организм человека и животных из-за употребляемых в пищу продуктов. Повышенное содержание калия-40 отличает картофель, бобы, семечки подсолнечника, орехи и бананы. В ядерной энергетике даже появился специальный термин – банановый эквивалент, который соответствует количеству радиоактивных изотопов от приема в пищу одного банана. При у коров на близлежащих фермах было обнаружено «повышенное» содержание . Но радиоактивность стакана такого молока равнялась менее 1,5% бананового эквивалента.

Калий-40 в воде

Калий-40 содержится не только в продуктах, но и в обычной питьевой воде. Его содержание в 1 литре воды составляет около 3*10^(-4) мг. Такая концентрация не приносит организму значимого вреда.

Как вывести калий-40 из организма

Важнейшее свойство радиоактивного изотопа калия-40 состоит в том, что при попадании его в организм человека или животного с пищей либо водой, точно такое же количество из вашего организма и уйдет, если Вы конечно не наращиваете массу, в отличие от накапливающегося в щитовидной железе йода-131.

Благодарим компанию Аналитэксперт. Пилотные установки идеально подходят для малых лабораторных производств и моделирования промышленных процессов. Также они используются при изготовлении небольших объемов косметических и фармацевтических препаратов.

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Природный калий состоит в основном из двух стабильных изотопов: 39 K (93.26 %) и 41 K (6.73 %), однако калий содержит также небольшое количество радиоактивного изотопа 40 K (0.01 %). Изотоп калий-40 является бета-активным и имеет период полураспада 1.251·10 9 лет.

Несмотря на невысокое содержание изотопа 40 K в природном калии и довольно большой период его полураспада, радиоактивность калия можно легко обнаружить даже с помощью простых приборов. В грамме природного калия каждую секунду происходит 32 распада ядер калия-40. Это соответствует радиоактивности 32 беккереля, или 865 пикокюри.

Считается, что радиоактивный распад 40 K является одним из основных источников геотермальной энергии, которая выделяется в недрах Земли (мощность оценивается в 44 ТВт). В минералах, содержащих калий, постепенно накапливается изотоп 40 Ar, который является продуктом распада 40 K. Измеряя соотношение между изотопами 40 K и 40 Ar можно измерять возраст горных пород. На этом принципе основан калий-аргоновый метод определения возраста, который является одним из основных методов ядерной геохронологии.

С другой стороны, калий является одним из важнейших биогенных элементов, которые необходимы для всего живого. Разумеется, вместе со стабильными изотопами калия в живые организмы попадает и радиоактивный 40 K. Например, за счет калия-40 в организме человека весом 70 кг ежесекундно происходит около 4000 радиоактивных распадов.

Значительную часть радиоактивных изотопов человек получает с пищей (в среднем около 40 миллибэр в год или более 10 % суммарной годовой дозы). Практически все продукты содержат небольшое количество радиоактивных изотопов, но природный уровень радиоактивности некоторых продуктов заметно выше среднего. Среди таких продуктов можно назвать картофель, бобы, орехи и семечки подсолнечника. Сравнительно высокий уровень наблюдается в бразильском орехе (за счет повышенного содержания радиоактивных изотопов 40 K, 226 Ra, 228 Ra), радиоактивность которого может достигать 12000 пикокюри на килограмм и выше (450 Бк/кг и выше).

К числу продуктов с повышенной естественной радиоактивностью принадлежат также и бананы. Средний банан содержит 3520 пикокюри на килограмм веса, или примерно 520 пикокюри в 150-граммовом банане. Эквивалентная доза в 365 бананах (один в день в течение года) составляет 3.6 миллибэра или 36 микрозивертов. Основная причина радиоактивности бананов - природный изотоп калий-40.

Радиоактивность бананов неоднократно вызывала ложные срабатывания детекторов радиации, используемых для предотвращения незаконного ввоза радиоактивных материалов в США.

В ядерной энергетике даже используется термин "банановый эквивалент". Банановый эквивалент соответствует количеству радиоактивных изотопов, которые попадают в организм при съедании одного банана.

Утечки радиации на ядерных электростанциях зачастую измеряются в очень малых единицах, например, пикокюри (одна триллионная часть кюри). Сравнение этих доз с естественной радиоактивностью одного банана позволяет интуитивно оценить степень риска утечек.

Например, после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд, Комиссией по ядерной энергетике США был обнаружен радиоактивный йод в молоке местных коров в количестве 20 пикокюри на литр. Эта радиоактивность значительно меньше, чем в обычном банане. Стакан такого молока содержал всего 1/75 бананового эквивалента.

Следует, однако, учитывать, что подобное сравнение очень условно, поскольку излучение различных радиоактивных изотопов с точки зрения биологического действия отнюдь не эквивалентно. Кроме того, есть основания считать, что съеденный банан не повышает уровня радиации в организме, поскольку избыточный калий, полученный из банана, приводит к выводу из организма в процессе метаболизма эквивалентного количества изотопа 40 K.

Радиоактивный распад атомных ядер калия-40 идёт одновременно двумя путями. Примерно 88% калия-40 подвергается β-распаду и превращается в кальций-40. Но в двенадцати случаях из ста (в среднем) ядра калия-40 не излучают, а, наоборот, захватывают по одному электрону с ближайшей к ядру К-орбиты («К-захват»). Захваченный электрон соединяется с протоном – образуется новый нейтрон в ядре, и излучается нейтрино. Атомный номер элемента уменьшается на единицу, а масса ядра остаётся практически неизменной. Так калий превращается в аргон.

Соотношение изотопов 40Ar : 40К и 40Ar : 36Ar в горных породах легло в основу аргонного метода определения абсолютного возраста минералов. Очевидно, чем больше эти отношения, тем древнее порода. Аргонный метод считается наиболее надёжным для определения возраста изверженных пород и большинства калийных минералов.

Итак, весь или почти весь аргон-40 произошёл на Земле от калия-40. Поэтому тяжёлый изотоп и доминирует в земном аргоне.

Этим фактором объясняется, кстати, одна из аномалий периодической системы. Вопреки первоначальному принципу её построения – принципу атомных весов – аргон поставлен в таблице впереди калия. Если бы в аргоне, как и в соседних элементах, преобладали лёгкие изотопы (как это, по-видимому, имеет место в космосе), то атомный вес аргона был бы на две – три единицы меньше…

Теперь о лёгких изотопах.

Откуда берутся аргон-36 и аргон-38? Не исключено, что какая-то часть этих атомов реликтового происхождения, то есть часть лёгкого аргона пришла в земную атмосферу из космоса при формировании нашей планеты и её атмосферы. Но большая часть лёгких изотопов аргона родилась на Земле в результате ядерных процессов.

Вероятно, ещё не все такие процессы обнаружены. Скорее всего некоторые из них давно прекратились, так как исчерпались короткоживущие атомы – «родители», но есть и поныне протекающие ядерные процессы, в которых рождаются аргон-36 и аргон-38. Это β-распад хлора-36 обстрел α-частицами (в урановых минералах) серы-33 и хлора-35:

17Cl → 18Ar + -1e + ν,

16S + 2He → 18Ar + 0n,

17Cl + 2He → 18Ar + 0n + +1e.

В материи Вселенной аргон представлен ещё обильнее, чем на нашей планете. Особенно много его в веществе горячих звёзд и планетарных туманностей. Подсчитано, что аргона в космосе больше, чем хлора, фосфора, кальция, калия – элементов, весьма распространённых на Земле.

В космическом аргоне главенствуют изотопы аргона-36 и аргона-38, аргона-40 во Вселенной очень мало. На это указывает масс-спектральный анализ аргона из метеоритов. В том же убеждают подсчёты распространённости калия. Оказывается, в космосе калия примерно в 50 тыс. раз меньше, чем аргона, в то время как на Земле их соотношение явно в пользу калия – 660 : 1. А раз мало калия, то откуда же взяться аргону-40?!

Получение аргона

Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а так же из отходов газов синтеза аммиака.

Земная атмосфера содержит 66·10¹³ т аргона. Этот источник аргона неисчерпаем, тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов.

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора испарителя. В конечном итоге азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором.

Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, приходящейся примерно на трети высоты всей колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10–12% аргона, до 0,5%азота, остальное – кислород. В «аргонной» колонне, присоединённой к основному аппарату, получают аргон с примесью 3–10% кислорода и 3–5% азота. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путём или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах в настоящее время получают аргон до 99,999%-ной чистоты.

Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства – из азота, оставшегося после того, как его часть связали с водородом.

Аргон хранят и транспортируют в больших баллонах ёмкостью 40 л, окрашенных в серый цвет с зелёной надписью. Давление в них 150 атм. Более экономична перевозка сжиженного аргона, для чего используют сосуды Дьюара и специальные цистерны.

Искусственные радиоизотопы аргона получены при облучении некоторых стабильных и радиоактивных изотопов (37Cl, 36Ar, 37Ar, 40Ca) протонами и дейтронами, а также при облучении нейтронами продуктов, образовавшихся в ядерных реакторах при распаде урана. Изотопы 37Ar, 41Ar используются как радиоактивные индикаторы: первый в медицине и фармакологии, второй – при исследовании газовых потоков, эффективности систем вентиляции и в разнообразных научных исследованиях. Но, конечно, не эти применения аргона самые важные.

«Недеятельный» – деятельный

Как самый доступный и относительно дешёвый благородный газ аргон стал продуктом массового производства, особенно в последние десятилетия.

Первоначально главным потребителем элемента №18 была электровакуумная техника. И сейчас подавляющееся большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход с чистого азота на эту смесь повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в такой смеси медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в современных люминесцентных лампах для облегчения зажигания, лучшей передачи тока и предохранения катодов от разрушения.

Однако в последние десятилетия наибольшая часть получаемого аргона идёт не в лампочки, а в металлургию, металлообработку и некоторые смежные сними отрасли промышленности. В среде аргона ведут процессы, при которых нужно исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и влагой воздуха. Аргонная среда используется при горячей обработке титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана, тория, а также щелочных металлов. В атомосфере аргона обрабатывают плутоний, получают некоторые соединения хрома, титана, ванадия, и других элементов. Продувка аргоном жидкой стали намного повышает её качество.

Уже существуют металлургические цехи объёмом в несколько тысяч кубометров с атмосферой, состоящей из аргона высокой чистоты. [В этих цехах работают в изолирующих костюмах, а дышат подаваемым через шланги воздухом (выдыхаемый воздух отводится также через шланги); запасные дыхательные аппараты закреплены на спинах работающих.]