Сторінка
3

Іонізація і радіоактивність у біосфері

Радіоактивний вуглець, утворюючи з киснем діоксид, поглинається в процесі фотосинтезу рослиною і далі всіма живими організмами. Отже, організм кожної людини з дня народження містить вуглець-14 і є «радіоактивним об’єктом». У процесі розпаду вуглець-14 випромінює β-промені (електрони) і нейтральну частку з масою, набагато меншою, ніж електрон, — нейтрино: . 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 — l;

.

Розрахуємо сталу розпаду λ 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 λ для будь-якого радіоактивного елемента зумовлює його час напіврозпаду — t1/2 і пов’язана з ним рівнянням:

t1/2 = 0,693/λ.

Для радію: t1/2 = 0,693/λRa = 0,693/(1,39 · 10–11s–1) @ 5 · 1010s, або діб, або років.

З часом активність вихідної кількості даної речовини зменшується за експоненціальним законом.

Різні радіоактивні ізотопи мають різні періоди напіврозпаду. Наприклад, ізотоп урану () — 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.

Отже, якщо відома в даній речовині кількість радіоактивних атомів N0 і стала розпаду λ, то активність а визначається як а = N0 λ. З наведеного вище випливає: що коротший час напіврозпаду, то інтенсивніший процес випромінювання. Сильні випромінювачі «живуть» набагато мен­ше, ніж слабкі. Так, порівняно з радієм кількість розпадів атомів в урані за той самий час менше майже в 3 млн разів і його період напіврозпаду в стільки ж разів триваліший — 4,5 млрд років. У торію він ще більший — 14 млрд років, тобто втричі більший, ніж вік нашої планети! До речі, саме за періодом напіврозпаду вчені визначили вік Землі. Радіоактивний метод розпаду прислужився науці досить добре. 1946 року фізик У. Ф. Ліббі розробив метод датування решток викопних органічних об’єктів за розпадом радіоактивного ізотопу вуглецю , за що згодом отримав Нобелівську премію. Наведемо приклад застосування цього методу для визначення віку зразка викопної рослини. Період напіврозпаду ізотопу t1/2 = 5700 років. Жива рослина поглинала під час фотосинтезу діоксид вуглецю, певна частина якого завжди складалася зі сталої кількості ізотопу . Відомо, що активність цього ізотопу в живій речовині на 1 g вуглецю завжди дорівнює 15,3 розпадів за хвилину. На час досліду активність становила 4,8 розпадів на 1 g за хвилину. Розрахуємо зменшення активності зразка з часом, виходячи з таких міркувань. На момент загибелі рослини активність становила 15,3 розпадів за хвилину. Згідно з t1/2 через 5700 років вона становила половину від вихідної — 7,6, через два періоди напіврозпаду (11 400 років) — 3,8, через три — 1,9, а через п’ять періодів (28 500 років) лише 0,5 розпадів за хвилину на 1 g вуглецю зразка. За отриманими даними побудуємо графік в координатах активність — час (рис. 29). За графіком визначимо, що активності 4,8 розпадів у 1 g за хвилину відповідає час смерті рослини 10 000 років тому — останній льодовиковий період. Зверніть увагу на рис. 29, питома активність подана в одиницях SI ().

Поряд із радіоактивним ізотопом елемента вуглецю 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.