Prezentacja programu PowerPoint
advertisement
Pochodzenie pierwiastków Rozpowszechnienie pierwiastków w Układzie Słonecznym log (N) [Si = 6] 12 H He CO 8 N 4 0 Li B Th Be U -4 0 20 40 60 liczba atomowa 80 1. Lekkie (N<30) pierwiastki dominują. 2. Pierwiastki o parzystych liczbach atomowych są bardziej rozpowszechnione niż te o liczbach nieparzystych. Przyczyny: przebieg nukleosyntezy. Nukleosynteza 1. Podczas „Wielkiego Wybuchu” powstały protony i neutrony, a z nich następujące (stabilne) jądra: 1H, 2H, 3He, 4He, 7Li. 2. Jądra cięższe niż 7Li powstają w gwiazdach w wyniku reakcji syntezy jądrowej. Synteza jąder pierwiastków cięższych niż Fe wymaga energii. 3. Jądra cięższe niż Fe powstają w wyniku reakcji wychwytu neutronów we wnętrzach gwiazd lub podczas wybuchów supernowych. Energia wiązania Energia wiązania na nukleon [MeV] Liczba masowa jądra Powstanie Układu Słonecznego i Ziemi Układ Słoneczny powstał przed 4,6 miliardów lat z materii pozostałej po wybuchu supernowej. Pierwotna Ziemia była bardzo gorąca i pozbawiona atmosfery. Ciepło pochodziło z energii grawitacyjnej oraz z rozpadu radionuklidów. Ochłodzenie Ziemi i spowolnienie bombardowania przez meteoryty umożliwiły pojawienie się ciekłej wody 3,8 mld. lat temu. Gazy, oprócz N2, rozpuściły się w pierwotnym oceanie tworząc kwasy zneutralizowane przez wietrzenie. Geochemia radionuklidów Większość najważniejszych naturalnie występujących w środowisku radionuklidów to, z chemicznego punktu widzenia, metale. 1 H 3 Li 2 He 4 Be 5 B 11 12 Na Mg 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 13 14 15 16 17 18 Al. Si P S Cl Ar 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 55 56 57 72 73 64 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 89 104 105 Fr Ra Ac Rf Ha 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np. Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw Kompleksy metali Większość metali jest transportowanych w środowiskach wodnych w formie kompleksów Kompleks – związek kationu z anionem lub obojętną cząsteczką występujący w formie rozpuszczonej. przykłady NaHCO3 , CaCO3 , CaHCO3 , MgSO 4 3 HCO3 , AgS , UOH Adsorpcja – desorpcja Stężenie metali w wodach jest zwykle znacznie mniejsze niż wynikałoby z ich rozpuszczalności. Przyczyną jest silna adsorpcja na: - wodorotlenkach i uwodnionych tlenkach Fe i Mn. - krzemianach i węglanach - materii organicznej Geochemia uranu i toru Uran i tor: Koncentrują się w górnej części skorupy kontynentalnej, w skałach magmowych, zwłaszcza w granitach. W środowiskach wodnych: U występuje w formie łatwo rozpuszczalnego kompleksu uranylowego [UO2]2+, Th jest trudniej rozpuszczalny. Występowanie U i Th w różnych środowiskach [ppm] Bazalty dna oceanicznego Granity Boksyty Fosforyty Woda morska Woda rzeczna U 0,1 Th 0,2 4,2 11 50 - 300 3 10-3 10-3 20 50 1-5 2 10-7 10-5 Geochemia potasu Potas koncentruje się w górnej części skorupy kontynentalnej, zwłaszcza w trudno wietrzejących minerałach. Wynika stąd jego małe stężenie w wodach. Jest bardzo ważny dla organizmów żywych, zwłaszcza dla roślin. Produktem rozpadu 40K jest 40Ar – stąd duże stężenie argonu w atmosferze Geochemia radionuklidów Nie-metalami są 14C i 3H. bierze udział w globalnym obiegu węgla a 3H w globalnym obiegu wody. Procesy te warunkują rozpowszechnienie obydwu kosmogenicznych radionuklidów w środowisku. 14C Podział radionuklidów występujących na Ziemi Na Ziemi występuje ponad 60 spośród ponad 1500 znanych radionuklidów: • pierwotne wytworzone przed powstaniem Ziemi • wtórne powstające w wyniku oddziaływania ziemskiej materii z promieniowaniem kosmicznym • wytworzone przez człowieka występują w niewielkich ilościach w porównaniu z naturalnymi nuklidami Inny podział radionuklidów Biorąc pod uwagę wiek Ziemi (4,6 mld lat) radionuklidy występujące naturalnie muszą należeć do jednej z trzech grup: • o dostatecznie długim czasie rozpadu, np. 238U • będące produktami rozpadu nuklidów długożyciowych, 222Rn • produkty reakcji jądrowych, np. 14C Radionuklidy pierwotne nuklid T1/2 235U 238U 232Th 226Ra 222Rn 40K aktywność 7,04 x 108 lat 0,72% 4,47 x 109 lat 99,2745%, kilka ppm w skałach 1,41 x 1010 lat Ok. 10 ppm w skorupie ziemskiej 1,60 x 103 lat 16 – 48 Bq/kg w skałach 3,82 dni ~ 1 – 10 Bq/m3 w powietrzu 1,28 x 109 lat do 1 Bq/g w glebach Niektóre inne radionuklidy pierwotne: 50V, 87Rb, 113Cd, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 174Hf, 176Lu, 187Re, 190Pt, 192Pt, 209Bi. Naturalne szeregi promieniotwórcze Łańcuchy nuklidów powstających w wyniku spontanicznych przemian jądrowych z określonego, naturalnie występującego, prekursora. Zakończone trwałymi izotopami ołowiu: • aktynowy: • torowy: • uranowy: – 207Pb 232Th – 208Pb 238U – 209Pb 235U Szereg aktynowy Szereg torowy Szereg uranowy Szereg neptunowy (wygasł) masa atomowa Produkty rozpadu radonu 222 222 221 220 219 218 217 216 215 214 213 212 211 210 209 208 207 206 205 Rn-222 3,8 d Po-218 3m Pb-214 Bi-214 Po-214 27 m 20 m 180 s Pb-210 Bi-210 Po-210 22 l 5d 138 d Pb-206 81 82 83 84 liczba a tom owa 85 86 Promieniowanie kosmiczne Elektrony, protony, promieniowanie g, jądra o pochodzeniu pozaziemskim – ze Słońca (głównie protony i jądra helu), z odległych obszarów galaktyki. Cząstki promieniowania kosmicznego oddziałując z materią atmosfery wywołują wiele reakcji jądrowych Promieniowanie kosmiczne Pierwotne promieniowanie kosmiczne Oddziaływania z cząstkami powietrza Kaskada hadronowa Promieniowanie Czerenkowa i fluoroscencyjne Składowa mionowa, Składowa hadronowa, Składowa neutrina fragmenty jąder elektromagnetyczna Radionuklidy kosmogeniczne nuklid półokres źródło rozpadu 14C 5730 lat 14N(n,p)14C 3H 12,3 lat 7Be 53 dni Oddziaływania prom. kosm. z N i O, spallacja, 6Li(n,)3H oddziaływania prom. kosm. z N i O naturalna aktywność 0,22 Bq/g w materii organicznej ~ 1 Bq/l w wodzie opadowej ~ 0,01 Radionuklidy kosmogeniczne Niektóre inne radionuklidy kosmogeniczne 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P, 38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl. Radionuklidy antropogeniczne nuklid Półokres źródło rozpadu 3H 12,3 a Próby jądrowe, reaktory jądrowe, przeróbka paliwa, produkcja broni jądrowej, przedmioty codziennego użytku 131I 8,03 d Produkt rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach, testy tarczycy 129I 1,57 x 107 a Produkt rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach Radionuklidy antropogeniczne nuklid 137Cs półokres źródła rozpadu 30,17 r Produkt 90Sr 28,78yr 99Tc 2,11 x 105 r 2,41 x 104 r 239Pu rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach Produkt rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach Testy medyczne 238U + n--> 239U--> 239Np +ß--> 239Pu+ß Zawartość radionuklidów w glebie (106 m3) nuklid aktywność masa właściwa 238U 25 Bq/kg 2700 kg aktywność 232Th 40 Bq/kg 64 GBq 40K 400 Bq/kg 226Ra 48 Bq/kg 222Rn 10 kBq/m3 15 000 kg 2500 kg 2,5 g 13 g 38 GBq 610 GBq 77 GBq 9 GBq Razem ok. 800 GBq Aktywności radionuklidów w w wodzie morskiej 238U aktywność właściwa 33 mBq/l 40K 11 Bq/l 3H 0,6 mBq/l 14C 5 mBq/l 1,1 Bq/l nuklid 87Rb Radionuklidy w żywności Wszelka żywność zawiera naturalne radionuklidy, przede wszystkim są to 40K, 226Ra i 238U oraz ich produkty rozpadu Radionuklidy w żywności pokarm 40K 226Ra [pCi/kg] [pCi/kg] banany 3520 orzechy 5600 brazylijskie 1 1000 - 7000 marchew ziemniaki piwo czerwone mięso fasola woda pitna 3400 3400 390 3000 0,6 – 2,0 1 - 25 --0,5 4640 --- 2-5 0 – 0,17 Radionuklidy w ludzkim ciele Nu klid 238U Zasób w ciele 90 g Aktywn. Dzienna w ciele dawka 1,1 Bq 1,9 g 232Th 30 g 0,11 Bq 3 g 40K 17 mg 4,4 kBq 0,39 mg 226Ra 31 pg 1,1 Bq 2,3 pg 14C 22 ng 3,7 kBq 1,8 ng 3H 0,06 pg 23 Bq 0,003 pg 210Po 0,2 pg 37 Bq 0,6 g Radionuklidy w materiałach budowlanych Uran Tor Potas ppm mBq/g ppm mBq/g ppm mBq/g granit 4,7 63 2 8 4,0 1184 piaskowiec 0,45 6 1,7 7 1,4 414 cement 3,4 46 5,1 21 1,8 237 beton wapienny 2,3 31 2,1 8,5 0,3 89 beton 0,8 piaskowcowy 11 2,1 8,5 1,3 385 płyta gipsowa 1,0 14 3 12 0,3 89 gips odpadowy 13,7 186 16,1 66 0,02 5,9 gips naturalny 1,1 15 1,8 7,4 0,5 48 drewno - - - - 11,3 3330 cegła 8,2 111 10,8 44 2,3 666 Ciepło radiogeniczne Energia kinetyczna produktów rozpadów promieniotwórczych zachodzących we wnętrzu Ziemi zamieniana jest w ciepło. Ciepło to pochodzi z rozpadu wszystkich radionuklidów, ale tylko 238U, 235U, 232Th i 40K dają istotne ilości ciepła. Produkcja ciepła radiogenicznego zależy od stężeń U, Th i K w danej skale: A [µW/m3] = 10-5 r (9.52 cU + 2.56cTh + 3.48cK) Strumień ciepła radiogenicznego na powierzchni Ziemi wynosi około kilkudziesięciu mW/m2. Naturalny reaktor jądrowy w Oklo W złożach rud uranu w Oklo, w Gabonie odkryto pozostałości naturalnych reaktorów jądrowych, które były aktywne przed 2 miliardami lat. Splot warunków geologicznych i hydrogeologicznych umożliwił funkcjonowanie reaktorów o mocy 15 109 W przez około 1 mln. lat. Monacyt (Ce,La,Nd,Th)PO4 Największe nagromadzenia piasków monacytowych znane są z Brazylii, Indii, Florydy, Chin. Naturalna promieniotwórczość (dawki) są tam kilkaset razy większe niż normalnie.
