Radioaktivní přeměna prvků: jaderná přeměna Při radioaktivních přeměnách vzniká záření alfa, beta a gama a dochází k záchytu elektronů v jádře Jaderné radioaktivní záření: částice alfa (heliová jádra, 2 protony, 2 neutrony), částice beta (elektrony), záření gama (elektromagnetické záření) Přírozeně radioaktivní prvky: U, Th, K a jiné méně významné, Rb, Sm, Lu, Re . U, Th tvoří přeměnové řady RADIOAKTIVNÍ VLASTNOSTI HORNIN Zákon přeměny N = No e -λt, No - původní počet atomů, N - současný počet atomů, e –základ přirozeného logaritmu, t - čas, λ - přeměnová konstanta Poločas přeměny T T = ln 2/ λ = 0.693/λ Je to doba, za kterou se rozpadne jedna polovina z počátečního množství atomů radioaktivního prvku. Za 7T zbude 1% z N0. Střední doba života τ τ = λ-1 T 238U = 4,51 . 109 yr, T 235U = 7,02 . 108 yr T 232Th = 1,4 . 1010 yr T 40K = 1,3 . 109 yr Přeměnové řady 238U, 235U, 232Th a přeměna 40K Vliv záření α a β Přeměnové řady 2 Přeměnové řady : 1. uranová – 238U, končí olovem 206Pb. Nejdůležitější členy řady: radium 226Ra, radon 222Rn. 238U/ 226Ra = 1 : 3,4.10-7 2. actiniová – 235U, končí olovem 207Pb 3. thoriová – 232Th, končí olovem 208Pb Poměr obou uranových izotopů je v přírodě konstantní, stejně tak i poměr 40K k ostatním neradioaktivním izotopům 39K a 41K. Izotop draslíku 40K se přeměňuje dílem vyzařováním beta na vápník (zvětšuje se kladný náboj jádra, tedy počet protonů), dílem dochází k záchytu elektronu a mění se na argon 40Ar (změní se proton na neutron, ubude kladných nábojů jádra). Poměr obou přeměn je konstantní. Využití v geologii: stanovení absolutního stáří, metody K-Ar, Ar-Ar, 238U- 206Pb, 235U - 207Pb, 232Th - 208Pb, 206Pb - 207Pb, 206Pb - 208Pb. Spektra záření gama (detekovaná) 1 eV = 1,6021892.10-19 J vedlejší jednotky : keV, Mev Obsahy U, Th, K stanovíme na základě registrace energetického spektra záření gama, buď celého, nebo jeho částí (oken), měřicí přístroj je scintilační spektrometr vybavený sondou s krystalem NaJ(Tl), příp. GeLi, nejnověji krystaly s W a jiné. Emisní spektra záření gama – ostře oddělené energie, ale spektra převážně detekovaná spektrometry s Na J(Tl) krystalem jsou méně diskrétní. Záření gama má nejdelší dolet, ve vzduchu stovky metrů, není pohlcováno tak intenzívně jako záření beta a zejména záření alfa. Obsahy U a Th se udávají v ppm, obsah K v hm. %. Laboratorní spektrometrie gama - měří se horninové vzorky nadrcené jako hrubý kvart a nasypané do nádoby zvoleného tvaru a vložené do olověného stínění. Přesnější než stanovení vlastního U je stanovení eU (resp. URa) podle energetických píků Ra, Bi aj. Podle poměru eU/U značně odchylném od 1 soudíme na porušení radioaktivní rovnováhy. Doba měření je nejméně 20 minut. Měření radioaktivity Terénní spektrometrie: po nacejchování přístroje se měří obsahy eTh, eU, a K, sonda se klade do mělkých jamek nebo mělkých vrtů (geometrie přibližně 4π). Vegetační pokryv, navětralá vrstva a voda signál zeslabují. Při měření v dolech je také geometrie 4π. Na výchozech je nutné zachovat přibližně geometrii 2π, na kterou je přístroj nacejchován, alespoň do 0,8 m od měřicí sondy. Doba měření je obvykle 2 až 4 minuty. Hloubkový dosah asi ½ m, maximálně 1 m. Letecká spektrometrie: měří po nacejchování rovněž eTh, eU a K, hodnoty jsou zatíženy vlivem navětralé vrstvy, porostů (korekce na lesy, dřive nebyla stanovena) a vodních ploch. Vliv počasí. Při automobilové spektrometrii je možný vliv kameniva použitého na stavbu silnic, může to být i hlušina z uranových dolů.Terénní i letecká spektrometrie gama poskytují v našich poměrech nižší hodnoty obsahů než laboratorní spektrometrie na čerstvých horninách, vliv slaběji aktivní Měření radioaktivity 2 Měření radioaktivity 3 Kromě obsahu K, U a Th se měří a v minulosti převážně měřila tzv. intenzita záření gama nebo-li dávkový příkon záření gama, event. úhrnná aktivita gama. Je to sumární počet impulzů registrovaný od určité prahové energie výše. Nevýhodou tohoto parametru je závislost na geometrii uspořádání a volbě prahové energie. Dříve byl udáván v μR/h nebo v Ur, což je tzv. uranový ekvivalent, nyní v jednotkách dávkového příkonu, Da v nGy/h nanogrey za hodninu. Převodní vztahy: 1,67 Ur = 1μR/h 1μR/h = 8, 69 nGy/h Výrazně se v Da prosazuje obsah K, menší uranové a thoriové anomality jsou v něm potlačeny. Mapy úhrné aktivity gama jsou připojeny k vysvětlivkám ke geofyzikálním mapám ČR 1: 50 000 Měření radioaktivity 4 Terénní stanovení objemové aktivity 222Rn a 220Rn se používají přenosné radonové detektory vybavené scintilačními ZnS (Ag) Lucasovými komorami nebo ionizačními komorami. Výsledky se vyjadřují v kBq/m3 . Obvyklé jsou hodnoty 0 – 100 kBq/m3. Hmotnostní jednotkou je kBq/kg Jaderný spad z jaderné elektrárny v Černobylu z r. 1986, lze dosud indikovat podle zvýšené radioaktivity 137 Cs, které se projevuje ve spektrometrii na píku 662 keV. Produkce tepla Přeměna jader atomů radioaktívních prvků je provázena uvolněním tepelné energie. Teplo vznikající přeměnou radionuklidů je udáváno veličinou jejich tepelné produkce. 1% K: 3,58 . 10-12 W.g-1 1 ppm U: 9,7 . 10-8 W.g-1 1 ppm Th: 2,7 . 10-8 W.g-1 Tepelná produkce na m3 objemu horniny za jednotku času je dána vztahem A = 0,133 D (0,262 K + 0,718 U + 0,193 Th) . 10-3 [μW.m-3], D je hustota v kg.m-3, obsahy U a Th jsou v ppm, obsah K v hm %. Teplo vznikající rozpadem radionuklidů pravděpodobně kompenzuje tepelné ztráty Země. Distribuce U, Th a K v minerálech a horninách Draslík: draselné živce, leucit, biotit, muskovit, flogopit, illit Uran a thorium: vyskytují se jako příměsi v řadě akcesorických minerálů, z nichž primární jsou titanit, apatit, zirkon, xenotim, monazit a allanit a jiné. Podstatnější množství se vyskytuje v oxidech, uraninitu, smolinci, thorianitu, některých síranech, niobotantalátech a titanátech. Mezi nejvýznamnější sekundární minerály patří uranové a thoriové černě (gumity). Uran v šestivalentní formě je značně mobilní, thorium je geochemicky stabilní, výjimečně je mobilní v alkalických roztocích. Hornina K U Th (hm%)(ppm)(ppm) Granity 3.73 5.4 24.6 Granodiority 2.34 3.1 12.4 Syenity 4.75 8.6 27.8 Diority 1.83 2.6 9.2 Tonality 1.50 2.0 6.4 Gabra 0.60 0.59 3.1 Anortozity 0.34 0.64 1.6 Ultrabazika 0.02 0.050 0.095 Distribuce K, U a Th v hlubinných magmatitech Distribuce K, U a Th v granitoidech Českého masívu 33 Brněnský m., východní část 34 Brněnský m., západní část 15 SČP,durb. 20 SČP, blat.typ 24 Luž. pluton, rumb. granit 3 KV pl., YIC granit 5 KVpl, Sn granit Sn Radioaktivita granitů bývalého SSSR I - normálně radioaktívní granity II - granity se zvýšenou radioaktivitou III - silně radioaktívní granity se vzácnými zeminami IV - silně radioaktívní thoriové granity V - slabě radioaktívní plagiogranity VI - silně radioaktívní uranonosné granity Th (ppm) U (ppm) Histogramy Th, U a K v granitech Granodiority Histogramy K, U , Th a produkce tepla Horniny K U Th (hm.%) (ppm) (ppm) Ryolity-IA 2.4 2.8 10.9 Ryolity-CM 3.05 5.6 8.2 Ryolity-IC 4.43 5.3 17.5 Ryolity-I 4.21 14.0 36.2 Trachyty-IA 4.83 3.4 16.0 Trachyty-IC 3.10 5.0 12.7 Trachyty-I 5.64 17.0 58.6 Dacity-IA 1.53 1.5 6.1 Dacity-CM 2.21 2.6 4.2 Andezity-IA 1.23 0.98 4.1 Andezity-CM 1.73 1.9 4.3 Andezity-IC 2.52 5.5 8.7 Radioaktivita vulkanitů Tholeiity-IA 0.32 0.36 0.59 Tholeiity-CM 0.54 0.54 1.3 Tholeiity-IC 0.63 0.75 3.1 Tholeiity-OC 0.17 0.14 0.52 Alk-čediče-IA 1.13 1.0 4.6 Alk-čediče-CM 1.37 1.2 3.7 Alk-čediče-IC 1.17 1.1 6.2 Fonolity-IC 4.97 7.8 18.5 Fonolity-I 6.60 26.3 105.4 Latity-I 3.81 8.5 25.8 Bazanity-IC 1.78 2.2 10.7 IA - ostrovní oblouky, OC - oceánické vulkanity, CM - aktívní kontinentální okraje, IC - intrakontinentální vulkanity, I - intrakontinetální, italský typ Radioaktivita vulkanitů - pokračování Radioaktivita vulkanitů Českého masívu a - diferenciáty b - bazika 1 spility proterozoika 39 olivin. čediče terc. 41 polzenity sv. křida 12 ryolity jíl. pásma 19 kambrické ryolity 23 ordovické ryolityŽelezné hory 44 fonolity, terc., ČS 1 1 1 1 Histogramy K, U, Th a poměru Th/U v granulitech Radioaktivita sedimentů Sedimenty: 1 terigenní 2 křemenné 3 karbonátové 3a dolomity 4 soli 5 kaustobiolity Horniny K (%) U(ppm) Th (ppm) AM AM GM AM GM STARŠÍ : Pískovce 0.74 2.0 1.5 5.5 4.4 Droby 1.33 2.0 1.8 6.9 6.2 Břidlice 2.29 3.4 3.1 11.5 10.7 Černé břidlice 2.60 20.2 12.1 10.9 9.3 Vápence 0.66 2.5 1.8 2.0 1.3 Dolomity 0.40* 3.7* - 2.8* Pozn.: Obsahy U v uhlí značně kolísají, od jednotek do tisíců ppm, obsahy K jsou velmi nízké, obsah Th se většinou neuvádí. Pro černé uhlí v Rusku udává Dortmanová et al. 0.1 % K, 3.4 ppm U a 4.8 ppm Th; * - převzato z Dortmanové et al. (1984). Radioaktivita sedimentů – tab. 1 MLADŠÍ, RECENTNÍ: K U Th AM AM GM AM GM Jíly hlubokomořské - 2.8 1.7 9.5 8.6 Vápence organodetr. - 1.2 0.6 0.1 0.05 Písky šelfové - 1.7 1.4 4.7 3.8 Fosfority 0.3 91.9 59.9 27.0 3.8 Manganové nodule - 6.8 5.2 25.0 9.3 Bentonity 4.14 5.5 4.5 24.0 22.9 Bauxity - 7.5 5.4 42.0 31.3 -------------------------------------------- Radioaktivita sedimentů – tab. 2 Radioaktivita metamorfitů Metamorfní facie: I zelených břidlic a epidotických amfibolitů II amfibolitová III granulitová IV eklogitová Horniny: 1 ruly 2 metamorfní břidlice 3 amfibolity 4 eklogity 5 mramory Radioaktivita metamorfitů Českého masívu 38 paleozoické fylity 32, 33 kulm 14 barrand. proter. DS 21 ordov. břidlice 25 silur, váp. břidlice 42 moldanub. pararuly Radioaktivita metamorfitů Thorium je při metamorfóze vysoce stabilní, zejména v bazických horninách. Jeho mobilita až po granulitovou facii se nepředpokládá. Výjimkou jsou alkalické roztoky, ve kterých je Th mobilní i za nižších teplot.. K ochuzení o uran dochází zejména v granulitové facii, která se vyznačuje vysokým poměrem Th/U. Uran může odmigrovat nebo naopak být přinášen hydrotermálními procesy a ovlivnit tak terén s jakoukoli metamorfní facií. Radioaktivita rud 1 rudní tělesa 2 solné aureoly 3 vyvřelé horniny 4 zóny okolorudních přeměn Radioaktivita ČR Radioaktivita a životní prostředí Pro posouzení radioaktivity horninových materiálů z hlediska životního prostředí je významná tzv. aktivita A. Udává se v becquerelech a je buď hmotnostní (Bq/kg) nebo objemová (Bq/m3) Převodní vztahy: 1 % K = 313,00 Bq . kg-1 1 ppm U = 12,35 Bq . kg-1 1 ppm Th = 4,06 Bq . kg-1 Aktivita A vyjadřuje počet přeměn v daném množství radionuklidu v jednotce času. Kromě této jednotky se používá ještě tzv. dávkový příkon D´, což je absorbovaná dávka D energie za jednotku času. Jednotkou je gray za sekundu (Gy.s-1). Dávkový příkon záření gama pro geologické účely se vyjadřuje v nG.h-1 (nanogray za hodinu). Radioaktivita a životní prostředí 2 Převodní vztahy mezi obsahy Th, U a K pro nGy/h: 2,49 nGy/h = 1 ppm Th 5,67 nGy/h = 1 ppm U 13,1 nGy/h = 1 % K Biologický účinek záření vyjadřuje dávkový ekvivalent H, který je součinem dávky a faktoru biologické účinnosti, tzv. jakostního faktoru. Jednotkou je sievert Sv. Za rok obdrží člověk přirozenou dávku 2.5 až 3.0 mSv. Účinek prostředí v Sv lze spočítat z nGy/h, známe-li dobu ozáření a faktor biologické účinosti. Pro paprsky gama je účinek v Sv roven roven dávkovému příkonu v Gy, pro papsky alfa je asi 10x až 20x větší. Kromě přirozené radioaktivity se podílí na zdravotním riziku lokálně i radioaktivita umělá, hlavně pozůstatek spadu po havárii elektrárny v Černobylu v r. 1986. Měří se převážně obsah 137 Cs (v Bq/kg. ev. v Bq/m3, v terénu i v Bq/m2). Mapy distribuce 137 Cs v Jeseníkách, Králickém Sněžníku, Orlických horách, Beskydech, mezi Kolínem a Táborem a v j. Čechách za posledních 5 let jsou uloženy na MŽP. Zdravotní riziko představují vysoké obsahy radonu, který vzniká přeměnou uranu a thoria v horninách. Radon přísluší ke skupině inertních plynů, chemické sloučeniny nevytváří, hustota je 9,73 kg/m3 , je těžší než vzduch.. Je zdrojem záření alfa a proto je nebezpečná zejména jeho ingesce (vdechnutí). Ze tří izotopů radonu je nejdůležitější 222 Rn, který vzniká v přeměnové řadě 238U. Poločas přeměny je 3,82 dne. Radon se šíří zejména v pórovitém prostředí a na tektonických zónách. Obsah radonu se povinně měří při zakládání staveb a pokud je zájem, i uvnitř již existujících staveb. Životní prostředí a radon Fyziologické působení záření Působení ionizačního záření na živou tkáň vyjadřuje tzv. ekvivalentní dávka Evivalentní dávka = energetická dávka.činitel efektivity Dq = Da . q Jednotkou je 1 sievert, 1 Sv 1 Sv = 1 J/kg Činitel efektivity q je poměr Sv/Gy, Pro záření γ je q = 1 Pro záření β je q = 1 Pro záření α je q = 20 Pracovníci vystavení záření v povolání mohou obdržet maximálně 0,05 Sv/rok, pro osoby vystavené záření jen příležitostně je to desetkrát méně.