武理工環(huán)境監(jiān)測教案08環(huán)境中放射性污染監(jiān)測

Chapter8環(huán)境中放射性污染監(jiān)測教學(xué)目的1.放射性基礎(chǔ)知識2.環(huán)境中的放射性3.放射性輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)4.放射性測量實(shí)驗(yàn)室和檢測儀器5.放射性監(jiān)測教學(xué)重點(diǎn)1環(huán)境中的放射性2.放射性輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)3.放射性監(jiān)測教學(xué)方法課內(nèi)安排2個(gè)學(xué)時(shí)。必讀教材和參考書頁碼教材：369-392多媒體課件：講授提綱8.1基礎(chǔ)知識8.1.1放射性有些原子核不穩(wěn)定，能自發(fā)地有規(guī)律地改變其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核，這種現(xiàn)象稱為核衰變。在核衰變過程中會(huì)放出具有一定動(dòng)能的帶電或不帶電粒子，即α、β和γ射線，這種性質(zhì)稱為放射性。放射性物質(zhì)放出的粒子或光子會(huì)對周圍介質(zhì)產(chǎn)生電離作用，造成放射性污染和損傷。放射性衰變的類型

.衰變衰變不穩(wěn)定重核(一般原子序大于82)自發(fā)放出4He核(α粒子)的過程。如226Ra的。衰變可寫成：226Ra→222Rn+4He不同核素所放出的α粒子的動(dòng)能不等，一般在2--8MeV范圍內(nèi)。：222Rn、218Po、210Po等核素在衰變時(shí)放出單能α射線；231Pa、226Ra、212Bi等核素在衰變時(shí)放出幾種能量不同的α射線和能量較低的γ射線。226Ra衰變有兩種方式（分枝衰變)：第一種方式是226Ra放射出4.777MeV的α粒子后變成基態(tài)的222Rn，這種方式的幾率占94.3％；另一種方式是226Ra放射出4.589MeV的α粒子后變成激發(fā)態(tài)的222Rn，然后很快地躍遷至基態(tài)222Rn,并放射出0.188MeV的γ射線，這種衰變方式的幾率占5.7％。

α粒子的質(zhì)量大，速度小，照射物質(zhì)時(shí)易使其原子、分子發(fā)生電離或激發(fā)，但穿透力小，只能穿過皮膚的角質(zhì)層。

衰變是放射性核素放射β粒子(即快速電子)的過程，它是原子核內(nèi)質(zhì)子和中子發(fā)生互變的結(jié)果。β衰變可分為負(fù)β衰變、正β衰變和電子俘獲三種類型。(1)

β-衰變：β-衰變是核素中的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子并放出一個(gè)β-粒子和中微子的過程。β-粒子實(shí)際上是帶一個(gè)單位負(fù)電荷的電子。許多β衰變的放射性核素只發(fā)射β粒子，不伴隨其他的射線，如146C、3215P、9038Cs等，但更多β衰變的核素常常伴有γ射線，如60Co衰變時(shí)，除放射出γ粒外，還放射兩種γ射線。

β射線的電子速度比α射線高10倍以上，其穿透能力較強(qiáng)，在空氣中能穿透幾米至幾十米才被吸收；與物質(zhì)作用時(shí)可使其原子電離，也能灼傷皮膚。

(2)

β+衰變：核素中質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶硬l(fā)射正電子和中微子的過程。電子俘獲的含義：不穩(wěn)定的原子核俘獲一個(gè)核外電子，使核中的質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子并放出一個(gè)中微子的過程。因靠近原子核的K層電子被俘獲的幾率遠(yuǎn)大于其他殼層電子，故這種衰變又稱K電子俘獲。例如：

5526Fe

(K俘獲)→5525

Mn當(dāng)K殼層電子被俘獲后，該殼層產(chǎn)生空位；則更高能級的電子可來填充空位同時(shí)放射特征引線。

(3)．γ衰變

同質(zhì)異能躍遷的概念：

γ射線是原子核從較高能級躍遷到較低能級或者基態(tài)時(shí)所放射的電磁輻射。這種躍遷對原子核的原子序和原子質(zhì)量數(shù)都沒影響，所以稱為同質(zhì)異能躍遷。某些不穩(wěn)定的核素經(jīng)過。或小變后仍處于高能狀態(tài)，很快(約10-13秒)再發(fā)射出γ射線而達(dá)穩(wěn)定態(tài)。

γ射線是一種波長很短的電磁波(約為0.007-0.1nm)，故穿透能力極強(qiáng)，它與物質(zhì)作用產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對生成效應(yīng)等。放射性活度和半衰期

放射性活度(強(qiáng)度)

放射性活度系指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生核衰變的數(shù)目?？杀硎緸?；

A=—dN/dt=

λN

式中：A——放射性活度(s-)?；疃葐挝坏膶ｉT名稱為貝可，用符號Bq表示。1Bq=1s-。

N——謀時(shí)刻的核素?cái)?shù)；

t——時(shí)間(s)；

A——衰變常數(shù)，表示放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)的衰變幾率。

半衰期

當(dāng)放射性的核素因衰變而減少到原來的一半時(shí)所需的時(shí)間稱為半衰期(T1/2)。衰變常數(shù)與半衰期有下列關(guān)系：T1/2=

0.693

/

λ

半衰期是放射性核素的基本特性之一，不同核索T1／2不同。如21284Po的T1/2=3.0*10-7年，而23892U的T1/2=4.5*109年。因?yàn)榉派湫院怂孛恳皇说乃プ儾⒎峭瑫r(shí)發(fā)生，而是有先有后，所以對一些T1/2長的核素，一旦發(fā)生核污染，要通過衰變令其自行消失，需時(shí)是十分長久的。例如，Sr的T1/2=29年，一定質(zhì)量的90Sr衰變掉99.9％所需時(shí)間可由下式算出：

λ=

0.693/T1/2

A=—dN/dt=

λN

或

N＝Noe-λt

lgN0/N

=λ*t

/2.303

t＝2.303*(1/2.39*10-2)*(lg1/0.001)＝289(a)

核反應(yīng)核反應(yīng)的含義：指用快速粒子打擊靶核而給出新核(核產(chǎn)物)和另一粒子的過程。進(jìn)行核反應(yīng)的方法主要有：用快速中子轟擊發(fā)生核反應(yīng)；吸收慢中子的核反應(yīng)：用帶電粒子轟擊發(fā)生核反應(yīng)；用高能光子照射發(fā)生核反應(yīng)等。其中，最重要的是重核裂變反應(yīng)，如可作為裂變材料的235U、239Pu、232U被裝載在反應(yīng)堆或原子彈中，經(jīng)熱中子轟擊后釋放出大量原子能，其本身同時(shí)裂成各種碎片(131I、90Sr、137Cs等)。

8.1.2照射量和劑量照射量和劑量都是表征放射性粒子與物質(zhì)作用后產(chǎn)生的效應(yīng)及其量度的術(shù)語。

照射量被定義為：

X=

dQ/dm

式中：dQ——γ或x射線在空氣中完全被阻止時(shí)，引起質(zhì)量為dm的某一體積元的空氣電離所產(chǎn)生的帶電粒子(正的或負(fù)的)的總電量值(C)。

X——照射量，它的SI單位為C／kg，與它暫時(shí)井用的專用單位是倫琴(R)，簡稱倫。

1R=2.58*10-4C／kg

倫琴單位的定義是凡l倫琴γ或x射線照射1cm3標(biāo)準(zhǔn)狀況下(0℃和101.325kPa)的空氣，能引起空氣電離而產(chǎn)生1靜電單位正電荷和1靜電單位負(fù)電荷的帶電粒子。這一單位僅適用于γ或x射線透過空氣介質(zhì)的情況，不能用于其他類型的輻射和介質(zhì)。

吸收劑量

它用于表示在電離輻射與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收電離輻射能量大小的物理量。其定義用下式表示；

D=dED/dm

式中；D——吸收劑量；

dED——電離輻射給予質(zhì)量為dm的物質(zhì)的平均能量。

吸收劑量的SI單位為J／kg，單位的專門名稱為戈瑞，簡稱戈，用符號Gy表示。

1Gy＝1J／kg與戈瑞暫時(shí)并用的專用單位是拉德(rad)；

lrad

=

l0-2Gy吸收劑量單位可適用于內(nèi)照射和外照射?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于放射生物學(xué)、輻射化學(xué)、輻射防護(hù)等科。

吸收劑量有時(shí)用吸收劑量率(P)來表示。它定義為單位時(shí)間內(nèi)的吸收劑量，即

P=

dD/dt其單位為Gy／s或rad／s。

8．1．3劑量當(dāng)量

劑量當(dāng)量(H)定義為：在生物機(jī)體組織內(nèi)所考慮的一個(gè)體積單元上吸收劑量、品質(zhì)因數(shù)和有修正因素的乘積，即

H=

DQN

式中：D——吸收劑量(Gy)；

Q——品質(zhì)因素，其值決定于導(dǎo)致電離粒子的初始動(dòng)能、種類及照射類型等；

N——所有其他修正因素的乘積。

品質(zhì)因素與外照射、內(nèi)照射和射線種類的關(guān)系：外照射是指宇宙射線及地面上天然放射性核素發(fā)射的β和γ射線對人體的照射內(nèi)照射是指通過呼吸和消化系統(tǒng)進(jìn)入人體內(nèi)部的放射性核素造成的照射。

劑量當(dāng)量(H)的SI單位為J／kg；單位的專門名稱為希沃特(Sv)。

1Sv

=

1J／kg

與希沃特暫時(shí)并用的專用單位是雷姆(rem)

lrem＝10-2Sv

應(yīng)用劑量當(dāng)量來描述人體所受各種電離輻射的危害程度，可以表達(dá)不同種類的射線在不同能量及不同照射條件下所引起生物效應(yīng)的差異。在計(jì)算劑量當(dāng)量時(shí)，就必須預(yù)先指定這些條件。對β和γ射線來說，以雷姆為單位的劑量當(dāng)量和以拉德為單位的劑量在數(shù)值上是相等的。單位時(shí)間內(nèi)的劑量當(dāng)量稱為劑量當(dāng)量定律，單位為Sv或rem。

此外，還有累計(jì)劑量、最大容許劑量、致死劑量等8.2環(huán)境中的放射性8.2.1放射性污染的來源（一）天然來源（1）宇宙射線（2）天然放射性同位素（二）人為來源核試驗(yàn)及航天事故；核工業(yè)；工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等部門對放射性核素的應(yīng)用；放射性礦的開采和利用等。8.2.2放射性核素在環(huán)境中的分布8.2.3放射性污染的危害（一）進(jìn)入人體途徑呼吸道－－人體－－肺，血液全身消化道－－人體－－肝臟，血液，全身皮膚或粘膜－－人體－－可溶性物質(zhì)易被皮膚吸收（傷口的吸收率更較高）（二）危害主要是輻射損傷，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子鍵斷裂和畸變，破壞對人類新陳代謝有重要意義的酶。另外可以直接破壞細(xì)胞的組織和結(jié)構(gòu)，對人體產(chǎn)生軀體損傷效應(yīng)和遺傳損傷效應(yīng)。8.3放射性輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)8.3.1我國《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》(GB8703—88)中的部分規(guī)定

（一）職業(yè)性放射性工作人員和居民每年限制劑量當(dāng)量

（二）露天水源中限制濃度和放射性工作場所空氣中最大容許濃度8.3.2其他國家和機(jī)構(gòu)發(fā)布的有關(guān)環(huán)境放射性標(biāo)準(zhǔn)8.4放射性測量實(shí)驗(yàn)室和檢測儀器8.4.1放射性測量實(shí)驗(yàn)室（一）放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)室（二）放射性計(jì)測實(shí)驗(yàn)室8.4.2放射性檢測儀器最常用的檢測器有三類，即電離型檢測器、閃爍檢測器和半導(dǎo)體檢測器。（1）電離型檢測器原理：如果核輻射被電離室中的氣體吸收，該氣體將發(fā)生電離。電離探測器即是通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷進(jìn)行測量的。儀器：常用的有電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管（G-M管）。用法：電離室是測量由電離作用而產(chǎn)生的電離電流，適用于測量強(qiáng)放射性；正比計(jì)數(shù)管和蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管則是測量由每一入射粒子引起電離作用而產(chǎn)生的脈沖式電壓變化，從而對入射粒子逐個(gè)計(jì)數(shù)，這適合于測量弱放射性。（2）閃爍探測器原理：是利用射線照射在某些閃爍體上而使它發(fā)生閃光的原理進(jìn)行測量的儀器。它具有一個(gè)閃爍體，當(dāng)射線進(jìn)入其中時(shí)產(chǎn)生閃光，然后用光電倍增管將閃光訊號放大、記錄下來。用法：該探測器以其高靈敏度和高計(jì)數(shù)率的優(yōu)點(diǎn)而被用作測量α、β、γ輻射強(qiáng)度。由于它對不同能量的射線具有很高的分辨率，所以又可作譜儀使用。通過能譜測量，鑒別放射性核素，并且在適當(dāng)?shù)臈l件下，能夠定量的分析幾種放射性核素的混合物。此外，這種儀器還能測量照射量和吸收劑量。（3）半導(dǎo)體檢測器原理：是將輻射吸收在固態(tài)半導(dǎo)體中，當(dāng)輻射與半導(dǎo)體晶體相互作用時(shí)將產(chǎn)生電子—空穴對。由于產(chǎn)生電子—空穴對的能量較低，所以該種探測器具有能量分辨率高且線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。用法：用硅制作的探測器可用于α計(jì)數(shù)、α、β能譜測定；用鍺制作的半導(dǎo)體探測器可用于γ能譜測量，而且探測效率高、分辨能力好。半導(dǎo)體探測器是近年來迅速發(fā)展的一類新型核輻射探測儀器。8.5放射性監(jiān)測8.5.1監(jiān)測對象及內(nèi)容放射性監(jiān)測按監(jiān)測對象可分為①現(xiàn)場監(jiān)測②個(gè)人劑量監(jiān)測③環(huán)境監(jiān)測。具體測量內(nèi)容包括：①放射源強(qiáng)度、半衰期、射線種類及能量；②環(huán)境和人體中放射物質(zhì)含量、放射性強(qiáng)度、空間照射量或電離輻射劑量。8.5.2放射性監(jiān)測方法對環(huán)境樣品進(jìn)行放射性測量和對非放射性環(huán)境樣品監(jiān)測過程一樣，也是經(jīng)過以下三個(gè)過程：樣品采集——樣品前處理——儀器測定根據(jù)下列因素決定采集樣品的種類。1、監(jiān)測目的和監(jiān)測對象，2、待測核素的種類、輻射特性及其物理化學(xué)形態(tài)3、在環(huán)境中的遷移及影響4、有時(shí)要同時(shí)采集大氣、水、土壤和生物樣品來確定某污染源或某地區(qū)的放射性污染狀況。8.5.2.1樣品采集（1）放射性沉降物的采集沉降物包括干沉降物和濕沉降物。干沉降物可用水盤法、粘紙法、高罐法采集。濕沉降物采集方法除上述方法外，常用一種能同時(shí)對雨水中核素進(jìn)行濃集的采樣器。（2）放射性氣溶膠的采集常用濾料阻留采樣法，其原理與大氣中顆粒物的采集相同。（3）其他類型樣品的采集其他類型樣品的采集與非放射性樣品的采集相近。8.5.2.2樣品預(yù)處理1、目的：濃集對象核素、去除干擾核素、將樣品的物理形態(tài)轉(zhuǎn)換成易于進(jìn)行放射性檢測的形態(tài)。2、方法：①衰變法②共沉淀法③灰化法④電化學(xué)法⑤其他預(yù)處理方法①衰變法樣品放置一段時(shí)間，使壽命短的干擾放射性核素衰變后，再對樣品進(jìn)行放射性測量。在測定大氣中放射性氣溶膠的總α、β放射性時(shí)常用這種方法，在用過濾法采樣后，放置4-5小時(shí)，以使短壽命的氡、釷子體蛻變殆盡。②共沉淀法加入共沉淀劑使待測核素得以沉淀析出。此法具有簡便、實(shí)驗(yàn)條件易滿足等優(yōu)點(diǎn)，在某些情況下還能直接提供固態(tài)樣品源，所以在微量放射性核素的分析中也是一種常用的分離濃集手段。居里夫婦發(fā)現(xiàn)一系列天然放射性元素便是運(yùn)用這種技術(shù)。用一般化學(xué)沉淀法分離環(huán)境樣品中的微量放射性核素時(shí)，有時(shí)達(dá)不到溶度積，因而不能達(dá)到分離要求。為此，可加入毫克數(shù)量級惰性載體。③灰化法固態(tài)樣品或蒸干的水樣，可放入瓷坩堝內(nèi)，置于500℃馬福爐中灰化一定時(shí)間，冷卻后稱量灰重，并轉(zhuǎn)入測量盤中，均勻鋪樣后檢測其放射性。④電化學(xué)法通過電解的方法將放射性核素（如Ag、Pb、Bi等）沉積在陰極、或以氧化物（如Pb、Co）的形式沉積在陽極上。該法的優(yōu)點(diǎn)是分離純度高。沉積在惰性金屬片（或絲）電極上的沉積物可直接（或做成樣品源）進(jìn)行放射性測量。⑤其他預(yù)處理方法其他預(yù)處理方法與非放射物質(zhì)相近。8.5.2.3環(huán)境中放射性監(jiān)測（1）水樣總α放射性活度的測定水中常見輻射α粒子的核素有Ra、Rn及其衰變產(chǎn)物等。一般情況下，水樣總α放射性濃度是0.1Bq/L，超過此值，即應(yīng)進(jìn)行總α放射性活度的測量。測定水樣總α放射性活度的作法如下：取一定量水樣，過濾，濾液加硫酸酸化，蒸干，在低于350℃溫度下灰化?；曳忠迫霚y量盤中，鋪勻成薄層，用閃爍探測器測量。在測量樣品之前，先測量空測量盤的本底值和已知活度的標(biāo)準(zhǔn)樣品（標(biāo)準(zhǔn)源），以確定探測器的計(jì)數(shù)效率，計(jì)算樣品源的相對放射性活度，即比放射性活度。（2）水樣總β放射性活度測量水中的β射線常來自K、Sr、I等核素的衰變，一般認(rèn)為安全水平為1Bq/L。水樣總β放射性活度測量步驟基本與測量總α放射性活度相同，但檢測器用低本底的蓋革計(jì)數(shù)管，且以含K的化合物作標(biāo)準(zhǔn)源。（3）土壤中