Radionuklidy „naturalne”

W skorupie ziemskiej, w atmosferze, w wodzie oceanów znajdują się pewne ilości naturalnych nuklidów promieniotwórczych. Skąd się biorą? Pochodzą przede wszystkim z czasu powstawania Ziemi, ponieważ znalazły się w proto-Ziemi podczas skupiania się gazów i pyłów z gwiezdnych wybuchów gwiazd supernowych. Z powodu czasu połowicznego rozpadu porównywalnego z wiekiem Ziemi (~4,5 miliarda lat), większość z tych izotopów istnieje do dziś i wciąż wysyła promieniowanie jonizujące.

Promieniowanie jonizujące jest wszechobecne!

Z powodu istnienia naturalnych źródeł promieniotwórczych, niemalże wszędzie można stwierdzić obecność promieniowania alfa, beta i gamma, w ilości oczywiście zależnej od otoczenia. Największa część naszej „naturalnej dawki promieniowania” pochodzi od gazu radonu i radioaktywnych produktów jego rozpadu, które wdychane są razem z powietrzem (przede wszystkim podczas pobytu w piwnicach i jaskiniach) oraz od izotopu potasu K-40, który znajduje się zarówno w glebie, jak i w ciałach ludzi, lub zwierząt – na przykład w mięśniach. Również skały mogą w niektórych okolicach mieć duży wkład do „naturalnej dawki”.

Radionuklidy „naturalne”

Wszystkie pierwiastki na Ziemi i w całym Układzie Słonecznym, które są cięższe niż żelazo, nie mogą pochodzić ze Słońca i gwiazd podobnych do Słońca. Cięższe pierwiastki mogły powstawać podczas wybuchów gwiazd supernowych, bądź podobnych, potężnych zjawisk.

Ponieważ niektóre izotopy promieniotwórcze posiadają skrajnie długie czasy połowicznego rozpadu, ich aktywność od powstania Ziemi do dziś niewiele osłabła.

Przykłady (czas połowicznego rozpadu, T_½, podany jest w latach, „p” to procentowa zawartość atomów danego izotopu):

• izotop wanadu, V-50, T_½ = 1,4 ⋅ 10¹⁷, p =  0,25%;
• izotop germanu, Ge-76,  T_½ = 1,5 ⋅ 10²¹, p =  7,44%;
• izotop kadmu, Cd-113, T_½ = 9 ⋅ 10¹⁵, p = 12,22%;
• izotop kadmu, Cd-116, T_½ = 2,6 ⋅ 10¹⁹, p =  7,49%;
• izotop telluru, Te-128,  T_½ = 7 ⋅ 10²⁴, p = 31,69%;
• izotop telluru, Te-130,  T_½ = 2,7 ⋅ 10²¹, p = 33,8%;

te najważniejsze:

• izotop potasu, K-40, T_½ = 1,28 ⋅ 10⁹, p = 0,0117% (pierwiastek potas stanowi wagowo ok. 2%, czyli 20g/kg w poznanej części skorupy ziemskiej);
• izotopy uranu (2,7 mg/kg czyli 2,7 ppm w poznanej części skorupy ziemskiej):
  • U-233, T_½ = 2,455 ⋅ 10⁵, p = 0,0055%;
  • U-235, T_½ = 0,7 ⋅ 10⁹, p = 0,72%;
  • U-238, T_½ = 4,468 ⋅ 10⁹, p = 99,2745%;
• izotop toru, Th-232, T_½ = 1,4 ⋅ 10¹⁰, p = 100% (9,6 mg/kg czyli 9,6 ppm w poznanej części skorupy ziemskiej).

Niektóre izotopy promieniotwórcze – jak tor i izotopy uranu są początkami szeregów („łańcuchów”) promieniotwórczych, w którym produkty poszczególnych rozpadów też się rozpadają.

Naturalna promieniotwórczość? Tak, w piwnicy…

Jeśli przyjrzeć się trzem naturalnym szeregom promieniotwórczym, można z pewnością zauważyć, że wszystkie kończą się tym samym stabilnym pierwiastkiem – ołowiem.

A kto przyjrzał się dokładnie, temu być może rzuciło się w oczy coś jeszcze: wszystkie szeregi zawierają w sobie radon. Dla naszej ekspozycji na promieniowanie jonizujące ważny jest przy tym w szczególności izotop radonu Rn-222, pochodzący z rozpadu izotopu radu Ra-226. Radon jest względnie ciężkim (~9,7 mg/cm³, dla porównania powietrze: 1,29 mg/cm³) gazem szlachetnym. Powstaje w glebie, lub w murze, może ulatniać się przez szpary, dostaje sie do powietrza – i oczywiście może być wtedy wdychany. Najczęściej radon można znaleźć przy gruncie oraz w piwnicy. Średnia aktywność Rn-222 na świeżym powietrzu wynosi ~10÷15 Bq/m³, typowe wartości w przypadku piwnicy wynoszą około 300 Bq/m³. Na wyższych piętrach radonu jest mniej.

Dlaczego? Rozwiązanie jest całkiem proste: czas połowicznego rozpadu najbardziej trwałego izotopu radonu wynosi prawie cztery dni. Przez to, ten ciężki gaz ma dość mało czasu, żeby się dalej przemieścić, gdy tylko ulotni się z gleby i skał. Dlatego spora część rozpada się w pobliżu powierzchni gruntu. Poza tym, piwnice są rzadko wietrzone, więc gaz nie może się ulotnić.

…i w wodzie

Nad powierzchnią morza skupienie radonu jest niższe niż w powietrzu nad lądem, ponieważ woda morska zawiera mniej radu, z którego poprzez radioaktywny rozpad może powstawać radon. Inaczej jest w przypadku wody gruntowej i źródlanej. Tutaj koncentracja radonu może być odpowiednio wyższa (aż do 100 Bq/l). Ale bez obaw: radon szybko się ulatnia i w wodzie z wodociągu jego aktywność wynosi najczęściej nie więcej niż 1 do 2 Bq/l.

…w naszych ciałach też!

Radon we wdychanym powietrzu jest tylko przykładem substancji, które wchłaniamy każdego dnia. Istnieją również radioaktywne izotopy pierwiastków niezbędnych dla organizmu. Potas jest takim pierwiastkiem; odgrywa on rolę, szczególnie przy przekazywaniu bodźców w nerwach. W każdym człowieku tkwią około 2 gramy potasu na każdy kilogram masy ciała, z tego około 0,0117% radioaktywnego izotopu K-40. Nuklid izotopu K-40 może rozpadać na dwa sposoby: albo przekształca się w izotop wapnia Ca-40 poprzez rozpad beta (w 89% wszystkich przypadków), albo następuje wychwycenie elektronu z najbliższej jądru powłoki elektronowej, przy czym nuklid K-40 zamienia się we wzbudzony nuklid argonu Ar-40, który następnie przechodzi w stan podstawowy, emitując promieniowanie gamma.

Wyliczmy w takim razie, jak wysoka jest aktywność K-40 w przypadku osoby o masie ciała 60 kg (aktywność właściwa potasu: 30,92 Bq/g) – 60 kg masy ciała odpowiada 120 gramom potasu; to oznacza: 120 g ⋅ 30,92 Bq/g = 3710 Bq.

…i w skale.

Skały również mogą wydzielać promieniowanie jonizujące. Liczy się przy tym ogólna zasada: skała magmowa – na przykład granit, z którego utworzone są Alpy, lub skała wulkaniczna promieniuje mocniej niż skała osadowa – na przykład piaskowce Szwajcarii Saksońskiej. I kiedy na przykład podłoże przypadkowo zawiera więcej uranu niż zwykle, emituje promieniowanie o większym natężeniu. Uran nie musi zresztą wcale być zawarty w podłożu: twórca ceramiki i dmuchacze szkła zabarwiają nim często swoje wyroby, ponieważ związki uranu wytwarzają promienistą biel, czerwień, żółcień i odcienie żółtobrunatne. Dlatego rozporządzenie o ochronie przed promieniowaniem zawiera ścisłe limity na stosowanie takich materiałów.

Zależnie od tego, jaki rodzaj skały leży w okolicy (i z jakiego kruszywa zbudowany jest dom), jest się narażonym na różne ilości promieniowania.