Pochodzenie pierwiastków

-4

0

4

8

12

0 20 40 60 80liczba atomowa

log

(N)

[Si =

6] H

He

BBe

Li

O

N

C

Th

U

Rozpowszechnienie pierwiastków w Układzie Słonecznym

1. Lekkie (N<30) pierwiastki dominują.2. Pierwiastki o parzystych liczbach

atomowych są bardziej rozpowszechnione niżte 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 lubpodczas 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 pozbawionaatmosfery. 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

2 He

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

11 Na

12 Mg

13 Al.

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

55 Cs

56 Ba

57 La

72 Hf

73 Ta

64 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

87 Fr

88 Ra

89 Ac

104 Rf

105 Ha

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np.

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lw

Większość metali jest transportowanych w środowiskach wodnych w formie kompleksów

Kompleks – związek kationu z anionem lub obojętną cząsteczkąwystępujący w formie rozpuszczonej.

przykłady

3-3

4333

UOH,AgS ,HCO

MgSO ,CaHCO ,CaCO ,NaHCO

Kompleksy metali

Stężenie metali w wodach jest zwykleznacznie mniejsze niż wynikałoby z ich rozpuszczalności. Przyczyną jest silna adsorpcja na:

- wodorotlenkach i uwodnionych tlenkach Fe i Mn.

- krzemianach i węglanach- materii organicznej

Adsorpcja – desorpcja

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]

U Th

Bazalty dna oceanicznego

0,1 0,2

Granity 4,2 20

Boksyty 11 50

Fosforyty 50 - 300 1 - 5

Woda morska 3 10-3 2 10-7

Woda rzeczna 10-3 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.

14C bierze udział w globalnym obiegu węgla a 3H w globalnym obiegu wody.Procesy te warunkują rozpowszechnienie obydwu kosmogenicznych radionuklidów w środowisku.

Podział radionuklidów występujących na Ziemi

Na Ziemi występuje ponad 60 spośród ponad1500 znanych radionuklidów:

• pierwotnewytworzone przed powstaniem Ziemi

• wtórne powstające w wyniku oddziaływania ziemskiej materii z promieniowaniemkosmicznym

• wytworzone przez człowiekawystępują 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 T1/2aktywność

235U 7,04 x 108 lat 0,72%238U 4,47 x 109 lat 99,2745%, kilka

ppm w skałach232Th 1,41 x 1010 lat Ok. 10 ppm w

skorupie ziemskiej226Ra 1,60 x 103 lat 16 – 48 Bq/kg w

skałach222Rn 3,82 dni ~ 1 – 10 Bq/m3 w

powietrzu40K 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 wynikuspontanicznych przemian jądrowych z określonego, naturalnie występującego, prekursora. Zakończone trwałymi izotopamiołowiu:

• aktynowy: 235U – 207Pb• torowy: 232Th – 208Pb• uranowy: 238U – 209Pb

Szereg aktynowy

Szereg torowy

Szereg uranowy

Szereg neptunowy (wygasł)

Produkty rozpadu radonu 222

205206207208209210211212213214215216217218219220221222

81 82 83 84 85 86

liczba a tom owa

mas

a at

omow

a

Rn-222

Pb-214 Po-214

Pb-210

Pb-206

Bi-214

Po-210Bi-210

Po-218

3,8 d

27 m

3 m

20 m 180 s

22 l 5 d 138 d

Promieniowanie kosmiczne

Elektrony, protony, promieniowanie , jądrao pochodzeniu pozaziemskim –ze Słońca (głównie protony i jądra helu),z odległych obszarów galaktyki.

Cząstki promieniowania kosmicznego oddziałując z materią atmosfery wywołująwiele reakcji jądrowych

Promieniowanie kosmiczne

Pierwotne promieniowanie kosmiczne

Oddziaływania z cząstkami powietrza

Kaskadahadronowa

Składowa mionowa,neutrina

Składowa hadronowa,fragmenty jąder

Składowa elektromagnetyczna

PromieniowanieCzerenkowa i fluoroscencyjne

Radionuklidy kosmogeniczne

~ 0,01oddziaływania prom. kosm. z N i O

53 dni7Be

~ 1 Bq/l w wodzie opadowej

Oddziaływania prom. kosm. z N i O, spallacja, 6Li(n,)3H

12,3 lat3H

0,22 Bq/g w materii organicznej

14N(n,p)14C5730 lat14C

naturalna aktywność

źródłopółokres

rozpadu

nuklid

Radionuklidy kosmogeniczne

10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P, 38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl.

Niektóre inne radionuklidy kosmogeniczne

Radionuklidy antropogeniczne

nuklid Półokres rozpadu

źródło

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 półokres rozpadu

źródła

137Cs 30,17 r Produkt rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach

90Sr 28,78yr Produkt rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach

99Tc 2,11 x 105 r

Testy medyczne

239Pu 2,41 x 104 r

238U + n--> 239U--> 239Np +ß--> 239Pu+ß

Zawartość radionuklidów w glebie (106 m3)

nuklid aktywność

właściwa

masa aktywność

238U 25 Bq/kg 2700 kg

38 GBq

232Th 40 Bq/kg 15 000 kg

64 GBq

40K 400 Bq/kg 2500 kg

610 GBq

226Ra 48 Bq/kg 2,5 g 77 GBq222Rn 10 kBq/m3 13 g 9 GBq

Razem ok. 800 GBq

Aktywności radionuklidów w w wodzie morskiej

nuklid

238U

40K

3H

14C87Rb

aktywność

właściwa

33 mBq/l

11 Bq/l

0,6 mBq/l

5 mBq/l

1,1 Bq/l

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 [pCi/kg]

226Ra [pCi/kg]

banany 3520 1

orzechy brazylijskie

5600 1000 - 7000

marchew 3400 0,6 – 2,0

ziemniaki 3400 1 - 25

piwo 390 ---

czerwone mięso

3000 0,5

fasola 4640 2 - 5

woda pitna --- 0 – 0,17

Radionuklidy w ludzkim ciele

Nu -klid

Zasób w ciele

Aktywn. w ciele

Dzienna dawka

238U 90 g 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

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 piaskowcowy

0,8 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

Uran Tor Potas

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 (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.