Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения ¹³⁷Cs

Цезий - химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 55, атомная масса 132,9054. Серебристо-белый металл из группы щелочных; легкоплавкий, мягкий. Основной минерал - поллуцит. Применяют при изготовлении фотокатодов.

Блестящая поверхность металлического цезия имеет бледно-золотистый цвет. Каждый его атом содержит 55 протонов, 78 нейтронов и 55 электронов, но все эти многочисленные электроны расположены относительно рыхло - ионный радиус цезия очень велик - 1,65 ?.

Продукт распада ¹³⁷Cs - изотоп ^137mBa с периодом полураспада 2,57 мин (Е_г = 0,662 МэВ): ¹³⁷Cs ^137mBa г.

¹³⁷Сs - один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления ¹³⁷Cs наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных ¹³⁷Cs накапливается главным образом в мышцах и печени.

1.1 Физико-химические свойства ¹³⁷Cs

Cs - мягкий металл, из-за низкой температуры плавления (T_пл = 28,6°C) при комнатной температуре находится в полужидком состоянии. Металлический Cs представляет собой вещество золотисто-белого цвета, по внешнему виду похожее на золото, но светлее. Расплав представляет подвижную жидкость, при этом его цвет становится более серебристым. Жидкий Cs хорошо отражает свет. Кристаллизуется в объёмно-центрированную кубическую решётку (тип б-железа), при высоком давлении может переходить в другие полиморфные модификации. Cs - парамагнетик.

Природный Cs - мононуклидный элемент, состоящий из единственного стабильного нуклида ¹³³Cs. На сегодняшний день известно 39 искусственных радиоактивных изотопов цезия с массовыми числами от 112 до 151. Самым долгоживущим искусственным радиоактивным нуклидом является ¹³⁵Cs с периодом полураспада T_1/2 около 2,3 миллиона лет. Другой относительно долгоживущий изотоп ¹³⁷Cs (T_1/2 = 30,17 года). Оба эти долгоживущих нуклида являются продуктами ядерного распада.

Это - один из самых легкоплавких металлов: он плавится при 28,5 °C, кипит при 705 °C в обычных условиях и при 330 °C в вакууме. Легкоплавкость Cs сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу элемента, его плотность при 20 °C всего 1,87. У атомов Cs своеобразная электронная структура.

Он обладает очень высокой реакционной способностью. На воздухе мгновенно воспламеняется с образованием пероксида Cs₂O₂ и надпероксида CsO₂; при недостатке воздуха получается оксид Cs₂O. С водой, галогенами, углекислым газом, серой, четыреххлористым углеродом Cs реагирует со взрывом, давая соответственно гидроксид CsOH, галогениды, оксиды, сульфиды, CsCl. С водородом взаимодействует при 200…350 °С и давлении 50…100 кгс/см², образуя гидрид. Выше 300 °С разрушает стекло, кварц и других материалы, а также вызывает коррозию металлов. При нагревании соединяется с фосфором, кремнием, графитом. При взаимодействии со щелочными и щелочноземельными металлами, а также с Hg, Au, Bi и Sb образуются сплавы; с ацетиленом - ацетиленид Cs₂C₂. Большинство простых солей Cs, особенно CsF, CsCl, Cs₂CO₃, Cs₂SO₄, CsH₂PO₄, хорошо растворимы в воде; малорастворимы CsMnO4, CsClO₄ и Cs₂Cr₂O₇. Цезий не принадлежит к числу комплексообразующих элементов, но он входит в состав многих комплексных соединений в качестве катиона внешней среды.

Он очень быстро реагирует с кислородом и не только. Моментально воспламеняется на воздухе, но способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого вакуума. Воду он бурно разлагает уже при обычной температуре; при этом выделяется много тепла, и вытесняемый из воды водород тут же воспламеняется. Взаимодействует даже со льдом при -116 °C. Его хранение требует большой предосторожности.

Взаимодействует и с углеродом. Только самая совершенная модификация углерода - алмаз - в состоянии противостоять его «натиску». Жидкий расплавленный Cs и его пары разрыхляют сажу, древесный уголь и даже графит, внедряясь между атомами углерода и образуя своеобразные, довольно прочные соединения золотисто-желтого цвета, которые в пределе, по-видимому, отвечают составу C₈Cs₅. Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при нагревании разлагаются и отдают весь поглощенный цезий.

Даже при обычной температуре реакции Cs с фтором, хлором и другими галогенами сопровождаются воспламенением, а с серой и фосфором - взрывом. При нагревании соединяется с водородом, азотом и другими элементами, а при 300 °C разрушает стекло и фарфор. Неустойчивы, а иногда огнеопасны и взрывчаты соединения Cs с азотом, кремнием и германием, а также с окисью углерода. Галоидные соединения Cs и цезиевые соли большинства кислот, напротив, очень прочны и устойчивы. Активность исходного Cs проявляется у них разве только в хорошей растворимости подавляющего большинства солей. Кроме того, они легко превращаются в более сложные комплексные соединения.

Чистый Cs чрезвычайно активный металл. Оказавшись на воздухе, он немедленно воспламеняется и сгорает. Попадая в организацию с серой или фосфором, он тут же начинает бурно «возмущаться», и это всегда приводит к взрыву. Общение с водой также сопровождается взрывом и пожаром - горит выделяющийся в ходе реакции водород.

2. Загрязнение почв ¹³⁷Cs

В первый послеаварийный период (1986-1989 гг.) 70 - 95% ¹³⁷Cs и 50 - 70% ⁹⁰Sr содержалось в верхнем 0 - 5 см слое почвы, причем преобладали «фиксировнные» необменные формы. Состояние ⁹⁰Sr в почвах отличалось несколько более высоким содержанием мобильных форм. В последующем произошли изменения в соотношении легкорастворимых и фиксированных форм радионуклидов. При этом, начиная с 1991-1993 гг. и по настоящее время отмечается повышение содержания мобильных форм радионуклидов. Причем эта тенденция заметнее для радиостронция в силу его более высокой подвижности.

В настоящее время доля подвижных форм цезия в дерново-подзолистых почвах составляет около 10%, стронция - до 70%, в торфяных почвах 15% и 50% соответственно. Основное количество ⁹⁰Sr в дерново-подзолистых почвах находится в наиболее мобильных формах - в водорастворимой и обменной; в торфяно-глеевой почве - в кислоторастворимой форме.

Полученные данные показывают, что период полуочищения от ¹³⁷Сs верхнего слоя 0 - 5 см торфяных почв превышает в среднем 10 лет, в то время как в дерновых почвах он может быть 1,5 - 2 раза больше. Таким образом, существенная доля активности ¹³⁷Сs еще значительный период времени будет присутствовать в корнеобитаемом слое почв [1].

2.1 Поведение ¹³⁷Сs в атмосфере

3.1 Факторы, определяющие миграцию радионуклидов

Выделяют следующие группы факторов, влияющие на миграционные процессы:

1) характеристики почв;

2) свойства радиоактивных элементов;

3) климатические условия;

4) органический мир

Обусловленность миграции этими факторами будет характерно только для природных ландшафтов.

К движущимся силам, которые вызывают вертикальную миграцию радионуклидов в почвах, относятся:

- фильтрация атмосферных осадков вглубь почв;

- капиллярный подток влаги к поверхности в результате испарения;

- термоперенос влаги под воздействием градиента температур;

- диффузия свободных и адсорбированных ионов;

- перенос радионуклидов в составе мигрирующих частиц различных типов;

- перенос корневой системой растений;

- роющая деятельность почвенных животных.

В случае, если поверхностные почвенные слои сильно насыщены корнями растений, то происходит миграция радионуклидов по их корневым системам.

В агробиоценозах основная масса радионуклидов более или менее равномерно распределяется в пахотном 25 - 30 см слое. На этой глубине отмечается ярко выраженная зона аккумуляции радиоактивных веществ, где проходит граница между пахотным и ненарушенным слоем почвы.

Для целинных земель радионуклиды распределяются в вертикальном профиле почвы по экспоненциальному закону с преобладанием в поверхностных слоях. С глубиной их удельная активность в почвенных горизонтах значительно уменьшается.

На лугах радионуклиды прочно удерживаются дерниной, чему способствует большое количество гумуса. Из него они довольно медленно мигрируют.

Естественные радиоактивные элементы в лесных почвах распределены практически равномерно: несколько большая их доля характерна для иллювиального горизонта. В лесных экосистемах аккумулятором радионуклидов является подстилка в виде лиственного или хвойного опада.

3.2 Формы нахождения радионуклидов в почве и их влияние на миграцию