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Kalium-Argon-Datierung

Das Verhältnis der Konzentration von 40 K zur Konzentration seines Zerfallsprodukts 40 Ar wird zur Bestimmung des absoluten Alters von Objekten mit der sogenannten Kalium-Argon-Datierungsmethode verwendet. Der Kern dieser Methode ist wie folgt:

• Wenn [ 40 K] 0 die anfängliche Anzahl der Kaliumatome-40 ist, und T das gewünschte Alter der Probe ist, dann wird die heutige Anzahl von 40 K-Atomen in der gemessenen Probe durch die Formel bestimmt:

• Im Laufe der Zeit bildeten sich insgesamt 40 Ar- und 40 Ca-Atome T, entspricht:

• Aus der Beziehung zwischen den Zerfallskonstanten folgt:

• Durch den Vergleich der letzten beiden Gleichungen erhalten wir einen Zusammenhang zwischen der Anzahl von 40 Ar- und 40 K-Atomen in der untersuchten Probe:

• Lösen der resultierenden Gleichung für die erforderliche Zeit T, erhalten wir eine Formel zur Bestimmung des Alters der Stichprobe:

Es wird angenommen, dass der radioaktive Zerfall von 40 K eine der Hauptquellen geothermischer Energie ist, die im Erdinneren freigesetzt wird (die Leistung wird auf 44 TW geschätzt). In kaliumhaltigen Mineralien reichert sich nach und nach das Isotop 40 Ar an, das ein Zerfallsprodukt von 40 K ist. Durch Messung des Verhältnisses zwischen den Isotopen 40 K und 40 Ar kann das Alter von Gesteinen bestimmt werden. Auf diesem Prinzip basiert die Kalium-Argon-Datierungsmethode, die eine der Hauptmethoden der nuklearen Geochronologie darstellt.

Andererseits ist Kalium eines der wichtigsten biogenen Elemente, die für alle Lebewesen notwendig sind. Natürlich gelangt radioaktives 40 K neben stabilen Kaliumisotopen auch in lebende Organismen. Beispielsweise kommt es im Körper eines 70 kg schweren Menschen pro Sekunde zu etwa 4000 radioaktiven Zerfällen.

Eine Person erhält einen erheblichen Teil radioaktiver Isotope über die Nahrung (im Durchschnitt etwa 40 Millirem pro Jahr oder mehr als 10 % der jährlichen Gesamtdosis). Fast alle Lebensmittel enthalten geringe Mengen radioaktiver Isotope, allerdings ist die natürliche Radioaktivität in einigen Lebensmitteln deutlich höher als der Durchschnitt. Zu diesen Lebensmitteln gehören Kartoffeln, Bohnen, Nüsse und Sonnenblumenkerne. Ein relativ hoher Wert wird bei Paranüssen beobachtet (aufgrund des erhöhten Gehalts an radioaktiven Isotopen 40 K, 226 Ra, 228 Ra), deren Radioaktivität 12.000 Picocuries pro Kilogramm und mehr (450 Bq/kg und mehr) erreichen kann.

Auch Bananen gehören zu den Lebensmitteln mit erhöhter natürlicher Radioaktivität. Die durchschnittliche Banane enthält 3.520 Picocuries pro Kilogramm Gewicht, also etwa 520 Picocuries in einer 150-Gramm-Banane. Die Äquivalentdosis in 365 Bananen (eine pro Tag für ein Jahr) beträgt 3,6 Millirem oder 36 Mikrosievert. Der Hauptgrund für die Radioaktivität von Bananen ist das natürliche Isotop Kalium-40.

Die Radioaktivität von Bananen hat wiederholt zu Fehlalarmen bei Strahlungsdetektoren geführt, mit denen die illegale Einfuhr radioaktiver Stoffe in die USA verhindert werden soll.

In der Kernenergie wird sogar der Begriff „Bananenäquivalent“ verwendet. Das Bananenäquivalent entspricht der Menge an radioaktiven Isotopen, die beim Verzehr einer Banane in den Körper gelangen.

Strahlungslecks aus Kernkraftwerken werden häufig in sehr kleinen Einheiten gemessen, beispielsweise in Pikocurien (ein Billionstel Curie). Durch den Vergleich dieser Dosen mit der natürlichen Radioaktivität einer Banane können Sie das Risiko von Lecks intuitiv einschätzen.

Beispielsweise entdeckte die US-amerikanische Nuklearenergiekommission nach dem Unfall im Kernkraftwerk Three Mile Island radioaktives Jod in der Milch lokaler Kühe in einer Menge von 20 Picocuries pro Liter. Diese Radioaktivität ist deutlich geringer als in einer normalen Banane. Ein Glas dieser Milch enthielt nur 1/75 des Äquivalents einer Banane.

Allerdings ist zu berücksichtigen, dass ein solcher Vergleich sehr bedingt ist, da die Strahlung verschiedener radioaktiver Isotope aus Sicht der biologischen Wirkung keineswegs gleichwertig ist. Darüber hinaus gibt es Grund zu der Annahme, dass der Verzehr einer Banane die Strahlung im Körper nicht erhöht, da überschüssiges Kalium aus einer Banane dazu führt, dass eine äquivalente Menge des 40-K-Isotops durch den Stoffwechsel aus dem Körper ausgeschieden wird.

Unser Leben ist nur ein Moment
Der Heiligen Schrift zufolge wurde der Mensch ursprünglich für ein glückliches und ewiges Leben geschaffen, aber für seine Sünden wurde die Unsterblichkeit abgeschafft. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum die Menschen begannen, nach dem Elixier der ewigen Jugend zu suchen.

Aber leider ist der Mensch sterblich. Und am Ende des 20. Jahrhunderts bot sich eine Chance, wenn nicht auf Unsterblichkeit, so doch auf die wissenschaftliche Suche nach diesem Glück. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es auf der Erde immer noch unsterbliche Wesen gibt! Dabei handelt es sich um Bakterien – sie zeigen keine Alterungserscheinungen und sterben nicht an Altersschwäche.
Ivan Stepanovich Filimonenko, einer der Begründer der Kernphysik und Entwickler des Projekts zur Neutralisierung von Strahlung, wartete nicht darauf, dass wir wie Bakterien werden. Die Entdeckung dieses herausragenden Wissenschaftlers ist nicht nur sensationell, sondern auf den ersten Blick auch fantastisch. Ivan Stepanovich wusste, dass die Hauptquelle der radioaktiven Kontamination das Kalium-40-Isotop ist, und berechnete, dass unsere Lebenserwartung umgekehrt proportional zur Menge der im Körper enthaltenen radioaktiven Elemente ist. Es ist dieses „Medikament“, das, wenn es im menschlichen Körper zerfällt, alle lebenden Zellen zerstört. Der Körper stellt sie jedoch wieder her, die Wirkung des Isotops hört jedoch nicht auf und die Zellen sterben immer wieder ab. Das genetische Programm des Menschen ist jedoch darauf ausgelegt, Zellen höchstens hundertmal zu ersetzen, und wenn sein Limit aufgebraucht ist, erliegt der Körper dem radioaktiven Monster. So kommt es unweigerlich zu Alter und Tod. Da wir also radioaktive Strahlung aus der Umwelt erhalten, ist die durchschnittliche Lebenserwartung umso höher, je weniger radioaktive Strahlung in dieser Umgebung vorhanden ist.
Ivan Stepanovich führte sogar einige Berechnungen durch und stellte fest, dass die Lebenserwartung eines Menschen 61 Jahre und 7 Monate betragen würde, wenn der Körper eines Menschen sein ganzes Leben lang 245 Gramm „Kalium-40“ enthielt. Bei einem Gehalt von 7 Gramm - 2531 Jahren, und bei 0,7 Gramm „Kalium-40“ erhöht sich die Lebenserwartung auf 25300 Jahre.

Sensation auf sumerischem Boden
Archäologische Ausgrabungen am Standort der sumerischen Zivilisation (Sumer ist ein altes Land im Süden des heutigen Irak) zeigten, dass in der Erdschicht der Gehalt des Kalium-40-Isotops 175-mal geringer war als heute. Somit waren die alten Sumerer 175-mal weniger Strahlung ausgesetzt als wir und konnten daher 175-mal länger leben als wir. Filimonenkos Konzept erhielt bald eine sensationelle Bestätigung. Archäologen haben Keilschrifttafeln der alten Sumerer gefunden und entziffert, die sie vor mehr als viertausend Jahren zusammengestellt hatten. Dort wurde die Geschichte dieses Landes beschrieben, und es wurde auch gesagt, dass die Herrscher des alten Sumer die berühmtesten Hundertjährigen auf unserem Planeten waren.
Die Geschichte dieses Landes ist in zwei Perioden unterteilt – vor und nach der Sintflut. Alle zehn Herrscher von Sumer regierten also vor der Sintflut 456.000 Jahre lang. Selbst wenn wir der Hypothese folgen, dass die Sumerer einen Monat im Jahr hatten, stellt sich heraus, dass jeder der Herrscher durchschnittlich dreieinhalbtausend Jahre hatte.
Eine der Tafeln enthält die Namen von acht Königen und die Zeiträume, in denen sie das Land regierten. Hier ist die Liste:
En-me-en-lu-an-na – 43.200 Jahre
Dumuz – 36.000 Jahre alt
A-la-gar – 36.000 Jahre
A-lu-lim – 28.800 Jahre
En-me-en-gal-an-na – 28.800 Jahre
Sib-zi-an-na – 28.800 Jahre
En-me-en-dur-an-na – 21.000 Jahre
Ibartutu – 18.000 Jahre alt
Die Erwähnung nur von Herrschern auf den Tafeln bedeutet natürlich keineswegs, dass einfache Sumerer wie wir nicht länger als ein Jahrhundert lebten. Sie atmeten die gleiche saubere Luft wie die Könige, wandelten auf demselben ökologisch sauberen Land und waren natürlich dieselben fabelhaften Hundertjährigen.

Hypothesen, Projekte...
Wie wir sehen, wurden Filimonenkos Berechnungen nicht nur bestätigt, sondern stimmen auch vollständig mit den Angaben auf den alten Tafeln überein. Vor 50 Jahren schuf er seine weltweit erste Anlage zur Neutralisierung von Strahlung, die alle Tests erfolgreich bestand. Aber wie so oft durfte er diese Haltung nicht in die Tat umsetzen. Aber Ivan Stepanovich träumte so sehr davon, sein Experiment in einem bestimmten Gebiet durchzuführen und den Gehalt an radioaktiven Substanzen, wenn nicht auf das Niveau im Land der alten Sumerer, dann zumindest um die Hälfte zu reduzieren. Zwar müsste ein solches Experiment streng geheim gehalten werden, sonst würden Tausende und Abertausende Pilger in der Hoffnung, ihr Leben zu verlängern, in dieses Gebiet stürmen. Sie würden sich wahrscheinlich gegenseitig um einen Platz an der Sonne herumtrampeln. Nach Angaben des Wissenschaftlers verfügte er bereits über die Macht, spezielle unterirdische Städte mit Wunderanlagen auszustatten, die für alle außer ihnen verschlossen waren, und für immer dort zu leben. Sie waren sogar bereit, sagenhafte Summen bereitzustellen. Filimonenko sagte später, dass ihm damals die einfachen Menschen leid täten und er nicht wollte, dass die Mafia-Elite unsterblich werde. Infolgedessen wurde er von seinem Job entlassen.
Aber er gab sein Projekt nicht auf und schlug vor, seine Technologie einzuführen, um den gesamten Planeten von Strahlung zu befreien. Dieses Projekt wurde jedoch noch nicht angenommen. Natürlich würde die Umsetzung eines solchen Projekts astronomische Summen erfordern, aber es könnte langfristig angelegt werden. Filimonenko glaubt, dass es sich lohnen würde, das Experiment in Russland zu starten, in den Gebieten, in denen radioaktive und andere gefährliche Abfälle entsorgt werden. Wenn wir jetzt über Umweltsicherheit, Verbesserung des Wohlbefindens und Erhöhung des Lebensstandards sprechen, dann wäre ein solches Projekt nicht in Worten, sondern in der Realität das größte Projekt in der Geschichte der Menschheit.
Filimonenko setzte seinen Plan fort und begann mit der Arbeit an der Schaffung eines Kraftwerks, in dem im Gegensatz zu einem Kernreaktor leichte Elemente kombiniert werden, anstatt schwere Elemente zu zersetzen. Er ging davon aus, dass, wenn aus zwei Deuteriumatomen ein Heliumatom gewonnen wird, nicht weniger Energie freigesetzt wird. Und das experimentelle Modell einer solchen Anlage hat alle Tests erfolgreich bestanden – bei der Synthese leichter Kerne gibt es keinerlei Strahlung. Doch der Wissenschaftler hielt seine Erfindung vorerst geheim: „Ich möchte nicht, dass diese Technologien jemals in unserer barbarischen Gesellschaft zum Einsatz kommen.“ Schließlich kann man mit ihrer Hilfe monströse Verbrechen gegen die gesamte Menschheit begehen – explodieren wie Atombomben, und es wird keine Strahlung erzeugt.“

Wladimir Lotochin
Zlatoust, Gebiet Tscheljabinsk.

Im Jahr 1807 isolierte der englische Chemiker Davy Kalium durch Elektrolyse von festem Kaliumhydroxid (KOH) und nannte es „Kalium“ (lat. Kalium, Dieser Name wird immer noch in Englisch, Französisch, Spanisch, Portugiesisch und Polnisch verwendet. Im Jahr 1809 schlug L.V. Gilbert den Namen „Kalium“ (lat.) vor. Kalium aus dem Arabischen Alkali- Kali).

Kalium ist ein Element der Hauptuntergruppe der ersten Gruppe der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D.I. Mendelejew mit der Ordnungszahl 19. Es wird mit dem Symbol K - (lat.) bezeichnet. Kalium). Der einfache Stoff Kalium ist ein weiches Alkalimetall von silbrig-weißer Farbe. Sehr leicht und schmelzbar. Es kommt in der Natur nicht in freier Form vor, sondern nur in Verbindungen mit anderen Elementen, beispielsweise im Meerwasser, sowie in vielen Mineralien. Es oxidiert sehr schnell an der Luft und geht leicht chemische Reaktionen ein, insbesondere mit Wasser, wodurch ein Alkali entsteht.

In vielerlei Hinsicht sind die chemischen Eigenschaften von Kalium denen von Natrium sehr ähnlich, in Bezug auf die biologische Funktion und die Verwendung durch die Zellen lebender Organismen unterscheiden sie sich jedoch dennoch. Die Löslichkeit von Kaliumhydroxid beträgt bei 20°C in 100 g Wasser 112 g. Es löst sich relativ gut in Quecksilber und bildet Amalgame.

Das natürliche Element Kalium besteht aus drei Isotopen: 39 K (93,98 %), 40 K (0,0119 %) und 41 K (6,91 %). Davon ist 40 K ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 1,3·10 9 Jahren. Der radioaktive Zerfall verläuft nach folgendem Schema:

Das Radioisotop 40 K macht etwa 0,012 % des natürlichen Kaliums aus. Gewöhnliches Trinkwasser enthält etwa 2,5 Teile pro Million Kalium oder 3·10 mg/l 40 K. Diese Konzentration entspricht ungefähr 2 µCurie/l oder 2·10 µCurie/ml.

Da sich unter natürlichen Bedingungen die Isotopenzusammensetzung von Elementen nicht ändert, wird das Kaliumelement überall dort, wo es sich befindet, immer von seinem radioaktiven Isotop 40 K begleitet und sendet daher ständig einen Strom von Elektronen und γ-Quanten aus. In jedem Gramm natürlichem Kalium zerfallen durchschnittlich 32 40 K-Kerne pro Sekunde, wodurch beispielsweise im Körper eines 70 kg schweren Menschen jede Sekunde etwa 4.000 radioaktive Zerfälle auftreten. 40 K gilt als eine der Hauptquellen geothermischer Energie, die im Erdinneren freigesetzt wird (die Leistung wird auf 44 TW geschätzt).

In kaliumhaltigen Mineralien reichert sich nach und nach 40 Ag an, eines der Abbauprodukte von Kalium-40, was eine Messung des Alters von Gesteinen ermöglicht; Die Kalium-Argon-Methode ist eine der Hauptmethoden der nuklearen Geochronologie. Als Beispiel für die mit der Kalium-Argon-Methode erzielten Erfolge betrachten wir die Datierung der Erdmagnetfeldumkehrungen.

Kalium wird wie andere Alkalimetalle durch Elektrolyse geschmolzener Chloride oder Alkalien gewonnen. Kalium weist wie andere Alkalimetalle typische metallische Eigenschaften auf und ist chemisch aktiv, da es leicht Elektronen abgibt. Es verbindet sich so aktiv mit Sauerstoff, dass kein Oxid, sondern Kaliumsuperoxid KO 2 (oder K 2 O) entsteht. Ist ein starkes Reduktionsmittel. Peroxide sind starke Oxidationsmittel und werden daher zum Bleichen von Stoffen in der Textilindustrie verwendet.

Die Fähigkeit, Kohlendioxid gegen Sauerstoff auszutauschen, wird in isolierenden Gasmasken und auf U-Booten genutzt. Als Absorber wird eine äquimolare Mischung aus Kaliumsuperoxid und Natriumperoxid verwendet. Eine bei Raumtemperatur flüssige Legierung aus Kalium und Natrium wird als Kühlmittel in geschlossenen Systemen verwendet, beispielsweise in Kernkraftwerken mit schnellen Neutronen. Darüber hinaus sind seine flüssigen Legierungen mit Rubidium und Cäsium weit verbreitet. Die Legierung mit der Zusammensetzung Natrium 12 %, Kalium 47 %, Cäsium 41 % hat einen rekordtiefen Schmelzpunkt von -78 °C. Kaliumverbindungen sind das wichtigste biogene Element und werden daher als Düngemittel eingesetzt.

Kaliumsalze werden in der Galvanisierung häufig verwendet, da sie trotz ihrer relativ hohen Kosten besser löslich sind als die entsprechenden Natriumsalze und daher einen intensiven Betrieb von Elektrolyten bei erhöhten Stromdichten ermöglichen. Perchlorat und Chlorat (Berthollet-Salz) werden bei der Herstellung von Streichhölzern, Raketenpulver, Zündladungen, Sprengstoffen und in der Galvanisierung verwendet. Kaliumpermanganat ist ein starkes Oxidationsmittel und wird als Antiseptikum in der Medizin und zur Laborherstellung von Sauerstoff, Natriumkaliumtartrat (Rochelle-Salz) als Piezoelektrikum und Dihydrogenphosphat und Dideuterophosphat in Form von Einkristallen in der Lasertechnik eingesetzt.

Kaliumperoxid und Kaliumsuperoxid werden zur Luftregeneration in U-Booten und in isolierenden Gasmasken verwendet (absorbiert Kohlendioxid und setzt Sauerstoff frei). Kaliumfluorborat ist ein wichtiges Flussmittel zum Löten von Stählen und Nichteisenmetallen. Kaliumcyanid wird beim Galvanisieren (Versilbern, Vergolden), beim Goldabbau und beim Nitrocarburieren von Stahl verwendet. Dichromat (Chrompic) ist ein starkes Oxidationsmittel, das zur Herstellung einer „Chrommischung“ zum Waschen von chemischem Geschirr und bei der Lederverarbeitung (Gerben) verwendet wird. Es wird auch zur Reinigung von Acetylen in Acetylenanlagen von Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Phosphin eingesetzt. Kalium wird zusammen mit Kaliumperoxid bei der thermochemischen Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet (Kaliumkreislauf „Gaz de France“, Frankreich).

Kalium ist ein wesentliches Element lebender Organismen. Obwohl 40 K 5 bis 50 % der natürlichen β-Aktivität von Trinkwasser ausmachen kann, gelten die Konzentrationen dieses Isotops im Wasser nicht als gesundheitsgefährdend. Nach dem Eindringen in den menschlichen Körper ist 40 K teilweise in den Keimzellen konzentriert, aufgrund seiner geringen spezifischen Aktivität und geringen Konzentration im Wasser jedoch kein gefährliches Radioisotop. Aus der natürlichen Umgebung (EN) kommt es hauptsächlich in Form von Chlorid- und Kohlendioxidsalzen vor, ist im gesamten lebenden Organismus verteilt und kommt in allen seinen Geweben, Zellen und subzellulären Organellen vor. Sein Inhalt wird durch spezielle physiologische Systeme reguliert. Kalium ist an einer Reihe biochemischer und biophysikalischer Prozesse beteiligt.

Kalium-40 ist das Hauptradionuklid, das eine ständige innere γ- und β-Strahlung lebender Körper verursacht. Lebende Organismen, die ständig Kalium aus OPS absorbieren, reichern erhebliche Mengen an 40 K an. Beispielsweise beträgt sein Gehalt in Meeresmikroorganismen 330–600 Bq/kg, in Algen – 570–800, in den Muskeln von Meeresorganismen – 57–216 Bq/kg. kg kg Trockengewicht, wenn sein Gehalt im Meerwasser 12-15 Bq/kg beträgt. Aus dem Boden gelangt 40 K über das Wurzelsystem in Pflanzen und mit pflanzlicher Nahrung in tierische Organismen. Tabelle 9 zeigt den Gehalt an 40 K in Pflanzen.

Tabelle 9
Gehalt an Kalium-40 in als Nahrung verzehrten Pflanzen, Bq/kg

Notiz. Besonders reich an 40 K: Bohnen – 299, Kartoffeln – 174, Nüsse – 210, Preiselbeeren – 355 Bq/kg.

Kalium ist das wichtigste biogene Element, insbesondere in der Pflanzenwelt. Bei einem Mangel an Kalium im Boden entwickeln sich die Pflanzen schlecht und der Ertrag sinkt. Daher werden etwa 90 % der geförderten Kaliumsalze als Düngemittel verwendet.

Bei verschiedenen Feldpflanzen variiert die Kaliumkonzentration um das Zehnfache, wobei sie bei höherblühenden Pflanzen zunimmt, bei Gymnospermen abnimmt und bei Moosen und Flechten niedrigere Werte aufweist. In höheren Pflanzen kann der Anteil von 40 K an der gesamten β-Aktivität der Asche 50-60 % erreichen. Mit pflanzlicher Nahrung gelangen 40 K in den Körper von Tieren und Menschen. Seine Verteilung im Gewebe des menschlichen Körpers ist in der Tabelle dargestellt. 10.

Kalium kommt hauptsächlich in Zellen vor, bis zu 40-mal mehr als im Interzellularraum. Während die Zellen funktionieren, verlässt überschüssiges Kalium das Zytoplasma. Um die Konzentration aufrechtzuerhalten, muss es durch die Natrium-Kalium-Pumpe zurückgepumpt werden. Kalium und Natrium sind funktionell miteinander verbunden und erfüllen folgende Funktionen: Schaffung von Bedingungen für das Auftreten von Membranpotential und Muskelkontraktionen; Aufrechterhaltung der osmotischen Konzentration des Blutes und des Säure-Basen-Gleichgewichts; Normalisierung des Wasserhaushalts; Gewährleistung des Membrantransports; Aktivierung vieler Enzyme; Normalisierung des Herzrhythmus.

Die empfohlene tägliche Kaliumdosis beträgt 600 bis 1700 mg für Kinder und 1800 bis 5000 Milligramm für Erwachsene. Der Bedarf an Kalium hängt vom Gesamtkörpergewicht, der körperlichen Aktivität, dem physiologischen Zustand und dem Klima des Wohnortes ab. Erbrechen, anhaltender Durchfall, starkes Schwitzen und die Einnahme von Diuretika erhöhen den Kaliumbedarf des Körpers.

Die Aufnahme von Kalium wird durch Vitamin B6 erleichtert, während Alkohol sie erschwert. Bei einem Mangel an Kalium entwickelt sich eine Hypokaliämie. Es kommt zu Funktionsstörungen der Herz- und Skelettmuskulatur. Ein langfristiger Kaliummangel kann zu akuten Neuralgien führen. Bei einem Überschuss an Kalium entwickelt sich eine Hyperkaliämie, deren Hauptsymptom ein Dünndarmgeschwür ist. Eine echte Hyperkaliämie kann einen Herzstillstand verursachen.

Kalium-40 ist Bestandteil vieler terrestrischer Gesteine, Mineralien und Böden und trägt zur äußeren Bestrahlung von Biota bei. Der Wert von 40 K als externer Strahler ist besonders hoch für Bodenbewohner – Mikroflora, Pflanzenwurzeln, Bodenfauna, die durch Strahlung in direktem Kontakt mit dem Strahler beeinflusst werden. Bei der äußeren Bestrahlung von Landpflanzen und -tieren nehmen 40 K-γ-Quanten den Hauptplatz ein.

Tabelle 10
Konzentration von Kalium-40 im menschlichen Gewebe

Rubidium, das in seinen chemischen Eigenschaften Kalium ähnelt, und sein Radioisotop Rubidium-87 (87 Rb) kommen im OPS in Spuren vor. Es ist ein langlebiges Radioisotop (Halbwertszeit 6,1·10 · 10 Jahre) mit sanfter β-Emission (0,275 MeV) und γ-Emission (0,94 MeV). Seine Konzentration im Gewebe lebender Organismen beträgt durchschnittlich 8,5 Bq/kg. Der Beitrag zur gesamten Dauerexposition von Biota ist unbedeutend.

4. Isotope von Radium

Radium- ein Element der Hauptuntergruppe der zweiten Gruppe, der siebten Periode von D.I. Mendelejews Periodensystem der chemischen Elemente mit der Ordnungszahl 88. Gekennzeichnet durch das Symbol Ra. Das Wort Radium kommt aus dem Lateinischen Radius- „Strahl“, wörtlich wird der Name dieses Elements mit „ausstrahlend“, „strahlend“ übersetzt. Der einfache Stoff Radium ist ein glänzendes Erdalkalimetall von silbrig-weißer Farbe, das an der Luft schnell anläuft. Hat eine hohe chemische Aktivität. Radioaktiv; Das stabilste Isotop ist Ra. Die Gewinnung von reinem Radium war zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit viel Arbeit verbunden. Auf drei Millionen Uranatome kommt in der Natur nur ein Radiumatom.

Radium wird aus Uranerzen und Radiumwässern abgebaut. Dieses Element wurde erstmals 1898 von Marie und Pierre Curie aus Uranteer aus der Lagerstätte Jáchymov (Tschechische Republik) isoliert. Radium ist ziemlich selten. Marie Curie arbeitete 12 Jahre lang daran, ein Körnchen reines Radium zu gewinnen. Um nur 1 g reines Radium zu gewinnen, waren mehrere Waggons Uranerz, 100 Waggons Kohle, 100 Tanks Wasser und 5 Waggons mit verschiedenen Chemikalien nötig. Seit seiner Entdeckung – mehr als ein Jahrhundert – wurden weltweit nur 1,5 kg reines Radium gefördert. Eine Tonne Uran-Teer, aus dem die Curies Radium gewannen, enthält nur etwa 0,0001 g Radium-226. Daher gab es zu Beginn des 20. Jahrhunderts kein teureres Metall auf der Welt. Für 1 g Radium musste man mehr als 200 kg Gold bezahlen. Die Curies erhielten den Nobelpreis für die Entdeckung von Radium und Polonium. Vor 1931 wurden aus Jachimov-Uranerzen 39 g Radium gewonnen. Bereits bei dieser allerersten Arbeit wurde klar, dass es sich bei dem neuen Element um ein Analogon des Bariums handelte: Bei der fraktionierten Trennung der Komponenten akkumulierte die Aktivität in der Bariumfraktion.

In unserem Land wurde Radium erstmals 1921 von V.G. Khlopin aus Uranerz gewonnen. Dieses Erz wurde in sehr geringen Mengen in den unzugänglichen Bergen Zentralasiens abgebaut. Die gesamten Uranvorräte betrugen nicht mehr als 120 Tonnen, aus ihnen konnten etwa 40 g Radium gewonnen werden.

Radium entsteht durch viele Zwischenstufen beim radioaktiven Zerfall des Isotops Uran-238 und kommt daher in geringen Mengen im Uranerz vor (siehe Abb. 1,2). Viele Radionuklide, die beim radioaktiven Zerfall von Radium entstehen, erhielten vor ihrer chemischen Identifizierung Namen wie Radium A (218 Po), Radium B (Pb), Radium C (Bi), Radium D (Pb), Radium E (Bi). ), Radium F (Po), Radium C (Po), Radium C (Tl). Obwohl heute bekannt ist, dass es sich um Isotope anderer chemischer Elemente handelt, werden ihre historischen Namen manchmal in der Tradition verwendet.

Die im Curie-Teil benannte außersystemische Curie-Einheit der Radioaktivität basiert auf der Aktivität von 1 g Radium-226: 3,7∙10 Zerfälle pro Sekunde oder 37 GBq.

Radium-226 (α- und γ-Strahler) begleitet Uran an Orten seiner Anreicherung und ist in fein verteiltem Zustand in Erdgesteinen, Böden und Wasser unterschiedlicher Herkunft allgegenwärtig. Tabelle 1 gibt einen Überblick über den Inhalt im OPS. 11 [SCEAR, 1962].

Radium 226 Ra ist ein α- und γ-radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 1617 Jahren. Der Zerfall von Radium geht mit der Bildung von Radon sowie starker α- und γ-Strahlung einher. γ-Strahlung ist über weite Distanzen gefährlich, α-Strahlung ist gefährlich, wenn sie in den Körper gelangt (Tabelle 12). Eine Punktquelle von 1 mg Radium im Gleichgewicht mit einem DPR in einem Abstand von 1 cm (in Gegenwart eines 0,5 mm dicken Platinfilters) erzeugt eine γ-Strahlungsdosisleistung (EDR) von 8,4 R/h. Wird in technischen und Referenz-γ-Strahlungsquellen verwendet.

Radiumsalze haben die Eigenschaft, im Dunkeln zu leuchten. Aus diesem Grund hat Radium in der Verteidigungsindustrie, insbesondere im Schiffs- und Flugzeugbau, als Bestandteil von Leuchtfarbstoffen – permanentem Phosphor (PLP) – seine weiteste Verwendung gefunden. In den 40er und 60er Jahren wurde SPD auf Zifferblättern von Uhren und Christbaumschmuck verwendet.

In der Medizin wird Radium zu strahlentherapeutischen Zwecken eingesetzt.

Es wurden Forschungsarbeiten zur Verwendung von Radium (zusammen mit Uran und radioaktivem Schiefer) in Mikrodüngern durchgeführt.

Radiumisotope (226 Ra, 228 Ra, 224 Ra) sind neben Uranisotopen die häufigsten NRN in natürlichen Gewässern und hoch radiotoxisch; Die Beschränkungen der volumetrischen Aktivität (VA) im Trinkwasser gehören für sie zu den strengsten. Die entsprechenden Eingriffswerte (HC-Wasser) zeichnen sich durch niedrige Werte aus, insbesondere bei 228 Ra und 226 Ra.

Die Hintergrundwerte von OA 226 Ra in Gesteinen und Böden liegen zwischen 5 und 50 Bq/kg, während OA im Grundwasser in einem sehr weiten Bereich schwanken kann (Tabelle 11).

Tabelle 11

Hydrobionten der Meere und Ozeane reichern Radium in unterschiedlichem Maße aus dem Wasser an. Somit beträgt der Akkumulationskoeffizient für Flunder 6, für Muscheln – 69, für Weichtiere steigt er auf 210.

Über den Boden und das Wasser gelangt Radium in die Pflanzen, wo sein Gehalt zwischen 2,1·10 -2 -2,5 Bq/kg schwankt. Radium gelangt über die Nahrungsketten in Fische

(2,5·10 -2 -23·10 -2 Bq/kg), in tierischem Fleisch (1,6·10 -2 -5·10 -2 Bq/kg). Radium gelangt über pflanzliche und tierische Lebensmittel in den menschlichen Körper.

Tabelle 12

Grundlegende Eigenschaften von Radiumisotopen

Radium gehört zur Kategorie der osteotropen radioaktiven Substanzen, d Osteosarkome. Darüber hinaus reichert sich Radium in Lunge und Leber an. Daten zum Vorkommen und zur Verteilung von Radium im menschlichen Körper sind in Tabelle 13 aufgeführt. Marie Curies vorzeitiger Tod war auf eine chronische Radiumvergiftung zurückzuführen, da man sich damals der Gefahren der Strahlung noch nicht bewusst war.

Tabelle 13

Aufnahme und Verteilung von Radium im menschlichen Körper

Die Untersuchung und Nutzung der radioaktiven Eigenschaften von Radium spielte eine große Rolle bei der Erforschung der Struktur des Atomkerns und des Phänomens der Radioaktivität. Chemische Methoden, die bei der Isolierung von Ra-Verbindungen aus Erzen und der Untersuchung ihrer Eigenschaften entwickelt wurden, bildeten die Grundlage für die Methoden der Radiochemie.

Spektrometrische Methoden .(α-oder γ" Bekannte Methoden zur Bestimmung von Radiumisotopen in natürlichen Gewässern, die sich in den Methoden zur Messung der Aktivität unterscheiden, umfassen eine Vorkonzentrationsstufe. Sammler sind in der Regel schwerlösliche Salze: Calciumcarbonat, Barium- und Bleisulfate oder Mangandioxid Die Aktivität von in einem kleinen Volumen konzentrierten Radiumisotopen wird durch Emanation, radiometrische,
Das letzte große Ereignis in der Geschichte des Elements Nr. 88 ereignete sich im Jahr 1967. Fast gleichzeitig wurden in den berühmten Laboratorien von Dubna und Berkeley neutronenarme Radiumisotope mit Massenzahlen von 206 bis 214 gewonnen Die Zahlen 213 und 218 waren bis 230 bekannt. Alle diese Isotope erwiesen sich als kurzlebige Alphastrahler mit Halbwertszeiten von 0,4 bis 15 Sekunden.

Eine große Gefahr ist Radon 222 Rn – ein gasförmiges radioaktives Zerfallsprodukt von Radium. Aus 1 g Radium entstehen pro Tag 1 mm 3 222 Rn. (Abb. 4)

Reis. 4. Radonisotope und ihre Tochterprodukte in Zerfallsketten (Symbol, Zerfallsweg (α-, β-, γ-Strahlung), Name, Halbwertszeit T).

Nach Angaben des Wissenschaftlichen Ausschusses der Vereinten Nationen für die Auswirkungen atomarer Strahlung (SCEAR) ist Radon zusammen mit allen seinen Tochterzerfallsprodukten (DDPs) für etwa drei Viertel der jährlichen individuellen effektiven Strahlendosis verantwortlich, die die Bevölkerung durch terrestrische Strahlung erhält Strahlungsquellen und etwa die Hälfte dieser Dosis aus allen natürlichen Strahlungsquellen.

5. Polonium

Polonium– das erste entdeckte radioaktive chemische Element nach Uran und Thorium, enthalten in Gruppe VI des Periodensystems der Elemente, ein Analogon von Tellur. Ordnungszahl 84. Hat keine stabilen Isotope. Die Existenz eines Elements mit der Ordnungszahl 84 wurde von D. I. Mendelejew vorhergesagt, er nannte es 1889 Dwitellurium (zweites Tellur) und ging davon aus, dass seine Atommasse etwa 212 beträgt.

Polonium in seiner freien Form ist ein weiches, silbrig-weißes radioaktives Metall, das in zwei Modifikationen existiert. Aufgrund der starken Radioaktivität leuchtet es im Dunkeln und wird sehr heiß, sodass eine kontinuierliche Wärmeabfuhr erforderlich ist. Der Schmelzpunkt von Polonium liegt bei 254°C (etwas höher als der von Zinn), der Siedepunkt liegt bei 962°C, Polonium sublimiert also schon bei leichter Erwärmung. Die Dichte von Polonium ist fast die gleiche wie die von Kupfer – 9,4 g/cm. An der Luft oxidiert Polonium langsam (schnell, wenn es auf 250 °C erhitzt wird) und bildet rotes Dioxid (beim Abkühlen wird es durch die Neuordnung des Kristallgitters gelb).

Polonium wurde 1898 von Pierre Curie und Marie Skłodowska-Curie durch Isolierung aus Pechblende (Uranerz) entdeckt. Es wurde nach Marie Curies Heimat Polen (Polonia, lat.) benannt. Anfang 2006 waren 33 Poloniumisotope im Massenzahlbereich von 188 bis 220 bekannt. Darüber hinaus sind 10 metastabile angeregte Zustände von Poloniumisotopen bekannt. Das langlebigste Isotop 209 Po hat eine Halbwertszeit von 102 Jahren, ist jedoch in reiner Form schwer zu erhalten, weshalb aus praktischen Gründen 210 Po (α-radioaktiv) verwendet wird. Isotope mit den Massenzahlen 210–218 gehören zur natürlichen radioaktiven Reihe von Uran, Thorium und Aktinium (siehe Abb. 4); das stabilste davon ist 210 Po (Halbwertszeit 138,376 Tage). Es gehört zur Uranfamilie und kommt in der natürlichen Mischung als Ergebnis einer Reihe aufeinanderfolgender Umwandlungen von Isotopen schwerer Elemente vor, von denen die erste 238 U ist (Tabelle 14).

Tabelle 14
Die wichtigsten Zerfallsprodukte von Radium-226 und ihre Eigenschaften

Der Gehalt an 210 Po in der Erdkruste beträgt nur 2 · 10 -14 %; Eine Tonne Natururan enthält 0,34 g Radium und Bruchteile eines Milligramms 210 Po. Das kurzlebigste bekannte Poloniumisotop ist 213 Po (Halbwertszeit 3 ​​· 10 -7 Tage). Die leichtesten Poloniumisotope sind reine α-Strahler, während die schwereren gleichzeitig α- und γ-Strahlen emittieren. Einige Isotope zerfallen durch Elektroneneinfang und die schwersten weisen auch eine sehr schwache β-Aktivität auf.

In der Praxis wird 210 Po in Grammmengen künstlich durch Bestrahlung von metallischem Wismut 209 Bi mit Neutronen in Kernreaktoren synthetisiert. Wird das gleiche Wismut-Isotop in ein Zyklotron gegeben und dort mit Protonenflüssen beschossen, entsteht das langlebigste Polonium-Isotop, 209 Po. Mikromengen Polonium werden aus Abfällen der Uranerzverarbeitung gewonnen. Polonium wird durch Extraktion, Ionenaustausch, Chromatographie und Sublimation isoliert. Metallisches Po wird durch thermische Zersetzung im Vakuum von PoS-Sulfid oder -Dioxid (PoO 2) x bei 500 °C gewonnen.

Polonium bildet mit Wasserstoff eine flüchtige Verbindung. Poloniummetall und seine Verbindungen sind hochgiftig. Polonium-210 sendet α-Strahlen mit einer Energie von 5,3 MeV aus, die in fester Materie abgebremst werden, dabei nur Tausendstel mm passieren und ihre Energie abgeben. Polonium wird praktischerweise verwendet, um die Auswirkungen von α-Strahlung auf verschiedene Substanzen zu untersuchen. 210 Po wird in Ampullen-Neutronenquellen und als Energiequelle in Atombatterien verwendet.

Polonium-210 in Legierungen mit Beryllium und Bor wird zur Herstellung kompakter und sehr leistungsstarker Neutronenquellen verwendet, die praktisch keine γ-Strahlung erzeugen. Solche Neutronenquellen sind leicht und tragbar, absolut betriebssicher und sehr zuverlässig. Beispielsweise erzeugt eine Messingampulle mit einem Durchmesser von 2 und einer Höhe von 4 cm bis zu 90 Millionen Neutronen pro Sekunde. Ein separater Anwendungsbereich von Polonium ist die Verwendung in Form von Legierungen mit Blei oder unabhängig zur Herstellung leistungsstarker und sehr kompakter Wärmequellen für autonome Anlagen (1 cm 3 210 Po gibt 1320 W Wärme ab). Seine Lebensdauer ermöglicht die Nutzung von Polonium als Energiequelle in Kernbatterien von Raumschiffen (nur 7,5 g Polonium reichen aus, um eine Leistung von 1 kW zu erhalten). In dieser Hinsicht ist es anderen kompakten „nuklearen“ Energiequellen überlegen. Beispielsweise nutzte der sowjetische Mondrover eine Poloniumheizung, um den Instrumentenraum während einer langen Mondnacht zu heizen.

Polonium kommt natürlich vor und wird von Pflanzen, einschließlich Tabak, angereichert. 20 % des im Zigarettentabak enthaltenen Polonium-210 gelangen in die menschliche Lunge. Die durchschnittliche jährliche Aufnahme von 210 Po in die Lunge einer Person, die täglich eine Schachtel Zigaretten raucht, beträgt 60 mBq. Die Aufnahme und der Gehalt von 210 Po im menschlichen Körper können anhand der Daten in der Tabelle beurteilt werden. 15.

Tabelle 15
Gehalt von 210 Pb und 210 Po im menschlichen Körper

Die Hauptquelle für Polonium-210 in OPS ist Radon-222, das aus dem Boden freigesetzt wird. Polonium-210 ist ebenfalls ein künstliches Isotop. Während der Zeit der Atomtests entstand Polonium-210 bei Explosionen von Atombomben, gelangte in die Atmosphäre und gelangte dann in die Vegetation, den Boden, das Wasser und die Bodensedimente. Blei-210 ist auch ein Folgeprodukt des Zerfalls von Uran-238 und sein Gehalt und seine Migration im OPS hängen hauptsächlich mit dem Gehalt und der Migration seines Mutterradionuklids Radon-222 zusammen.

Polonium-210 und Blei-210 gelangen mit Flugasche in die Atmosphäre, wenn Kohle in Wärmekraftwerken verbrannt wird, was zur Freisetzung einer Reihe von Schwermetallen und radioaktiven Elementen in die Atmosphäre führt, darunter Polonium-210 und Blei-210. Blei-210 und Polonium-210 fallen unter dem Einfluss von Gravitationskräften oder mit Niederschlägen aus der Luft auf die Erdoberfläche und verbleiben auf verschiedenen Bestandteilen der Biosphäre (Pflanzen, Boden, Moose usw.) und nehmen so an der Wanderung teil Nahrungskette. Die maximale Konzentration von 210 Pb - 21 O Po in der Luft rund um kohlebefeuerte Wärmekraftwerke kann 510 µBq/m 3 erreichen. Für die mittleren Breiten der nördlichen Hemisphäre betragen die durchschnittlichen Konzentrationen von Po-210 in der Luft 0,12 · 10 -3 Bq/m 3, für Pb-210 - 0,52 μBq/m 3. In der weltweiten Praxis werden Polonium-210 und Blei-210 in verschiedenen Umweltschutzeinrichtungen untersucht, um die Dosisbelastung des biologischen Systems abzuschätzen.

Polonium-210 und Blei-210 sind die radiotoxischsten und häufigsten natürlichen Radionuklide in gefährlichen Umgebungen und unterliegen in natürlichen Umgebungen einer vorrangigen Kontrolle.

Blei-210 ist ein osteotropes Element und reichert sich im Knochengewebe an, wo bis zu 70 % dieses Radionuklids enthalten sind. Polonium-210 kommt in Knochen vor und wird hauptsächlich aus seiner Vorstufe 210 Pb gebildet. Polonium-210 gelangt über die Luft und die Nahrung in das Weichgewebe und ist überwiegend in den Geweben der Leber und der Nieren anzutreffen.

Die biologische Wirkung von 210 Po beruht auf der α-Strahlung. Aufgrund seiner geringen Halbwertszeit und der hohen Energie der emittierten α-Partikel ist es eines der giftigsten RNs. Für 210 Po beträgt der maximal zulässige Gehalt in der Luft nur 40 Milliardstel Mikrogramm in 1 m Luft; Polonium ist 4 Billionen Mal giftiger als Blausäure. Der Schaden wird durch von Polonium emittierte Alphateilchen (und in geringerem Maße auch Gammastrahlen) verursacht, die Gewebe zerstören und bösartige Tumore verursachen.

Poloniumatome können in der menschlichen Lunge durch den Zerfall des darin enthaltenen Radongases entstehen. Darüber hinaus kann Poloniummetall leicht winzige Aerosolpartikel bilden. Der Kontakt damit kann zu einer Bestrahlung des gesamten Körpers führen. Bei hohen Konzentrationen von 210 Po ist die Entwicklung einer Strahlenkrankheit tödlich. Daher sollten Arbeiten mit 210 Po aus der Ferne in versiegelten Boxen unter Verwendung von PSA durchgeführt werden. Die natürliche Entfernung von Polonium aus dem Körper (mit Sekreten) ist schwierig, da es in keiner der am Stoffwechsel beteiligten chemischen Verbindungen enthalten ist (Tabelle 23).

6. Kohlenstoff-14

Kohlenstoff(lat. Carboneum) bezieht sich auf Nichtmetalle. In der Natur wird es durch stabiles 12 C (98,90 %) und 13 C (1,10 %) repräsentiert; in der Erdatmosphäre kommt es in vernachlässigbaren Konzentrationen vor (ca. 10 -14 at%). Die Masse des 12 C-Nuklids wird mit genau 12 angenommen, und 1/12 wird als atomare Masseneinheit bezeichnet.

β-radioaktiver Kohlenstoff 14 C (T 1/2 = 5730 Jahre) entsteht auf der Erde ständig durch folgende Kernreaktionen: 14 N (n; p) 14 C; 17 O(n;α) 14 C; 13 C (n;γ) 14 C. Diese Reaktionen finden sowohl in den oberen Schichten der Atmosphäre aufgrund des Einfangens kosmischer Neutronen durch Stickstoffatome gemäß der Reaktion 14 N + p = 14 C + p (unter Bildung natürlicher) statt 14 C) und bei der Bildung von technogenem Radiokohlenstoff infolge von Atomexplosionen und dem Betrieb von Kernreaktoren, sowohl in der Industrie als auch im Transport- und Forschungsbereich.

Das Verhältnis radioaktiver und stabiler Kohlenstoffisotope in der Atmosphäre und in der Biosphäre gleichzeitig am selben Ort ist gleich, da alle lebenden Organismen ständig am Kohlenstoffstoffwechsel teilnehmen und aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung Kohlenstoff aus der Umwelt und Isotope aufnehmen Ununterscheidbarkeit nehmen in fast gleicher Weise an biochemischen Prozessen teil. In einem lebenden Organismus beträgt die spezifische Aktivität von 14 C etwa 0,3 Zerfälle pro Sekunde pro 1 g Kohlenstoff, was einem Isotopengehalt von 14 C von etwa 10–10 % entspricht.

Kohlenstoff existiert in mehreren Modifikationen, deren Eigenschaften sich stark unterscheiden: Graphit, Diamant, Carbin (künstlich gewonnen). Hochreiner Graphit dient als Neutronenmoderator in Kernreaktoren. Diamant wird als Schleifmittel zur Bearbeitung von Metallen und anderen Werkstoffen eingesetzt. Künstliches Radionuklid 14 C in Form verschiedener Verbindungen wird in der chemischen, biologischen und medizinischen Forschung eingesetzt.

Der Hauptlieferant von 14 C ist aufgrund des hohen Stickstoffgehalts (78,08 %) in der Luft die erste Reaktion. Darüber hinaus wird in Wasser-Graphit-Reaktoren (genau diesem Reaktortyp im sibirischen Chemiewerk) das auf Stickstoff erzeugte 14 C fast vollständig in die Atmosphäre abgegeben. Darüber hinaus gelangt in Reaktoren dieses Typs ein Teil des erzeugten 14 C mit flüssigen Austrägen in Form von löslichen Carbonaten und Kohlendioxid in das OPS.

Es gibt Konzepte der lokalen und globalen Radiokarbonkontamination.

Als Quelle der lokalen Verschmutzung kann nicht nur eine Atomexplosion angesehen werden, sondern auch jedes Kernkraftwerk, Unternehmen des Kernbrennstoffkreislaufs, Isotopenproduktionsanlagen zur Herstellung von mit 14 C gekennzeichneten Arzneimitteln und Forschungseinrichtungen. Die durchschnittliche Aufnahme von Reaktor 14 C in den Körper von Anwohnern, die im Einflussbereich einer solchen Quelle leben, kann in den Zonen 0-10 km 0,32 betragen; 10–20 km – 0,08 µCi/Jahr. Die in NRB-99 erfasste jährliche Aufnahmegrenze (AGR) von biologisch signifikantem 14 C in den menschlichen Körper beträgt 6,3 · 10 5 Bq/Jahr.

Die weltweite Radiokohlenstoffverschmutzung von OPS ist mit der Entwicklung der Kernenergie im Allgemeinen und Atomtests verbunden. Bei thermonuklearen Explosionen werden 90 % der Hintergrundstrahlung in der Atmosphäre durch 14 °C verursacht. Dieses langlebige Radionuklid (Halbwertszeit beträgt 5730 Jahre) ist im globalen Kohlenstoffkreislauf enthalten.

Kohlenstoff-14 entsteht hoch in der Atmosphäre, wenn kosmische Strahlung mit Stickstoffkernen kollidiert. Wenn es die Oberfläche erreicht, wird es von Pflanzen und dann von Tieren aufgenommen, die diese Pflanzen fressen. Auf diese Weise gelangt Kohlenstoff-14 in das Gewebe von Pflanzen und Tieren. Während der Organismus lebt, wird jedes zerfallende Kohlenstoff-14-Atom durch dasselbe Kohlenstoff-14-Atom aus der Umgebung ersetzt. Nach dem Tod eines Lebewesens endet jedoch der Kohlenstoffkreislauf und der unvermeidliche Zerfall des Isotops beginnt. Nach 5.730 Jahren verbleibt in einem Stück Holz nur noch die Hälfte der Kohlenstoff-14-Menge, die sich vor seinem Absterben im Baum befand (siehe Abb. 6).

14 C reagiert mit Sauerstoff und ergibt 14 CO 2. Kohlendioxid enthält also immer eine Beimischung von 14 CO 2. Durch die Teilnahme an der Photosynthese transportiert es 14 C zu allen organischen Substanzen (Kohlenwasserstoffe, Proteine, Fette usw.), die einen lebenden Organismus bilden. Weiche (0,155 MeV) 14 C-β-Strahlung trägt auch zur ständigen inneren Exposition von Biota gegenüber atomarer Strahlung bei. Der Gehalt an 14 C im Gewebe von Pflanzen und Tieren beträgt 22,7 Bq/kg Kohlenstoff. Sein Wert variiert für verschiedene Gewebe im Bereich von 20–93 Bq/kg Gewebe. Der Gesamtgehalt an 14 C in der Biosphäre beträgt 8,5·10 18 Bq. Im Laufe des Jahres werden etwa 10 15 Bq gebildet [SCEAR, 1982].

Reis. 6. Vergleich des Radiokohlenstoffgehalts in Baumringen aus verschiedenen Regionen mit atmosphärischen Radiokohlenstoffdaten für die nördliche Hemisphäre

Reis. 7. Veränderung des Gehalts an künstlichem 14 in der Biosphäre Von einer Bombe (1)
und Herkunft des Reaktors (2) (nach Rublevsky V.P. et al., 1979)

Wie Berechnungen zeigen (Rublevsky et al., 1979), wird die jährliche Aufnahme von 14 C in den menschlichen Körper über die Nahrung bis zum Jahr 2010 den natürlichen Aufnahmeweg von 14 C um das Fünffache überschreiten und die jährliche Dosis für den gesamten Körper wird ansteigen von 1975 auf 0,04 bis 7 mRad, d.h. wird sich fast um das 200-fache erhöhen (Abb. 6) und nach Berechnungen von S.P. Yarmonenko wird 11.000 Jahre lang Auswirkungen haben und 300 Generationen von Menschen betreffen.
In Abb. Abbildung 8 zeigt die Dynamik der Anreicherung von 14 C in den Haaren und im Blut von Menschen, die Atomwaffen in der Atmosphäre getestet haben.

Reis. 8. Konzentration von Kohlenstoff-14 in der Troposphäre, im menschlichen Haar und im Blut
in Skandinavien (nach R. Grabe, 1994)

Die gefährlichen Folgen einer solchen Dynamik hängen damit zusammen, dass Radiokohlenstoff, der zusammen mit stabilen Kohlenstoffatomen an Stoffwechselprozessen beteiligt ist, in alle Organe und Gewebe des Körpers eindringt und direkt in die Moleküle organischer Verbindungen eingebunden wird.

Die schädigende Wirkung von 14 C, das in Proteinmolekülen und insbesondere DNA und RNA eines lebenden Organismus enthalten ist, wird zum einen durch die Strahlungswirkung von β-Partikeln und Stickstoffrückstoßkernen bestimmt, die beim Zerfall von 14 C entstehen Schema 14 C → 14 N; zweitens durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Moleküls aufgrund der Umwandlung des 14 C-Atoms in das 14 N (β)-Atom (Transmutationseffekt in den genetischen Strukturen des Erbapparates). Dies führt neben der Wirkung ionisierender Strahlung zu lokalen Veränderungen der Chromosomen und in der Folge zum Auftreten irreversibler oder schwer reparierbarer Mutationen unterschiedlicher Art. In dieser Hinsicht ist Kohlenstoff-14 ein genetisch bedeutsamer Faktor für die Strahlengefahr auf globaler Ebene.

Solche DNA-Schäden führen häufig zu Genmutationen zweiter und dritter Ordnung, die praktisch irreversibel sind. Daher kann eine Erhöhung des Gehalts des 14 C-Isotops in der Biosphäre zur Anhäufung schädlicher Mutationen führen, was eine ernsthafte Bedrohung für die Menschheit darstellt. Das Problem der Überwachung von 14 C ist eines der Hauptprobleme in den Bereichen Kernkraftwerke und Kernbrennstoffkreisläufe.

Einer der ersten, der die biologische Gefahr von 14 °C bemerkte, war der Akademiker A.D. Sacharow (1958), der auf die biologischen Wirkungen der Strahlung aufmerksam machte, die keinen Schwellenwert haben. Er errechnete, dass es allein beim Test einer Megatonnenbombe bei 14 °C zu 2.200 Opfern von Erbkrankheiten kommen würde, und machte auch auf eine mögliche Zunahme von Krebs und Leukämie aufmerksam. Der Akademiker A.D. Sacharow war kategorisch gegen den Test von Atomwaffen in der Atmosphäre, und durch seine Bemühungen wurde die Entscheidung, eine 108-Mt-Bombe auf Nowaja Semlja zu zünden, geändert (im Jahr 1961 wurden nur 58 Mt explodiert, was etwa 10 % der gesamten atmosphärischen Sprengkraft entspricht). nukleare Explosionen).

Die höchste Konzentration von „Bombe“ 14 C in der Atmosphäre trat 1965 auf (Abb. 6), als ihre Werte vor Beginn der Tests die Konzentration von atmosphärischem Radiokohlenstoff um das 1,7-fache überstiegen. Einer der Hauptgründe für das Verbot von Atomwaffentests in der Atmosphäre war der prognostizierte Anstieg der menschlichen Sterblichkeit aufgrund einer Zunahme der Konzentration von Radiokohlenstoff in der Atmosphäre und dessen Eintritt in den menschlichen Körper über biologische Ketten. Das derzeit zulässige GWP von 14 °C in NRB-99 (20-facher Überschuss des Radiokohlenstoffgehalts in Lebensmitteln im Vergleich zu seiner natürlichen Konzentration in der Biosphäre) ist deutlich höher als diejenigen, die von der Politik bei der Entscheidung zum Atomverbot berücksichtigt wurden Tests und die zu ihrer Zeit tatsächlich zu einem Anstieg der Sterblichkeit führten, beispielsweise in Dänemark (Abb. 9) und anderen weitgehend wohlhabenden Ländern.

Reis. 9. Dynamik der natürlichen Sterblichkeit der Bevölkerung Dänemarks im Alter von 67 Jahren. Zeilen 1,2,3 – Männer; Zeilen 4,5,6 – Frauen 1 und 4 – Sterblichkeit;
2 und 5 – wahrscheinlicher Verlauf der Sterblichkeitskurven nach 2002; 3 und 6 – der Haupttrend in der historischen Dynamik der Sterblichkeit

Daher liegt die Notwendigkeit einer Verschärfung von NRB-99 im Hinblick auf eine radikale Reduzierung der zulässigen Menge an Radiokohlenstoff aus der Nahrung auf der Hand.

7. Tritium

Radioaktives superschweres Wasserstoffradionuklid Tritium 3 H (Halbwertszeit T 1/2 = 12,35 Jahre) entsteht wie Radiokohlenstoff ständig in der Atmosphäre durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit den Kernen von Stickstoff-, Sauerstoff- und Argonatomen (z. B. nach der Reaktion 14 7 N+ 1 0 n→ 12 6 C+ 3 1 H) sowie bei der Spaltung von Kernen verschiedener Elemente durch hochenergetische kosmische Strahlung. Beim β-Zerfall wandelt es sich in Helium-3 um.

Tritium 3H, das in der Atmosphäre durch Kernreaktionen kosmischer Neutronen mit Stickstoff- und Sauerstoffkernen entsteht, wird hauptsächlich in Tritiumwasser umgewandelt, das mit Niederschlägen zu Boden fällt und am normalen Wasserkreislauf teilnimmt. In Verbindung mit Sauerstoff bildet Tritium superschweres Wasser T 2 O. Der Tritiumgehalt in kontinentalen Gewässern liegt zwischen 200 und 900 Bq/m 3 . Ozeanwasser enthält etwa 100 Bq/m3. Die weltweite jährliche Produktion von natürlichem Tritium beträgt ~1·10 18 Bq. Im Durchschnitt enthält 1 Liter Wasser 3,2 · 10 -10 g Tritium, 1 Liter Luft enthält 1,6 · 10 -14 g (bei einer absoluten Luftfeuchtigkeit von 10 mg/l). Tritium entsteht in den oberen Schichten der Atmosphäre unter Beteiligung kosmischer Strahlung mit einer Geschwindigkeit von 1200 Atomen pro Sekunde pro 1 m2 Erdoberfläche. So war der Tritiumgehalt in der Natur über Jahrtausende hinweg nahezu konstant – seine kontinuierliche Bildung in der Atmosphäre wurde durch natürlichen Zerfall ausgeglichen.

Seit 1954 (dem Beginn der thermonuklearen Bombentests) hat sich die Situation jedoch dramatisch verändert und der Tritiumgehalt im Regenwasser ist um das Tausendfache gestiegen. Bei der Explosion einer 1-Mt-Wasserstoffbombe werden 0,7 bis 2 kg Tritium freigesetzt. Die Gesamtstärke der Luftexplosionen lag zwischen 1945 und 1962. 406 Mt und Boden -104 Mt. Darüber hinaus belief sich die Gesamtmenge an Tritium, die durch die Tests in die Biosphäre freigesetzt wurde, auf Hunderte Kilogramm! Nachdem die Bodentests eingestellt wurden, begannen die Tritiumwerte zu sinken. In den letzten Jahren sind Kernkraftwerke die Hauptquelle für künstliches Tritium in der Umwelt geworden, die jährlich mehrere zehn Kilogramm Tritium freisetzen.

Tritium wird auf zwei Arten künstlich in die äußere Umgebung eingebracht:

Bei atomaren und thermonuklearen Explosionen, die zu einem 10- bis 100-fachen Anstieg der 3 H-Konzentration im Regenwasser führen;

Bei der Erzeugung von Kernenergie in zwei Phasen des Brennstoffkreislaufs (Reaktorbetrieb und Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente).

Natürliches Tritium entsteht beispielsweise, wenn Stickstoff mit Neutronen der kosmischen Strahlung beschossen wird: 14 7 N+ 1 0 n = 3 1 T+3 4 2 He. Technogenes Tritium entsteht in Kernreaktoren durch die Wechselwirkung von Lithiumkernen mit Neutronen: 6 3 Li+ 1 0 n = 3 1 T+ 4 2 He. Das Tritiummolekül ist zweiatomig. Unter normalen Bedingungen ist T 2 gasförmig, t pl = –252,52 °C, t sieden = –248,12 °C.

Die Produktion von Tritium in Kernreaktoren hängt von der Art der Kernanlage ab und liegt zwischen 2 und 10 Ci/Jahr pro 1 MW thermischer Leistung. Der durchschnittliche jährliche globale Tritiumvorrat aufgrund des Kernbrennstoffkreislaufs beträgt etwa 10 16 Bq, also einen kleinen Bruchteil der natürlichen Produktion.

Die Reserven an natürlichem Tritium sind vernachlässigbar. Das tiefe Eis Grönlands oder der Antarktis enthält überhaupt kein Tritium – es ist dort längst vollständig zerfallen. Berechnungen ergaben außerdem, dass alle Gewässer der Erde nur 100 kg Tritium enthalten. Daher wird das gesamte für verschiedene Zwecke verwendete Tritium künstlich durch Bestrahlung von Lithium mit Neutronen gewonnen. Dadurch wurde es möglich, erhebliche Mengen an reinem Tritium zu gewinnen und seine Eigenschaften sowie die Eigenschaften seiner Verbindungen zu untersuchen. Somit hat superschweres Wasser T 2 O eine Dichte von 1,21459 g/cm 3 .

Synthetisiertes Tritium ist relativ günstig und findet Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung und Industrie. Tritium-Leuchtfarben sind weit verbreitet und werden auf Instrumentenzifferblättern aufgetragen. Aus strahlungstechnischer Sicht sind diese leichten Verbindungen weniger gefährlich als herkömmliche Radiumverbindungen. Beispielsweise emittiert Zinksulfid, das eine geringe Menge an Tritiumverbindungen enthält (ungefähr 0,03 mg pro 1 g Lichtzusammensetzung), kontinuierlich grünes Licht. Solche Dauerleuchtkompositionen werden zur Herstellung von Zeigern, Instrumentenskalen etc. verwendet. Bei ihrer Herstellung werden jährlich Hunderte Gramm Tritium verbraucht.

Tritium wird auch in Lichtquellen verwendet: für industrielle Ausgangsschilder, für Sicherheitsmarkierungen, leuchtende Verkehrsschilder, Schilder und Markierungen für die Luftfahrtindustrie usw. Für die Herstellung von Lichtquellen werden jährlich etwa 10 15 Bq Tritium verbraucht.

Tritium ist einer der Hauptbestandteile des Sprengstoffs thermonuklearer (Wasserstoff-)Bomben und ist auch für die Durchführung einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion nach dem Schema D + T > 4 He + n sehr vielversprechend.

Die große Zufuhr von Tritium in die Geosphäre ist mit den Tests von Wasserstoffbomben verbunden und belief sich am Ende der Tests (1962) auf 2,6·10 20 Bq, was die natürliche Anreicherung von Tritium deutlich übertraf.

Das von Kernreaktoren erzeugte 3 H kann in Form von H 3 HO, D 3 HO, H 3 H, 3 H 2, Metalltritiden und organischen Derivaten vorliegen. Aufgrund von Lecks und Mängeln in der Technologie zur Entsorgung radioaktiver Abfälle (bei der 3H praktisch nicht erfasst wird) gelangt Tritium zusammen mit gasförmigen und flüssigen Abfällen in die Abfallentsorgungsanlage.

Bei der Wiederaufbereitung bestrahlter Brennelemente wird 3 H aus abgebrannten Brennelementen (Brennelementen) freigesetzt. Eine hypothetische Anlage mit einer Kapazität von 1500 t/Jahr könnte etwa 30 kBq/Jahr Tritium in die Atmosphäre freisetzen.

In anderen Phasen der Kernenergieerzeugung sollten Lageranlagen für radioaktive Abfälle als Quellen für 3 H in der Biosphäre betrachtet werden. Die Lagerung und Verlagerung schwach- und mittelradioaktiver Abfälle in den Oberflächenschichten des Bodens führt zur Freisetzung von diffundierendem 3 2 H und H 3 HO an die Oberfläche sowie zur Bildung und Freisetzung von tritiiertem Methan CH 3 3 H und andere organische Verbindungen und das Auftreten von H 3 HO im Bodenwasser

Der Gesamtvorrat an Tritium in der Biosphäre wird auf 1,3·10 18 Bq geschätzt. Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil eines lebenden Organismus und tauscht ständig OPS mit Wasser aus. Es enthält immer Spuren von Tritiumwasser und bestrahlt kontinuierlich alle Gewebe des Körpers mit weicher (0,01795 MeV) Tritium-β-Strahlung. Die durchschnittliche Tritiumkonzentration in lebenden Geweben beträgt 0,4 Bq/kg [SCEAR, 1982].

Das Vorhandensein von Oberflächenreservoirs, in denen flüssige radioaktive Abfälle gelagert werden, führt zum Eindringen radioaktiver Stoffe in das Grundwasser. Unter Umgehung der Behandlungsbarrieren gelangt das im Kernkraftwerk erzeugte Tritium (oder radioaktiver Wasserstoff) mit flüssigen Ableitungen in Form von Tritiumwasser und gasförmigen Emissionen in das Brandschutzsystem. In den Vereinigten Staaten beispielsweise ist der Savannah River hauptsächlich aufgrund von Aktivitäten im Zusammenhang mit der Produktion von Atomwaffen im nuklearen Industriekomplex Savannah River Site mit Tritium kontaminiert.

Die Verunreinigung des Grundwassers mit Tritium erfolgt praktisch während des normalen Betriebs der meisten russischen Kernkraftwerke. Das Vorhandensein von Tritium in der Nähe von Kernkraftwerken wird bald zu großen Problemen führen. Industrieemissionen und unbeabsichtigte Lecks könnten für kommerzielle Kernkraftwerke zu einem größeren Problem werden als bisher angenommen. Tritium wird leicht vom Protoplasma lebender Zellen gebunden und reichert sich tausendfach in Nahrungsketten an.

Laut Experten sollte Tritium als das führende Radionuklid im Hinblick auf seinen Beitrag zu den effektiven Strahlendosen für die Bevölkerung während der Aktivitätsperiode der Mayak PA angesehen werden. Die potenzielle Gefahr einer öffentlichen Belastung durch Tritium wird mit der laufenden Arbeit in Unternehmen des Kernbrennstoffkreislaufs und der Inbetriebnahme neuer Kernkraftwerksreaktoren, insbesondere schneller Neutronenreaktoren, zunehmen. Wenn derzeit die effektive Äquivalentdosis durch Tritium durchschnittlich 0,05 % des natürlichen Hintergrunds pro Person nicht überschreitet, kann sie bei einer Erhöhung der Anzahl der in Betrieb befindlichen Reaktoren in allen Ländern in 60-70 Jahren 1 % erreichen. Dabei ist die Möglichkeit von Strahlenunfällen nicht berücksichtigt.

3 H gelangt in Form von Gas und Tritiumwasser 1 H 3 HO über die Lunge, die Haut und den Magen-Darm-Trakt in den menschlichen Körper (12 %). Gasförmiges T2 ist 500-mal weniger giftig als superschweres Wasser-T2O. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass molekulares Tritium, das mit der Luft in die Lunge gelangt, dann schnell (in etwa 3 Minuten) aus dem Körper freigesetzt wird, während Tritium im Wasser zurückgehalten wird 10 Tage lang in ihm und schafft es während dieser Zeit, ihm eine erhebliche Strahlendosis zu übertragen. Im Durchschnitt enthält der menschliche Körper 5·10 -12 g Tritium, was 0,13 mrem zur gesamten jährlichen Strahlendosis beiträgt (das ist hunderte Male weniger als die Strahlung anderer Strahlungsquellen). Menschen, die Uhren tragen, deren Zeiger und Ziffern mit Tritium-Phosphor beschichtet sind, haben einen fünfmal höheren Tritiumgehalt im Körper als der Durchschnitt. Es wurde festgestellt, dass 3H, das in den menschlichen Körper gelangt, in Form von zwei getrennten Verbindungen vorliegt: freies Tritiumwasser 1H3HO und organisch gebundenes 3H (OST). Für eine kritische Bevölkerungsgruppe beträgt die zulässige Tritiumkonzentration im Wasser 7,7·10 3 Bq/l Wasser. Es gehört zur mittleren Gruppe der Radiotoxizität.

Tritium ist ein reiner β-Strahler mit einer durchschnittlichen Strahlungsenergie von 0,018 MeV, was zwei Größenordnungen weniger ist als die Energie der Radiokohlenstoff-β-Strahlung. Dies hängt mit der Besonderheit der Gewebeschädigung durch Tritium zusammen. Der radioaktive Zerfall von Tritium führt zur Zerstörung molekularer Strukturen und intermolekularer Bindungen unter dem Einfluss von β-Strahlung sowie infolge der Umwandlung von Tritium in ein Heliumisotop. Tritium hat die niedrigste Energie der β-Teilchen und erzeugt eine erhebliche Gewebeionisationsdichte (die Anzahl der Ionenpaare, die ein geladenes Teilchen pro Wegeinheit bildet). Darüber hinaus ist die Reichweite von Tritium-β-Partikeln deutlich kleiner als die geometrischen Abmessungen von Zellen, sodass Schäden durch Tritium in der Nähe des Isotops selbst lokalisiert sind und der Gesamtschaden von der Geometrie seiner Verteilung in den Geweben des Körpers und des Körpers abhängt Mikrogeometrie der Verteilung in der Zelle (Mushkacheva et al., 1994). Tritiumatome ersetzen Wasserstoffatome in Gewebemolekülen.

Die effektive Halbwertszeit von Tritium aus dem Körper beträgt Teff = 12 Tage. OCT stellt bei gleicher Tritiumaufnahme schwerwiegendere Risikofaktoren dar als tritiumhaltiges Wasser. Die Hälfte des Tritiumwassers verlässt den Körper alle 10 Tage, während die Entfernung der Hälfte des OCT aus dem Körper 21 bis 76 Tage dauert. Bei einigen Molekülen mit sehr langsamen Übergangsraten kann sich diese Zeit auf 280–550 Tage erhöhen.

Die längere Verweildauer von OCT im Körper ist besonders besorgniserregend, wenn Tritium in Gewebe wie Neuronen (die Hauptzellen des Nervensystems) oder Eizellen (unreife Eizellen) gelangt. Angesichts der Tatsache, dass die Bildung von Eierstöcken bei Frauen einmal im Leben auftritt, können die Auswirkungen der Strahlung auf das Fortpflanzungssystem des weiblichen Fötus sowie die möglichen Auswirkungen auf Kinder, deren Mütter in der Gebärmutter dieser Strahlung ausgesetzt waren, erheblich sein.

Ein besonderes Beispiel für den offensichtlichen Einfluss von OCT ist tritiiertes Thymidin. Experimente zeigen, dass Tritiumthymidin (eine organische Verbindung, die in die DNA eingebaut werden kann) in bestimmten Stadien der Embryonalentwicklung bei Mäusen mehr als 1.000 Mal schädlicher ist als Tritiumwasser bei gleichen Konzentrationen. Ein derart großer Unterschied kann nicht für alle Formen der OCT beispielhaft sein, da Thymidin ein Vorläufer der DNA ist. Dieser Fall zeigt jedoch die dringende Notwendigkeit, spezielle chemische Formen von Tritium zu untersuchen, insbesondere organisch gebundene.

Der Schaden, der einem Fötus durch organisch gebundenes Tritium zugefügt wird, ist mehr als viermal größer als der Schaden, der einem Erwachsenen durch tritiumhaltiges Wasser zugefügt wird, und fast zehnmal höher als bei aktuellen Modellen.

Zusätzlich zu Problemen im Zusammenhang mit Krebsrisikomodellen unterschätzen Schätzungen der Risikofaktoren für Tritium, die sich nur auf Krebs konzentrieren, dessen tatsächliche Auswirkungen. Zu den erhöhten Risiken für schwangere Frauen und den Embryo (Fötus) gehören frühe Fehlgeburten, Entwicklungsstörungen und genetische Störungen. Risiken können auch über viele Generationen hinweg weitergegeben werden, da sich die Eierstöcke einer Frau bereits im Mutterleib bilden.

Es muss noch viel mehr Forschung zu den gesundheitlichen Auswirkungen von Tritium betrieben werden. Die Auswirkungen einer vorgeburtlichen Exposition gegenüber Tritium in Kombination mit Toxinen wie endokrin wirkenden Chemikalien müssen untersucht werden, ähnlich wie mögliche neurologische Auswirkungen untersucht werden.

Die biologische Wirkung von Tritium wird durch die Tatsache verstärkt, dass bei seinem Zerfall inertes Helium 3 2 He entsteht, wodurch Wasserstoffbrückenbindungen an dieser Stelle aufgebrochen werden, was sich sowohl auf die Störung des Syntheseprozesses organischer Strukturen während des Prozesses auswirken sollte Leben des Einzelnen und haben Einfluss auf die Fernvererbung.

Aus dem oben Gesagten folgt, dass ein Bedarf besteht, den Tritiumgehalt in OPS und Nahrungsmittelprodukten zu kontrollieren, vor allem in der Nähe von Produktionsanlagen für den Kernbrennstoffkreislauf (NFC).

Der radioaktive Zerfall von Kalium-40-Atomkernen erfolgt gleichzeitig auf zwei Arten. Ungefähr 88 % des Kalium-40 unterliegen dem β-Zerfall und werden in Calcium-40 umgewandelt. Aber in zwölf von hundert Fällen (im Durchschnitt) emittieren Kalium-40-Kerne nicht, sondern fangen im Gegenteil ein Elektron aus der K-Umlaufbahn ein, die dem Kern am nächsten liegt („K-Einfang“). Das eingefangene Elektron verbindet sich mit einem Proton – im Kern entsteht ein neues Neutron und ein Neutrino wird emittiert. Die Ordnungszahl des Elements nimmt um eins ab, die Masse des Kerns bleibt jedoch nahezu unverändert. So wird aus Kalium Argon.

40Ar-Isotopenverhältnis : 40K und 40Ar : 36Ar in Gesteinen bildete die Grundlage der Argon-Methode zur Bestimmung des absoluten Alters von Mineralien. Offensichtlich ist die Rasse umso älter, je größer die Verwandtschaft ist. Die Argon-Methode gilt als die zuverlässigste Methode zur Altersbestimmung von magmatischen Gesteinen und den meisten Kalimineralien.

Das gesamte oder fast das gesamte Argon-40 auf der Erde stammt also aus Kalium-40. Daher dominiert im terrestrischen Argon das schwere Isotop.

Dieser Faktor erklärt übrigens eine der Anomalien des Periodensystems. Entgegen dem ursprünglichen Prinzip seiner Konstruktion – dem Prinzip der Atomgewichte – wird Argon in der Tabelle vor Kalium platziert. Wenn im Argon leichte Isotope vorherrschen würden, wie in benachbarten Elementen (wie es offenbar im Weltraum der Fall ist), dann wäre das Atomgewicht von Argon zwei bis drei Einheiten geringer...

Nun zu leichten Isotopen.

Woher kommen Argon-36 und Argon-38? Es ist möglich, dass ein Teil dieser Atome reliktischen Ursprungs ist, das heißt, ein Teil des leichten Argons gelangte während der Entstehung unseres Planeten und seiner Atmosphäre aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre. Die meisten leichten Argonisotope wurden jedoch als Ergebnis nuklearer Prozesse auf der Erde geboren.

Wahrscheinlich sind noch nicht alle derartigen Prozesse entdeckt. Höchstwahrscheinlich haben einige von ihnen schon vor langer Zeit aufgehört, da die kurzlebigen „Mutter“-Atome erschöpft waren, aber es gibt immer noch Kernprozesse, bei denen Argon-36 und Argon-38 entstehen. Dies ist der β-Zerfall von Chlor-36 und der Beschuss von α-Partikeln (in Uranmineralien) von Schwefel-33 und Chlor-35:

17Cl → 18Ar + -1e + ν,

16S+2He → 18Ar + 0n,

17Cl + 2He → 18Ar + 0n + +1e.

In der Materie des Universums ist Argon noch häufiger vertreten als auf unserem Planeten. Besonders häufig kommt es bei heißen Sternen und planetarischen Nebeln vor. Schätzungen zufolge gibt es im Weltraum mehr Argon als Chlor, Phosphor, Kalzium und Kalium – Elemente, die auf der Erde sehr häufig vorkommen.

Im kosmischen Argon dominieren die Isotope Argon-36 und Argon-38; im Universum gibt es nur sehr wenig Argon-40. Darauf deutet die Massenspektralanalyse von Argon aus Meteoriten hin. Berechnungen zur Kaliumprävalenz bestätigen das Gleiche. Es stellt sich heraus, dass es im Weltraum etwa 50.000 Mal weniger Kalium als Argon gibt, während auf der Erde ihr Verhältnis eindeutig zugunsten von Kalium ausfällt – 660 : 1. Und da es wenig Kalium gibt, wo kommt dann Argon-40 her?!

Argon herstellen

Argon wird durch Abtrennung flüssiger Luft sowie aus Abgasen der Ammoniaksynthese gewonnen.

Die Erdatmosphäre enthält 66·10¹³ Tonnen Argon. Diese Argonquelle ist unerschöpflich, zumal fast das gesamte Argon früher oder später in die Atmosphäre zurückkehrt, da es bei der Verwendung keine physikalischen oder chemischen Veränderungen erfährt. Die Ausnahme bilden sehr geringe Mengen an Argonisotopen, die zur Erzeugung neuer Elemente und Isotope in Kernreaktionen aufgewendet werden.

Argon entsteht als Nebenprodukt bei der Zerlegung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff. Typischerweise werden Doppelrektifikations-Luftzerlegungsanlagen eingesetzt, bestehend aus einer unteren Hochdrucksäule (Vorzerlegung), einer oberen Niederdrucksäule und einem Zwischenverdampferkondensator. Letztendlich wird Stickstoff von oben und Sauerstoff aus dem Raum über dem Kondensator entfernt.

Die Flüchtigkeit von Argon ist größer als die von Sauerstoff, aber geringer als die von Stickstoff. Daher wird die Argonfraktion an einer Stelle von etwa einem Drittel der Höhe der gesamten Kolonne ausgewählt und in eine spezielle Kolonne geleitet. Zusammensetzung des Argonanteils: 10–12 % Argon, bis zu 0,5 % Stickstoff, der Rest ist Sauerstoff. In einer an den Hauptapparat angeschlossenen „Argon“-Kolonne wird Argon mit einer Beimischung von 3–10 % Sauerstoff und 3–5 % Stickstoff erzeugt. Als nächstes folgt die Reinigung von „rohem“ Argon von Sauerstoff (durch chemische Mittel oder Adsorption) und von Stickstoff (durch Rektifikation). Im industriellen Maßstab wird Argon derzeit mit einer Reinheit von bis zu 99,999 % hergestellt.

Argon wird auch aus Abfällen der Ammoniakproduktion gewonnen – aus dem Stickstoff, der nach der Verbindung eines Teils davon mit Wasserstoff übrig bleibt.

Argon wird in großen Zylindern mit einem Fassungsvermögen von 40 Litern gelagert und transportiert, die grau lackiert und mit einer grünen Aufschrift versehen sind. Der Druck in ihnen beträgt 150 atm. Wirtschaftlicher ist der Transport von verflüssigtem Argon, wofür Dewar-Gefäße und Spezialtanks verwendet werden.

Künstliche Radioisotope von Argon wurden durch Bestrahlung bestimmter stabiler und radioaktiver Isotope (37Cl, 36Ar, 37Ar, 40Ca) mit Protonen und Deuteronen sowie durch Bestrahlung von Produkten, die in Kernreaktoren beim Zerfall von Uran entstehen, mit Neutronen gewonnen. Die Isotope 37Ar und 41Ar werden als radioaktive Tracer verwendet: das erste in der Medizin und Pharmakologie, das zweite bei der Untersuchung von Gasströmen, der Effizienz von Lüftungssystemen und in verschiedenen wissenschaftlichen Forschungen. Aber das sind natürlich nicht die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten von Argon.

„Inaktiv“ – aktiv

Als am leichtesten zugängliches und relativ preiswertes Edelgas ist Argon vor allem in den letzten Jahrzehnten zu einem Massenprodukt geworden.

Der Hauptverbraucher des Elements Nr. 18 war zunächst die elektrische Vakuumtechnik. Und mittlerweile ist die überwiegende Mehrheit der Glühlampen (Milliarden Stück pro Jahr) mit einer Mischung aus Argon (86 %) und Stickstoff (14 %) gefüllt. Der Wechsel von reinem Stickstoff zu dieser Mischung erhöhte die Lichtausbeute der Lampen. Da Argon erfolgreich eine hohe Dichte mit geringer Wärmeleitfähigkeit kombiniert, verdampft das Metall des Glühfadens in einer solchen Mischung langsamer und die Wärmeübertragung vom Glühfaden zum Kolben ist geringer. Argon wird auch in modernen Leuchtstofflampen verwendet, um die Zündung zu erleichtern, die Stromübertragung zu verbessern und Kathoden vor Zerstörung zu schützen.

Allerdings fließt in den letzten Jahrzehnten der größte Teil des produzierten Argons nicht in Glühbirnen, sondern in die Metallurgie, Metallverarbeitung und einige verwandte Industrien. In einer Argonumgebung werden Prozesse durchgeführt, bei denen der Kontakt der Metallschmelze mit Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Luftfeuchtigkeit verhindert werden muss. Die Argonumgebung wird bei der Heißverarbeitung von Titan, Tantal, Niob, Beryllium, Zirkonium, Hafnium, Wolfram, Uran, Thorium und Alkalimetallen verwendet. In einer Argonatmosphäre wird Plutonium verarbeitet und einige Verbindungen von Chrom, Titan, Vanadium und anderen Elementen erhalten. Das Blasen von flüssigem Stahl mit Argon verbessert seine Qualität erheblich.

Es gibt bereits metallurgische Werkstätten mit einem Volumen von mehreren tausend Kubikmetern und einer Atmosphäre aus hochreinem Argon. [In diesen Werkstätten wird in Isolieranzügen gearbeitet und die Atemluft wird über Schläuche zugeführt (ausgeatmete Luft wird ebenfalls über Schläuche abgeleitet); Ersatz-Atemschutzgeräte werden am Rücken der Arbeiter befestigt.]