Pochodzenie pierwiastków Rozpowszechnienie pierwiastków w Układzie Słonecznym H He O C N Li B Th Be U Lekkie (N<30) pierwiastki dominują. Pierwiastki o parzystych liczbach atomowych są bardziej rozpowszechnione niż te o liczbach nieparzystych. Przyczyny: przebieg nukleosyntezy.

Nukleosynteza Podczas „Wielkiego Wybuchu” powstały protony i neutrony, a z nich następujące (stabilne) jądra: 1H, 2H, 3He, 4He, 7Li. Jądra cięższe niż 7Li powstają w gwiazdach w wyniku reakcji syntezy jądrowej. Synteza jąder pierwiastków cięższych niż Fe wymaga energii. Jądra cięższe niż Fe powstają w wyniku reakcji wychwytu neutronów we wnętrzach gwiazd lub podczas wybuchów supernowych.

Energia wiązania

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 pozbawiona atmosfery. 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.

Kompleksy metali Większość metali jest transportowanych w środowiskach wodnych w formie kompleksów Kompleks – związek kationu z anionem lub obojętną cząsteczką występujący w formie rozpuszczonej. przykłady

Adsorpcja – desorpcja Stężenie metali w wodach jest zwykle znacznie mniejsze niż wynikałoby z ich rozpuszczalności. Przyczyną jest silna adsorpcja na: - wodorotlenkach i uwodnionych tlenkach Fe i Mn. - krzemianach i węglanach - materii organicznej

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] 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 ponad 1500 znanych radionuklidów: pierwotne wytworzone przed powstaniem Ziemi wtórne powstające w wyniku oddziaływania ziemskiej materii z promieniowaniem kosmicznym wytworzone przez człowieka występują 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 aktywność 235U 7,04 x 108 lat 0,72% 238U 4,47 x 109 lat 99,2745%, kilka ppm w skałach 232Th 1,41 x 1010 lat Ok. 10 ppm w skorupie ziemskiej 226Ra 1,60 x 103 lat 16 – 48 Bq/kg w skałach 222Rn 3,82 dni ~ 1 – 10 Bq/m3 w powietrzu 40K 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 wyniku spontanicznych przemian jądrowych z określonego, naturalnie występującego, prekursora. Zakończone trwałymi izotopami ołowiu: aktynowy: 235U – 207Pb torowy: 232Th – 208Pb uranowy: 238U – 209Pb

Szereg aktynowy

Szereg torowy

Szereg uranowy

Szereg neptunowy (wygasł)

Produkty rozpadu radonu 222

Promieniowanie kosmiczne Elektrony, protony, promieniowanie g, jądra o pochodzeniu pozaziemskim – ze Słońca (głównie protony i jądra helu), z odległych obszarów galaktyki. Cząstki promieniowania kosmicznego oddziałując z materią atmosfery wywołują wiele reakcji jądrowych

Promieniowanie kosmiczne

Radionuklidy kosmogeniczne

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

Radionuklidy antropogeniczne 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 półokres rozpadu źródła 137Cs 30,17 r Produkt rozszczepienia podczas wybuchów jądrowych i w reaktorach 90Sr 28,78yr 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) aktywność właściwa masa 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 GBq 222Rn 10 kBq/m3 13 mg 9 GBq Razem ok. 800 GBq

Aktywności radionuklidów w w wodzie morskiej 3H 14C 87Rb 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 1 - 25 piwo 390 --- czerwone mięso 3000 0,5 fasola 4640 2 - 5 woda pitna 0 – 0,17

Radionuklidy w ludzkim ciele Zasób w ciele Aktywn. w ciele Dzienna dawka 238U 90 mg 1,1 Bq 1,9 mg 232Th 30 mg 0,11 Bq 3 mg 40K 17 mg 4,4 kBq 0,39 mg 226Ra 31 pg 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 mg

Radionuklidy w materiałach budowlanych Uran Tor Potas 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 1,3 385 płyta gipsowa 1,0 14 3 12 gips odpadowy 13,7 186 16,1 66 0,02 5,9 gips naturalny 1,1 15 7,4 0,5 48 drewno - 11,3 3330 cegła 8,2 111 10,8 44 666

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 r (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.