Экспресс-методы определения радиоактивности в продовольствии и воде

Излучение радиоактивных  веществ. Естественные радиоактивные  элементы испускают три вида излучений: альфа, бета и гамма. В 1899 Резерфорд  идентифицировал альфа- и бета-излучение; спустя год П.Вийар открыл гамма-излучение.

Альфа-излучение. В воздухе  при атмосферном давлении альфа-излучение  преодолевает лишь небольшое расстояние, как правило, от 2,5 до 7,5 см. В условиях вакуума электрическое и магнитное  поля заметно отклоняют его от первоначальной траектории. Направление  и величина отклонений указывают  на то, что альфа-излучение - это поток  положительно заряженных частиц, для  которых отношение заряда к массе (e/m) в точности соответствует дважды ионизированному атому гелия (He++). Эти данные и результаты спектроскопического исследования собранных альфа-частиц позволили Резерфорду сделать вывод о том, что они являются ядрами атома гелия.

Бета-излучение. Это излучение  обладает большей проникающей способностью, чем альфа-излучение. Как и альфа-излучение, оно отклоняется в магнитном  и электрическом полях, но в противоположную  сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение  является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению  e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

Гамма-излучение. Гамма-излучение  проникает в вещество гораздо  глубже, чем альфа- и бета-излучения. Оно не отклоняется в магнитном поле и, следовательно, не имеет электрического заряда. Гамма-лучи были идентифицированы как жесткое (т.е. имеющее очень высокую энергию) электромагнитное излучение. Разделение радиоактивного излучения в магнитном поле на альфа-, бета- и гамма-лучи схематично показано на рисунке.

 

СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА, иллюстрирующего  отклонение разных видов радиоактивного излучения в магнитном поле.

 

Теория радиоактивного распада. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд  изменений. Так, например, излучение  радия сопровождается выделением газообразного  радона ("эманацией"). В свою очередь  радон, распадаясь, оставляет радиоактивные  отложения на стенках содержащего  его сосуда. Собранная при распаде  радия эманация теряет половину исходной активности примерно за 4 сут. Эти и другие не поддававшиеся интерпретации экспериментальные факты удалось объяснить с помощью теории радиоактивного распада атомов, предложенной Резерфордом и Содди в 1903, а также правила смещения, сформулированного в 1913 А.Расселом и независимо от него Фаянсом и Содди. Суть теории Резерфорда и Содди состоит в том, что в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой.

Правило смещения. Правило  смещения точно указывает, какие  именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение.

Эмиссия альфа- и бета-частиц. Правило смещения можно пояснить с помощью ядерной модели атома, предложенной Резерфордом в 1911. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная часть массы атома. Вокруг ядра вращаются электроны, заряд которых компенсирует положительный заряд ядра. Каждому атому приписывается свой атомный номер Z, соответствующий его порядковому номеру в периодической таблице Менделеева и численно равный заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Альфа-частица имеет Z = 2 и массовое число (округленный атомный вес) A = 4. Если неустойчивое ядро испускает бета-частицу, то его Z увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Следовательно, радиоактивный атом превращается в следующий по порядку атом таблицы Менделеева. При эмиссии альфа-частицы Z и A вновь образованного ядра уменьшаются на 2 и 4 единицы соответственно, а дочерний атом, испытав соответствующее изотопическое превращение, "смещается" в таблице Менделеева влево от родительского элемента.

Гамма-излучение. Орбитальные  электроны, получив избыток энергии, могут переходить на более высокие  энергетические уровни. Возвращаясь  в основное (нормальное) состояние, они отдают избыток энергии в  виде света или рентгеновского излучения. Ядра атомов, обладающие избыточной энергией, также могут переходить в возбужденное состояние. Подобное возбуждение часто  испытывают ядра, образующиеся в процессе радиоактивных превращений. Переходя в основное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов. Особый интерес представляет вариант распада, когда радиоактивное ядро имеет большое время жизни возбужденного состояния. В этом случае у находящихся в разных энергетических состояниях одинаковых ядер (с одинаковыми значениями Z и A) наблюдаются однотипные радиоактивные распады, но происходят они с разными скоростями, поскольку одни ядра распадаются из возбужденного, а другие из основного состояния. Это явление получило название ядерной изомерии, а возбужденное и нормальное ядра называются изомерами.

Радиоактивные ряды. Правило  смещения позволило проследить превращения  естественных радиоактивных элементов  и выстроить из них три генеалогических  дерева, родоначальниками которых являются уран-238, уран-235 и торий-232. Каждое семейство  начинается с чрезвычайно долгоживущего  радиоактивного элемента. Урановое семейство, например, возглавляет уран с массовым числом 238 и периодом полураспада 4,5*10 9 лет (в табл. 1 в соответствии с  первоначальным названием обозначен  как уран I).

Применение радиоактивности.

 Медицина. Радий и другие  естественные радиоизотопы широко  применяются для диагностики  и лучевой терапии раковых  заболеваний. Использование для  этой цели искусственных радиоизотопов  значительно повысило эффективность  лечения. Например, радиоактивный  иод, введенный в организм в виде раствора иодида натрия, селективно накапливается в щитовидной железе и поэтому применяется в в клинической практике для определения нарушений функции щитовидной железы и при лечении базедовой болезни. С помощью меченого по натрию физиологического раствора измеряется скорость кровообращения и определяется проходимость кровеносных сосудов конечностей. Радиоактивный фосфор применяется для измерения объема крови и лечения эритремии.

Научные исследования. Радиоактивные  метки, в микроколичествах введенные в физические или химические системы, позволяют следить за всеми происходящими в них изменениями. Например, выращивая растения в атмосфере радиоактивного диоксида углерода, химики смогли понять тонкие детали процесса образования в растениях сложных углеводов из диоксида углерода и воды. В результате непрерывной бомбардировки земной атмосферы космическими лучами с высокой энергией находящийся в ней азот-14, захватывая нейтроны и испуская протоны, превращается в радиоактивный углерод-14. Полагая, что интенсивность бомбардировки и, следовательно, равновесное количество углерода-14 в последние тысячелетия оставались неизменными и учитывая период полураспада C-14 по его остаточной активности, можно определять возраст найденных остатков животных и растений (радиоуглеродный метод). Этим методом удалось с большой достоверностью датировать обнаруженные стоянки доисторического человека, существовавшие более 25 000 лет тому назад.

Экспрессные методы определения  радиоактивности пищевых продуктов, воды и других объектов окружающей среды

 

Экспрессные методы определения  радиоактивности в любых объектах позволяют измерять удельную активность пробы или поверхностное радиоактивное  загрязнение непосредственно (экспрессно) без так называемого обогащения измеряемых проб, то есть без концентрирования радиоактивных веществ в материале пробы (выпаривания, озоления, прессования, химического обогащения и т. д.).

 

В лабораториях СЭС, Госагропрома, Укоопсоюза, торговых организаций и других министерств и ведомств в настоящее время используют «Методику экспрессного определения объемной и удельной активности бета-излучающих нуклидов в воде, продуктах питания, продукции растениеводства и животноводства методом «прямого» измерения «толстых» проб.

 

В ней можно выделить пять основных операций:

отбор и подготовка проб исследуемого материала к измерениям;

подготовка радиометра «Бета» или другого имеющегося у вас  прибора к работе;

измерение фона;

замер проб исследуемого материала (пищевых продуктов, сырья, воды и  других объектов окружающей среды);

расчет радиоактивности (удельной массовой или объемной активности) проб и сопоставление их с допустимой нормой.

 

Отбор и подготовка проб исследуемого материала к измерениям. Для системного анализа ваших  исследований на протяжении нескольких месяцев или ряда лет следует  завести журнал, в котором записывать дату, вид измеряемой продукции, тип  прибора (он у вас через год-два  может поменяться), место отбора проб (например, в каком лесу и  когда собраны грибы, ягоды и  т. д.) и результаты измерений (расчетов).

 

Отбор проб растений производят, как правило, на тех же участках, что и пробы почв. Для получения  объединенной пробы растений массой 0,5—1 кг натуральной влажности, рекомендуется  отбирать не менее 8—10 точечных проб. Надземную  часть травяного покрова срезают  острым ножом или ножницами (не засоряя почвой), укладывают в полиэтиленовый мешочек, вкладывают этикетку из картона или плотной бумаги, на которой отмечают название растения, фазу вегетации, место отбора, вид отбираемой продукции и дату.

 

Нижняя часть растений часто загрязнена почвой. В этом случае либо нужно срезать растения выше, либо тщательно отмыть материал дистиллированной водой. С посевов  сельскохозяйственных культур следует  брать пробы по диагонали поля или ломанной кривой. Объединенную пробу составляют из 8—10 точечных проб, взятых либо из наземной части растений или раздельно — стеблей и  листьев, плодов, зерна, корнеплодов, клубнеплодов.

 

Отбор проб зерна производят по всей глубине насыпи зерна или  мешка. Ручным щупом точечные пробы  отбирают из верхнего и нижнего слоев, касаясь щупом дна. Общая масса  точечных проб при отборе должна быть не менее 1 кг. Зерно перемешивают.

 

Пробы клубнеплодов и корнеплодов  отбирают из буртов, насыпей, куч, автомашин, прицепов, вагонов, барж, хранилищ и  непосредственно из земли. Пробы  отбирают от однородной партии любого количества, одного сортотипа, заготовленного с одного поля, хранящегося в одинаковых условиях.

 

Точечные пробы отбирают по диагонали боковой поверхности  бурта, насыпи, куч через равные расстояния на глубине 20— 30 см. Клубни и корнеплоды берут в трех точках подряд.

 

Среднюю пробу для анализа  выделяют изобъединенной, масса ее должна быть 1 кг.

 

Отбор проб травы и зеленой  массы. С пастбищ или сенокосных угодий пробы отбирают непосредственно  перед выпасом животных или скашиванием  на корм, для чего на выбранном для  отбора проб участке выделяют 8—10 учетных  площадок размером 1 или 2 м2, размещая их по диагонали участка. Травостой скашивают (срезают) на высоте 3—5 см. Полученную со всех точечных проб или учетных площадок зеленую массу собирают на полог, тщательно перемешивают и расстилают ровным слоем, получая таким образом объединенную пробу, из которой отбирают среднюю пробу для анализа. Для составления средней пробы, масса которой должна быть 1 кг, траву берут порциями по 100 г из 10 различных мест.

 

Пробы грубых кормов, хранящихся в скирдах, стогах отбирают по периметру  скирд, стогов на равных расстояниях  друг от друга на высоте 1—1,5 м от поверхности земли со всех доступных  сторон с глубины не менее 0,5 м.

 

Отбор проб продуктов (круп, бобовых, семян и т. п.) аналогичен методам отбора проб зерна. Яблоки, помидоры, баклажаны и др. отбирают по методу отбора корнеплодов и т. п. Из небольших партий продуктов (ягоды, зелень и т. п.) точечные пробы берут  в четырех-пяти местах. Объединенная проба по весу или объему не должна превышать трехкратного количества, необходимого для измерения на соответствующем  приборе.

 

Отбор молока и молочных продуктов производят из небольших  емкостей (бидон, фляга и др.). Отбирают после перемешивания, а из крупных (цистерна, чан) — с разной глубины емкости кружкой с удлиненной ручкой или специальным пробоотборником. Величина средней пробы составляет 0,2—1 л и зависит от величины всей партии продукции.

 

Отбор проб мяса, органов  сельскохозяйственных животных и птицы  выполняют на убойных пунктах  колхозов, совхозов, мясокомбинатах, рынках, в личных хозяйствах, а также магазинах.

 

Пробы мяса (без жира) от туш  или полутуш отбирают кусками  по 30—50 г в области четвертого-пятого шейных позвонков, лопатки, бедра и  толстых частей спинных мышц. Общая  масса пробы должна составлять 0,2—0,3 кг. Для специального лабораторного  исследования отбирают также кости  в количестве 0,3—0,5 кг (позвоночник  и второе-третье ребро). Пробы внутренних органов животных отбирают в количествах: печень, почки, селезенка, легкие — 0,1 — 0,2 кг, щитовидная железа — весь орган. Птицу (цыплят) берут целыми тушками. Кур, индеек, уток, гусей — до 1/4 тушки. Количество проб определяется объемом  и характером исследований.

 

Отбор проб рыбы производят на рыбокомбинатах, хладокомбинатах, рынках, в магазинах, а также при отлове — непосредственно в водоемах. Мелкие экземпляры рыб берут целыми тушками, крупные — только их среднюю  часть. Исследованию подлежат все виды рыбы. Масса средней пробы составляет 0,3—0,5 кг. Количество проб определяется объемом и характером исследований.

 

Пробы яиц отбирают на птицефабриках, птицефермах совхозов, колхозов, на рынке, в магазинах и личных хозяйствах. Величина пробы — 2—3 яйца.

 

Отбор проб натурального меда производят на пасеках, в магазинах, на рынках, складах и базах хозяйств и потребкооперации.

 

Забор меда производят трубчатым  алюминиевым пробоотборником (если мед жидкий) или щупом для масла (если мед плотный) из разных слоев  продукции. Закристаллизованный мед  отбирают коническим щупом, погружая его  в мед под наклоном. При исследовании сотового меда из одной соторамки вырезают часть сота площадью 25 см2. Если сотовый мед кусковой, пробу берут в тех же объемах от каждой упаковки. После удаления восковых крышечек образцы меда помещают на сетчатый фильтр с диаметром ячеек не более 1 мм, вложенный в стакан, и ставят в духовку газовой плиты при температуре 40— 45 °С. Масса средней пробы — 0,2—0,3 кг.

 

Пробы шерсти, технической  кости, рого-копытного, пушно-мехового сырья и шкур отбирают аналогично с последующим механическим дроблением или измельчением. Масса пробы — 100—200 г.

 

Отбор проб соков, сиропов, варенья, воды, компотов производят из перемешанной, однородной массы. Масса пробы — 100—200 г.