Радиоактивность окружающей среды

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. С. Семенищев

РАДИОАКТИВНОСТЬ 
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Лабораторный практикум
для студентов (бакалавриат), 
обучающихся по направлению 
240100 «Химическая технология»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 539.16:504.5(076.5)
ББК 22.383я73-5+20.1я73-5
          С30
Составитель В. С. Семенищев

Рецензенты:
Ремез В. П., д-р техн. наук, Заслуженный изобретатель России, директор НПО «Эксорб»
Поляков Е. В., д-р хим. наук, ст. науч. сотр., зам. директора ИХТТ 
УрО РАН

С30    Радиоактивность окружающей среды : лабораторный практикум / сост. В. С. Семенищев. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 
2016. — 68 с.

ISBN 978-5-7996-1705-9

Лабораторный практикум предназначен для студентов физико-технологического института, изучающих дисциплину «Радиоактивность окружающей среды» и преподавателей, ведущих данный курс. В издании описаны 
общие подходы к радиохимическому анализу природных проб, а также приведены содержание и подробное описание лабораторных работ. В результате 
выполнения лабораторных работ студенты приобретают навыки работы с радиометрической и спектрометрической аппаратурой, а также определения 
природных и техногенных радионуклидов в объектах окружающей среды.

УДК 539.16:504.5(076.5)
ББК 22.383я73-5+20.1я73-5

Учебное издание

Радиоактивность окружающей среды 

Составитель
Семенищев Владимир Сергеевич

Подписано в печать 01.03.2016. Формат 60×84/16. Бумага писчая. Плоская печать. 
Гарнитура Newton. Уч.-изд. л. 3,3. Усл. печ. л. 4,0. Тираж 50 экз. Заказ 15

Издательство Уральского университета
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: 8 (343)375-48-25, 375-46-85, 374-19-41
E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620075, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: 8 (343) 350-56-64, 350-90-13
Факс: 8 (343) 358-93-06. E-mail: press-urfu@mail.ru

ISBN 978-5-7996-1705-9 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Содержание

Введение ..................................................................................... 4

1. Общие подходы к радиохимическому анализу ..................... 5
1.1. Общие принципы пробоотбора и пробоподготовки ......... 9
1.2. Носители и трассеры в радиохимическом анализе .......... 11
1.3. Методы неселективного концентрирования 
        радионуклидов .................................................................. 13
1.4. Методы селективного концентрирования 
        и выделения радионуклидов в схемах 
        радиохимического анализа ............................................... 15

Лабораторная работа № 1  ....................................................... 18
Определение 222Rn и продуктов его распада в питьевой воде . 18

Лабораторная работа № 2
Определение массового содержания и удельной 
активности калия в объектах окружающей среды .................. 25

Лабораторная работа № 3
Радиохимический анализ 210Pb в питьевой воде ..................... 34

Лабораторная работа № 4
Определение класса строительных материалов 
по содержанию радионуклидов методом  
гамма-спектрометрии .............................................................. 45

Лабораторная работа № 5
Определение изотопного состава урана  
методом альфа-спектрометрии ............................................... 54

Список литературы .................................................................. 67

Введение

Е

ще всего три – четыре десятилетия назад контроль радиационного фактора однозначно предполагал преимущественно контроль техногенных радионуклидов и источников ионизирующего излучения. Согласно рекомендациям 
Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) [1] 
предполагается одинаковый подход к нормированию техногенных и природных радионуклидов. В частности, это выражается в повышенном интересе к контролю и нормированию таких 
радиотоксичных природных изотопов, как 222Rn, 226, 228Ra, 210Pb, 
210Po, 232Th, 227Ac, 238U и т. д. Лабораторный практикум по курсу 
«Радиоактивность окружающей среды» отвечает в первую очередь на вопросы, связанные с определением природных радионуклидов в реальных объектах окружающей среды. Все лабораторные работы основаны на измерениях естественных уровней 
активности природных радионуклидов в природных объектах.

1. Общие подходы к радиохимическому анализу

Е

стественная миграция природных радионуклидов и техногенное рассеяние природных и искусственных радионуклидов вследствие штатной деятельности предприятий ядерного топливного и радиационных аварий, деятельности 
предприятий металлургической, химической и горнодобывающей отраслей промышленности, традиционно не относящихся 
к радиационноопасным, приводят к попаданию радионуклидов 
в природные воды и почву. Определение естественных и искусственных радионуклидов в объектах окружающей среды является неотъемлемой частью радиоэкологического мониторинга. 
Большое значение радиоэкологический мониторинг имеет для 
своевременного принятия решений и снижения радиационной 
нагрузки на человека за счет внутреннего облучения, связанного с попаданием и накоплением радионуклидов в организме человека. Другой задачей радиоэкологического мониторинга является получение информации для моделирования миграции 
радионуклидов с целью прогнозирования динамики радиоэкологической обстановки на радиоактивно-загрязненных территориях. В современных условиях, а особенно в условиях чрезвычайных ситуаций, радиоэкологический мониторинг должен 
осуществляться в кратчайшие сроки, с сохранением при этом 
высокой точности и достоверности результатов расчетов. При 
проведении мониторинга возникает необходимость не только 
оценки общей α- и β-активности объекта, но и определения активности отдельных радионуклидов.

1. Общие подходы к радиохимическому анализу

Для идентификации и количественного определения радионуклидов используют следующие методы:

1. Определение активности радионуклида по типу и энергии 
излучения. При проведении радиоэкологического мониторинга некоторые радионуклиды можно определять прямым способом или с помощью методов, требующих минимальной предварительной подготовки проб, таких как g-спектрометрия. 
Гамма-спектрометрия позволяет одновременно и независимо 
регистрировать индивидуальное излучение различных радионуклидов, операции их предварительного разделения становятся 
излишними. В ряде случаев предварительная подготовка пробы 
может не требоваться вовсе. При определении радиоактивности 
источника необходимо учесть геометрию и плотность пробы, 
а также вклад фона и других γ-излучателей в пик полного поглощения анализируемого радионуклида. Существенно более 
сложный характер носят задачи, связанные с определением радионуклидов, являющихся «чистыми» a- или β-излучателями, 
или когда по объективным причинам не могут быть использованы гамма-спектрометры высокого разрешения. Если удельная 
активность интересующего нас радионуклида очень низка, или 
он испускает излучение, обладающее малой проникающей способностью (a-излучение), то становятся необходимыми операции предварительного концентрирования и радиохимического 
выделения. Интересующий нас радионуклид нужно выделить 
из пробы с определенным химическим выходом и в форме, подходящей для измерения ядерного излучения. Так операции индивидуального выделения остаются необходимыми при определении одного из биологически опасных радионуклидов 90Sr 
(100 % β-излучатель).
При определении a-излучающих радионуклидов обязательным условием является приготовление тонкослойных источников для измерения интенсивности a-излучения, и, что более 
важно, для α-спектрометрического анализа. При этом в случае 

1. Общие подходы к радиохимическому анализу

толстых проб α-спектрометры не позволяют надежно идентифицировать радионуклиды вследствие самопоглощения и рассеяния a-излучения в образце. В качестве примера на рис. 1 
приведены a-спектры различных источников из природного 
урана; видно, что с увеличением толщины источника качество 
получаемых спектров резко падает, и идентификация изотопов 
становится невозможной.

                а                              б                              в                                 г
Рис. 1. a-спектры источников из природного урана, приготовленных 
электроосаждением из проб с различным солесодержанием:

а) < 2 мг; б) 15 мг; в) 75 мг; г) 150 мг

Избежать проблем, связанных с приготовлением тонкослойных α- и β-источников для измерения можно путем использования жидкосцинтилляционных спектрометров, однако стоимость их высока, и имеются такие спектрометры 
далеко не во всех лабораториях, занимающихся рутинным радиохимическим анализом. Тем не менее, независимо от типа 
используемой спектрометрической аппаратуры необходимо 
химически разделить радионуклиды с перекрывающимися 
по энергии пиками α-излучения, такие как 241Am и 238Pu или 
237Np и 234U.
При выборе схемы радиохимического анализа также следует 
учитывать схему распада определяемого радионуклида. В ряде 
случаев гораздо удобнее проводить определение не самого ра

1. Общие подходы к радиохимическому анализу 

дионуклида, а дочернего радиоактивного продукта его распада. 
Так, например, анализ чистого β-излучателя 137Cs удобнее всего осуществлять по γ-излучению дочернего 137mBa; анализ низкоэнергетичного β-излучателя 90Sr можно проводить, измеряя 
жесткое β-излучение равновесного с ним 90Y; измерять активность 210Pb можно по динамике накопления дочернего 210Bi.

2. Определение массы радионуклида с помощью физико-химических методов анализа.
Данный вариант оправдан для определения долгоживущих 
радионуклидов, таких как 238U (4,47·10 9 лет), 232Th (1,4·10 10 лет), 
99Tc (2,1·10 5 лет), 129I (1,61·10 7 лет) и др. [2, 3]. При этом определение массы радионуклидов осуществляют с помощью 
масс-спектрометрии, позволяющей измерять концентрации 
отдельных изотопов с весьма низкими пределами обнаружения. В таком случае основная цель подготовки пробы к анализу — это максимальное концентрирование пробы и удаление только ограниченного числа мешающих элементов. 
Например, в случае масс-спектрометрического определения 
долгоживущих изотопов основное внимание уделяется удалению изобарических помех (например, 126Te мешает массспектрометрическому определению 126Sn, а в случае измерения 
226Ra на ИСП-МС может происходить изобарическое наложение суммы 88Sr и 138Ba [4]).
Таким образом, к основным этапам определения радионуклидов в объектах окружающей среды относятся: отбор представительной пробы, пробоподготовка, концентрирование или 
выделение радионуклида в чистом виде, приготовление источника для измерения, анализ радиоактивности источника излучения. Типичная обобщенная схема радиохимического анализа объектов окружающей среды представлена на рис. 2.

1. Общие подходы к радиохимическому анализу

Отбор пробы

Предварительное концентрирование 

радионуклида 

Селективное выделение радионуклида

 (удаление мешающих примесей) 

Приготовление источника 

для измерения 

Измерение

Определение химического 

выхода 

Расчет результата

Пробоподготовка
Трассеры,
носители 

Рис. 2. Общая схема радиохимического анализа

1.1. Общие принципы пробоотбора и пробоподготовки

Для радионуклидов в окружающей среде характерна существенная неравномерность распределения. От правильного 
и аккуратного пробоотбора будет зависеть результат анализа. 
Отбор проб может стать источником серьезных ошибок, особенно когда это касается анализа объектов окружающей среды. 
Количество проб, отбираемых для анализа, всегда ограничено. 
В связи с этим при планировании и осуществлении пробоотбора особое внимание уделяется получению представительной 
пробы, в которой содержание анализируемого компонента соответствует его среднему содержанию в исследуемом объекте 
окружающей среды

1. Общие подходы к радиохимическому анализу 

За этапом отбора пробы идет этап ее подготовки и хранения 
до проведения определений. При хранении проб (особенно это 
касается проб воды и биологических материалов) могут происходить нежелательные изменения, в дальнейшем искажающие 
результат определений. Могут произойти изменение активностей воды за счет сорбции радионуклидов стенками посуды, 
потеря за счет комплексо- и коллоидообразования, выпадения в осадок (соосаждение с гидроокисью железа), биологические реакции. Исключить полностью влияние этих процессов 
невозможно, но существуют приемы, позволяющие свести их 
к минимуму.
Для консервации пробы воды ее закисляют азотной кислотой до pH = 2, чтобы избежать сорбции аналита стенками 
пробоотборника. В случае необходимости консервация может 
проводиться на месте отбора пробы. Для водных проб предварительная подготовка может включать кипячение пробы для разрушения гидроксидных и карбонатных комплексов и коллоидов, с которыми может быть связан аналит, а также фильтрацию 
через широкопористый фильтр для удаления твердых частиц 
осадков и органических фрагментов, которые могут содержать 
повышенные концентрации анализируемого радионуклида.
Пробы биологических материалов должны быть проанализированы по возможности быстро. В течение нескольких дней 
допускается их хранение в холодильнике при 4 °С. В отдельных 
случаях в пробы биологических материалов добавляют химические консерванты (формалин, спирт), позволяющие увеличить 
длительность хранения [5]. Консервант выбирают так, чтобы он 
не мешал последующему анализу. Для биологических материалов очень важна гомогенизация пробы. Растительные материалы нарезают, измельчают и усредняют. Образцы животных материалов (мяса, рыбы и т. п.) разрезают и размалывают. Затем 
растительные и животные пробы сушат в сушильном шкафу 
при 100–120 °С, сухие пробы переносят в фарфоровые чашки 
и обугливают на электроплите или под инфракрасной лампой, 

1. Общие подходы к радиохимическому анализу

после чего озоляют в фарфоровых тиглях при Т = 600–700 °С. 
Время озоления зависит от величины навески. Сухая минерализация (озоление) позволяет удалить из образцов органические 
компоненты. В случае радиохимического анализа биологических жидкостей, содержащих значительное количество органического материала, требуется также окисление органики путем 
кипячения пробы в присутствии азотной кислоты и пероксида 
водорода («мокрое озоление»).
Подготовка проб почвы заключается в удалении крупных 
включений (камни, корни и т. д.), измельчении пробы, озолении для окисления органической составляющей и последующем выщелачивании радионуклида с целью его перевода 
в раствор. Озоление проводят при температуре прокаливания 
300–400 °C. Более низкая температура озоления может оказаться недостаточной для надежного окисления органического материала. При большей температуре — возможны потери 
радионуклида за счет испарения (характерно для относительно летучих радионуклидов, таких как изотопы цезия или рутения) или за счет перехода радионуклида в трудновыщелачиваемую форму (например, переход плутония в химически стойкий 
диоксид PuO2 [6]). Выщелачивание почвенных проб обычно 
осуществляют азотной или соляной кислотой, либо царской 
водкой; при наличии в пробе «горячих частиц» (компонентов 
облученного ядерного топлива с высокой удельной активностью) для вскрытия применяют плавиковую кислоту [7].

1.2. Носители и трассеры в радиохимическом анализе

При анализе объектов окружающей среды анализируемый 
радионуклид содержится в пробе в микроколичествах. Например, концентрация 210Pb в воде при его активности 0,1 Бк/л составляет всего 6 · 10–15 г/л. Поведение микроколичеств вещества