رادیونوکلیدها در آب آشامیدنی

نوکلیدهای (nuclide, nuclear species) یک عنصر شیمیایی، گونه های مختلف هستۀ اتم آن عنصر هستند که هر کدام از آنها دارای ترکیب خاصی از تعداد پروتون ها (proton) و نوترون ها (nrutron) هستند. در واقع نوکلید شبیه به ایزوتوپ است، با این تفاوت که ایزوتوپ روی خواص شیمیایی، ولی نوکلید روی خواص هسته ای تأکید دارد. نوکلیدها یا ایزوتوپ های هر عنصر شیمیایی، تعداد پروتون های یکسان و تعداد نوترون های متفاوتی دارند؛ برای مثال، کربن -12 (C¹²)، -13 (C¹³) و کربن -14 (C¹⁴)، سه نوکلید (ایزوتوپ) عنصر کربن هستند که هر سه دارای عدد اتمی 6 و عدد جرمی، به ترتیب، 12 (با 6 نوترون)، 13 (با 7 نوترون) و 14 (با 8 نوترون) هستند. با توجه به اختلاف مفهومی بین نوکلید و ایزوتوپ، در علوم و فناوری هسته ای، بهتر است که از اصطلاح نوکلید استفاده شود.

رادیونوکلید (radionuclide, radioactive nuclide) (نوکلید پرتوزا) به اتمی گفته می شود که هستۀ ناپایدار دارد و پرتوزاست. در فرآیند پرتوزایی (radioactivity, radioactive decay) (واپاشی پرتوزا)، هستۀ اتم ناپایدار، به طور خود به خود، با تابش یوننده (ionizing radiation, ionization radiation) (شامل نشر ذرات زیراتمی (ذرات آلفا و ذرات بتا)و تابش امواج الکترومغناطیسی پر انرژی (پرتو گاما)، جرم و انرژی از دست داده و به هستۀ دیگری تغییر می کند. در نتیجۀ این واپاشی (از دست دادن انرژی)، نوکلید مادر به نوزاد تبدیل می شود؛ برای مثال کربن -14 (نوکلید مادر)، در نتیجۀ نشر ذرات بنا، به نیتروژن -14 (نوکلید نوزاد) تبدیل می شود.

فعالیت پرتوزایی رادیونوکلیدها، در دستگاه بین المللی یکاها (SI) بر حسب بکرل (Bq) و در دستگاه آمریکایی یکاها بر حسب کوری (Ci) بیان می شود. یک کوری، فعالیت g 1رادیم -226  (Ra²²⁶) و یک بکرل معادل یک واپاشی (تبدیل هسته ای) در ثانیه (1 Bq=1S^-1) است؛ به طوری که 1 Ci=3/7×10¹⁰ Bq و 1Bq=2/7*10^-11Ci.

پرتوزایی، واکنشی با مرتبۀ یک است که به معنای متناسب بودن آهنگ واپاشی با مقدار مواد پرتوزاست؛ بنابراین

که در آن، A مقدار مادۀ پرتوزا در زمان t (Bq با تعداد هسته های پرتوزا)، t زمان و k ثابت آهنگ واپاشی است. با انتگرال گیری از معادله بالا در محدودۀ t=0 تا t=t و A=A₀ تا A=A داریم

که در آن، A₀ مقدار مادۀ پرتوزای اولیه (Bq) یا تعداد هسته های پرتوزای اولیه است.

طبق تعریف، نیم عمر (t_1/2) هر رادیونوکلید مدتی است که نیمی از اتم های آن واپاشی و به نوکلید نوزاد تبدیل شود. هر رادیونوکلید، نیم عمر خاصی دارد؛ برای مثال، نیم عمر رادیم -228 (Ra²²⁸) 5/75 سال و نیم عمر رادیوم -226 (Ra²²⁶) 1600 سال است. گسترۀ نیم عمر رادیونوکلیدها از نانو ثانیه تا میلیارد سال متغیر است.

پس از سپری شدن نیم عمر (t_1/2)، تعداد اتم های رادیونوکلید مادر به نصف (A=0/5A₀) می رسد؛ در این حالت، معادله بالا به صورت زیر در می آید:

 در نتیجه

با جایگزینی دو معادله بالا داریم

بعد از مدت ده نیم عمر (10t_1/2)، 99/9 درصد از پرتوزایی هر رادیونوکلید کاسته شده و فقط 0/1 درصد آن باقی می ماند. مدت بقای رادیونوکلیدهای با نیم عمر طولانی، در سیستم های آبرسانی شهری (انتقال، تصفیه و توزیع)، آن قدر زیاد است که از پرتوزایی آنها به طور مؤثر کاسته نمی شود و بنابراین مصرف کنندگان، به طور جدّی، در معرض تابش آنها قرار نمی گیرند.

منابع رادیونوکلیدها در آب ها، طبیعی یا انسان زادی اند. منابع طبیعی پرتوزاها شامل عناصر پرتوزای موجود در پوستۀ زمین (همچون پتاسیم -40) و عناصر پرتوزای موجود در جوّ (همچون تریتیم، H³) هستند. منابع انسان زادی پرتوزاها عبارت اند از:

• ساخت، آزمایش و کاربرد تسلیحات هسته ای،
• مصارف پزشکی و داروسازی،
• فراوری، کاربرد و دفع سوخت های هسته ای در راکتورهای هسته ای برای تولید انرژی.

معمولاً بخش عمدۀ پرتوگیری انسان مربوط به رادیونوکلیدهای طبیعی است؛ به طوری که هر انسان در طول زندگی خود، حدود 87 درصد از منابع طبیعی و حدود 13 درصد از منابع انسان زادی پرتو می گیرد. از بین منابع طبیعی، 32 درصد کل پرتوگیری انسان مربوط به رادون (Rn) است. اکثر نشر دهنده های بتا از منابع انسان زادی و اکثر نشر دهنده های آلفا از منابع طبیعی منشأ می گیرند.

پتاسیم -40 حدود 0/0118 درصد کل پتاسیم پوستۀ زمین را تشکیل می دهد و حضور آن در آب های طبیعی معمولاً کمتر از mBq/L 148 (معادل 4pCi/L) است. هر فرد حدود Bq/d 85 (معادل 2300pCi/L) پتاسم -40 مصرف می کند که 0/35 تا 0/7 درصد آن از طریق آب آشامیدنی است.

کربن -14 در اثر بمباران جوّ توسط پرتوهای کیهانی به وجود می آید و بخشی از کربن موجود در CO₂ جوّ را تشکیل می دهد. وقتی که کربن -14 توسط فرایند فوتوسنتز تثبیت شود، به شکل کربن آلی در می آید. مقدار کربن -14 در آب های شیرین در حدود mCi/mg C 0/22 (pCi/C 0/006) و در اقیانوس ها در حدود mCi/mg C 3/7 (pCi/C 0/1) است. با توجه به برقراری شرایط تعادل برای تولید و واپاشی C¹⁴ در جوّ، در طول صدها هزار سال، غلظت C¹⁴ در جوّ و نیز نسبت C¹⁴/C¹² در جوّ (یا در CO₂ جوّ) ثابت بوده است؛ بنابراین موجودات فوتوسنتزی که کربن خود را از جوّ کسب می کنند، تا مادامی که زنده هستند، نسبت C¹⁴/C¹² آنها ثابت است؛ ولی چون پس از مرگ دیگر قادر به جذب C¹⁴ نیستند، به مرور زمان از غلظت C¹⁴ موجود در لاشه آنها کاسته می شود. بدین دلیل، باستان شناسان با اندازه گیری C¹⁴ موجود در لاشۀ مواد آلی که کربن آنها از جوّ تأمین شده است، به عمر آنها پی می برند.

از واپاشی اورانیوم موجود در پوستۀ زمین، ابتدا رادیوم (Ra) و سپس رادون (Rn) تولید می شود. رادون، گاز بدون طعم، بدون بو و بدون رنگ است و از داخل زمین وارد جوّ می شود. گاز رادون در جوّ، به واسطۀ فرایند پراکنش، رقیق شده و معمولاً غلظت آن به حدّی می رسد که مخاطره آمیز نیست. رادون در آب حل پذیر است و وقتی به سطح آب زیرزمینی می رسد، در آن به خوبی حل می شود. میانگین محتوای رادون در آب های زیرزمینی آمریکا pCi/L 900 و در برخی مناطق بیش از pCi/L 10.000 مشاهده شده است. گاز رادون سرطان زاست و استنشاق آن باعث سرطان ریه و بلع آن از طریق آب آشامیدنی باعث سرطان معده می شود.

میانگین غلظت اورانیوم در آب های زیرزمینی آمریکا µg/L 1/86 و در حدود 3 درصد موارد، بیش از µg/L 10 است. برای مثال، در یکی از آبخوان های ایالت کارولینای جنوبی آمریکا، غلظت اورانیوم آب زیرزمینی تا مقدار µg/L 620 نیز مشاهده شده است. جدول 1، رادیونوکلیدهای مخاطره آمیز از نظر بهداشتی که در آب های آشامیدنی مشاهده شده اند را نشان می دهد.

از نظر مخاطره بهداشتی، رادیونوکلیدها در گروه مواد سرطان زا طبقه بندی می شوند؛ برای مثال، از رادیونوکلیدهای نشر دهندۀ آلفا، رادیوم -226 خطر مبتلا شدن به سرطان استخوان و سر و اورانیوم -234 و اورانیوم -238 خطر مبتلا شدن به سرطان استخوان را افزایش می دهند. استاندارد آب آشامیدنی ایران، حداکثر مجاز فعالیت های نشردهنده های آلفا را pCi/L 3 و نشر دهنده های بتا را pCi/L 30 تعیین کرده است.

منبع:

• تائبی، امیر (1398). کیفیت آب (مبانی و محاسبات)