Физика

Введение

 

Данный урок посвящён изучению актуальной и проблемной темы «Биологическое действие радиации». Применение и использование технологии мирного атома требует крайней осторожности. Об этом напоминает известная всем жителям нашей планеты, крупнейшая в истории техногенная катастрофа, связанная с использованием ядерных технологий, которая произошла 26 апреля 1986 года в украинском городе Чернобыль. В результате аварии на четвёртом энергоблоке ЧАЭС произошёл пожар и выброс радиоактивных веществ (см. рис. 1). Город был полностью эвакуирован и по сей день является непригодным для проживания людей. В результате ликвидации аварии и из-за её последствий погибло множество людей, а экосистема района претерпела значительные изменения. Не только Украина, но и жители соседних государств ощутили на себе пагубное воздействие радиации.

 

Рис. 1. Разрушенный четвёртый энергоблок на ЧАЭС (Источник)

 

Ионизация

 

 

Радиация оказывает на живые существа пагубное влияние. Альфа-, бета-, гамма-излучение при прохождении через вещество может его ионизировать, то есть выбивать из его атомов и молекул электроны.

 

Ионизация – процесс образования ионов из нейтральных атомов и молекул.

Ионизация живых тканей нарушает их правильную работу, что приводит к разрушительному воздействию на живые клетки.

 

Характеристики ионизирующего излучения

 

 

В любой точке земного шара человек всегда находится под воздействием радиации, такое воздействие называют радиационным фоном.

 

Радиационный фон – ионизирующее излучение земного и космического происхождения. Степень воздействия радиации на организм зависит от нескольких факторов:

• поглощённая энергия излучения;
• масса живого организма и количество энергии, приходящееся на один килограмм его веса.

Поглощённая доза излучения (D) – энергия ионизирующего излучения, поглощённая облучаемым веществом и рассчитанная на единицу массы.

,

где E – энергия поглощённого излучения, m – масса тела.

 – единица измерения, названная в честь английского физика Льюиса Грэя.

Для измерения воздействия несильных излучений используют внесистемную единицу измерения – рентген. Сто рентген равны одному грею:

При одинаковой поглощенной дозе излучения её воздействие на живые организмы зависит от типа излучения и от органа, который подвергается данному излучению.

Принято сравнивать воздействие от различных излучений с рентгеновским излучением либо с гамма-излучением. Для альфа-излучения эффективность воздействия в 20 раз превышает гамма-излучение. Эффективность воздействия быстрых нейтронов в 10 раз превышает гамма-излучение. Для описания характеристики воздействия введена величина, которая называется коэффициентом качества (для альфа-излучения он равен 20, для быстрых нейтронов – 10).

Коэффициент качества (K) показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия гамма-излучения (γ-излучения) при одинаковых поглощённых дозах.

Для того чтобы учесть коэффициент качества, введено понятие – эквивалентная доза излучения (H), которая равна произведению поглощённой дозы и коэффициента качества.

 – единица измерения, названная в честь шведского учёного Рольфа Максимилиана Зиверта.

Различные органы живых организмов имеют разную чувствительность к ионизирующему излучению. Для оценки данного параметра введена величина – коэффициент радиационного риска.

При оценке воздействия радиационного излучения на живые организмы важно учитывать время его действия. В процессе радиоактивного распада количество радиоактивных атомов в веществе уменьшается, следовательно, уменьшается интенсивность облучения. Для возможности оценки количества оставшихся радиоактивных атомов в веществе используется величина, которая называется период полураспада.

Период полураспада (T) – это промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. С использованием периода полураспада вводится закон радиоактивного распада (закон полураспада), который показывает, сколько атомов радиоактивного вещества останется через определённое время распада.

,

где  – количество нераспавшихся атомов;

 – начальное количество атомов;

t – прошедшее время;

T – период полураспада.

Значения периодов полураспада для различных веществ являются уже вычисленными и известными табличными величинами.

 

---

Задача на поглощённую дозу излучения

Вычислите поглощённую двумя литрами воды дозу излучения, если вследствие поглощения этой дозы вода нагрелась на .

Дано: ,  – удельная теплоёмкость воды (табличное значение).

Найти: D – доза излучения.

Решение:

Излучение нагрело воду, то есть его поглощённая энергия перешла во внутреннюю энергию воды. Запишем это как передачу определённого количества теплоты.

Формула количества теплоты, которое передалось воде при нагреве:

Энергию излучения, которая преобразовалась в данное количество теплоты, выразим из формулы поглощённой дозы излучения:

Приравняем эти два выражения (энергию и количество теплоты):

Отсюда получаем искомую формулу для вычисления дозы излучения:

Ответ: 

---

 

---

Задача на эквивалентную дозу излучения

Безопасной эквивалентной дозой ионизирующего облучения является 15 мЗв/год. Какой мощности поглощённой дозы для γ-излучения это соответствует?

Дано: ; ;  – коэффициент качества γ-излучения.

Найти:  – мощность поглощённой дозы.

Решение: 

Переводим данные в СИ:

Выразим из формулы эквивалентной дозы поглощённую дозу:

Подставим получившееся выражение в выражение мощности поглощённой дозы:  

Ответ: .

---

 

---

Задача на период полураспада

Имелось некоторое количество радиоактивного изотопа серебра. Масса радиоактивного серебра уменьшилась в 8 раз за 810 суток. Определите период полураспада радиоактивного серебра.

Дано:  – отношение начальной массы к оставшейся;

 суток.

Найти: T.

Решение: Запишем закон полураспада:

Отношение начальной и конечной массы будет равно отношению начального и конечного количества атомов серебра:

Решим полученное уравнение:

 суток

Ответ:  суток.

---

 

 

Методы защиты от ионизирующего радиационного излучения

 

 

Как минимум, при исследовании нельзя брать в руки радиационные образцы, для этого используются специальные держатели. При опасности попадания в зону излучения необходимо пользоваться средствами защиты дыхательных путей: масками и противогазами, а также специальными костюмами (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Защитные средства Воздействие альфа-излучений хоть и опасно, но задерживается даже листом бумаги (см. рис. 3). Для защиты от данного излучения достаточно одежды, которая покрывает все участки тела, главное не допустить попадание α-частиц в лёгкие с радиоактивной пылью.

Рис. 3. Воздействие α-излучения

Бета-излучение имеет гораздо большую проникающую способность (проникает в ткани организма на 1–2 см.). Защита от этого излучения затруднена. Для изоляции от β-излучения потребуется, например, пластинка из алюминия толщиной несколько миллиметров или пластинка из стекла (рис. 4).

Рис. 4. Воздействие β-излучения

Наибольшей проникающей способностью обладает гамма-излучение. Его задерживают толстым слоем свинца или бетонными стенами толщиной в несколько метров, поэтому индивидуальные средства защиты для человека от такого излучения не предусмотрены (рис. 5).

Рис. 5. Воздействие γ-излучения

 

Итоги урока

 

 

На этом уроке мы обсудили воздействие ионизирующего излучения на живые организмы и перечислили его основные характеристики, а также указали основные методы защиты от такого излучения.

 

 

Список литературы

1. Пёрышкин А. В., Гутник Е. М. Физика 9 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа.
2. Китайгородский А. И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. – М.: Наука.
3. В. Е. Левин. Ядерная физика. – М.: Атомиздат, 1975.
4. Мякишев Г. Я., Синяков А. З. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс: учебник для углублённого изучения физики. – М.: Дрофа.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «clck.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «clck.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «clck.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Вопросы в конце параграфа 78, стр. 263 (Пёрышкин А. В., Гутник Е. М. Физика 9-ый класс (Источник).
2. Средняя поглощенная доза излучения сотрудником, работающим с рентгеновской установкой, равна 7 мкГр за 1 ч. Опасна ли работа сотрудника в течение 200 дней в году по 6 ч в день, если предельно допустимая доза облучения равна 50 мГр в год?
3. Чему равен период полураспада одного из изотопов франция, если за 6 с количество ядер этого изотопа уменьшается до 8 раз?