Біологічна дія радіації закон радіоактивного розпаду. «Презентація з фізики на тему« Біологічна дія радіації. Закон радіоактивного розпаду »(9 клас). Джерелами опромінення є

Радіація надає на живі істоти згубний вплив. Альфа-, бета-, гамма-випромінювання при проходженні через речовину може його іонізувати, тобто вибивати з його атомів і молекул електрони.

іонізація - процес утворення іонів з нейтральних атомів і молекул.

Іонізація живих тканин порушує їх правильну роботу, що призводить до руйнівного впливу на живі клітини.

У будь-якій точці земної кулі людина завжди знаходиться під впливом радіації, такий вплив називають радіаційним фоном.

радіаційний фон - іонізуюче випромінювання земного і космічного походження. Ступінь впливу радіації на організм залежить від декількох факторів:

поглинена енергія випромінювання;
маса живого організму і кількість енергії, що припадає на один кілограм його ваги.

Поглинена доза випромінювання (D ) - енергія іонізуючого випромінювання, поглинена опромінюється речовиною і розрахована на одиницю маси.

де E - енергія поглиненого випромінювання, m - маса тіла.

- одиниця виміру, названа на честь англійського фізика Льюїса Грея.

Для вимірювання впливу несильних випромінювань використовують позасистемна одиницю виміру - рентген. Сто рентген дорівнюють одному грію:

При однаковій поглиненої дози випромінювання її вплив на живі організми залежить від типу випромінювання і від органу, який піддається даному випромінювання.

Прийнято порівнювати вплив від різних випромінювань з рентгенівським випромінюванням або з гамма-випромінюванням. Для альфа-випромінювання ефективність впливу в 20 разів перевищує гамма-випромінювання. Ефективність впливу швидких нейтронів в 10 разів перевищує гамма-випромінювання. Для опису характеристики впливу введена величина, яка називається коефіцієнтом якості (для альфа-випромінювання він дорівнює 20, для швидких нейтронів - 10).

коефіцієнт якості (K) Показує, у скільки разів радіаційна небезпека від впливу на живий організм даного виду випромінювання більше, ніж від впливу гамма-випромінювання (γ-випромінювання) при однакових поглинених дозах.

Для того щоб врахувати коефіцієнт якості, введено поняття - еквівалентна доза випромінювання (H ) , Яка дорівнює добутку поглиненої дози і коефіцієнта якості.

- одиниця виміру, названа на честь шведського вченого Рольфа Максиміліана Зіверт.

Різні органи живих організмів мають різну чутливість до іонізуючого випромінювання. Для оцінки даного параметра введена величина - коефіцієнт радіаційного ризику.

При оцінці впливу радіаційного випромінювання на живі організми важливо враховувати час його дії. У процесі радіоактивного розпаду кількість радіоактивних атомів в речовині зменшується, отже, зменшується інтенсивність опромінення. Для можливості оцінки кількості залишилися радіоактивних атомів в речовині використовується величина, яка називається період напіврозпаду.

Період напіврозпаду (T ) - це проміжок часу, протягом якого вихідне число радіоактивних ядер в середньому зменшується вдвічі. З використанням періоду напіврозпаду вводиться закон радіоактивного розпаду (Закон напіврозпаду), який показує, скільки атомів радіоактивної речовини залишиться через певний час розпаду.

де - кількість нераспавшіхся атомів;

Початкова кількість атомів;

t - минулий час;

T - період напіврозпаду.

Значення періодів напіврозпаду для різних речовин є вже обчисленими і відомими табличними величинами.

Обчисліть поглинену двома літрами води дозу випромінювання, якщо внаслідок поглинання цієї дози вода нагрілася на.

дано:, - питома теплоємність води (табличне значення).

знайти:D - доза випромінювання.

Рішення:

Випромінювання нагріло воду, тобто його поглинена енергія перейшла у внутрішню енергію води. Запишемо це як передачу певної кількості теплоти.

Формула кількості теплоти, яке передалося воді при нагріванні:

Енергію випромінювання, яка перетворилася в дану кількість теплоти, висловимо з формули поглиненої дози випромінювання:

Прирівняємо ці два вирази (енергію і кількість теплоти):

Звідси отримуємо шукану формулу для обчислення дози випромінювання:

відповідь:

Безпечної еквівалентною дозою іонізуючого опромінення є 15 мЗв / рік. Якої потужності поглиненої дози для γ-випромінювання це відповідає?

дано:; ;

Коефіцієнт якості γ-випромінювання.

знайти: - потужність поглиненої дози.

Рішення:

Переводимо дані в СІ:

Висловимо з формули еквівалентної дози поглинену дозу:

Підставами вийшло вираз у вираз потужності поглиненої дози:

відповідь:.

Малося кілька радіоактивного ізотопу срібла. Маса радіоактивного срібла зменшилася в 8 разів за 810 діб. Визначте період напіврозпаду радіоактивного срібла.

дано: - відношення початкової маси до залишилася;

знайти:T.

Рішення: Запишемо закон напіврозпаду:

Ставлення початковій і кінцевій маси буде дорівнює відношенню початкового і кінцевого кількості атомів срібла:

Вирішимо отримане рівняння:

відповідь: діб.

Як мінімум, при дослідженні не можна брати в руки радіаційні зразки, для цього використовуються спеціальні тримачі. При небезпеки попадання в зону випромінювання необхідно користуватися засобами захисту дихальних шляхів: масками і протигазами, а також спеціальними костюмами (див. Рис. 2).

Рис. 2. Захисні засоби Вплив альфа-випромінювань хоч і небезпечно, але затримується навіть аркушем паперу (див. Рис. 3). Для захисту від даного випромінювання досить одягу, яка покриває всі ділянки тіла, головне не допустити потрапляння α-частинок в легені з радіоактивним пилом.

Рис. 3. Вплив α-випромінювання Бета-випромінювання має набагато більшу проникаючу здатність (проникає в тканини організму на 1-2 см.). Захист від цього випромінювання утруднена. Для ізоляції від β-випромінювання буде потрібно, наприклад, платівка з алюмінію завтовшки кілька міліметрів або пластинка зі скла (рис. 4).

Рис. 4. Вплив β-випромінювання Найбільшою проникаючої здатністю має гамма-випромінювання. Його затримують товстим шаром свинцю або бетонними стінами завтовшки в декілька метрів, тому індивідуальні засоби захисту для людини від такого випромінювання не передбачені (рис. 5).

Рис. 5. Вплив γ-випромінювання

Домашнє завдання

Питання в кінці параграфа 78, стр. 263 (Пёришкін А.В., Гутник Е.М. Фізика 9-ий клас ().
Середня поглинена доза випромінювання співробітником, працюючим з рентгенівською установкою, дорівнює 7 мкГр за 1 год. Чи небезпечна робота співробітника протягом 200 днів на рік по 6 годин на день, якщо гранично допустима доза опромінення дорівнює 50 мГр на рік?
Чому дорівнює період напіврозпаду одного з ізотопів франція, якщо за 6 з кількість ядер цього ізотопу зменшується до 8 разів?

Радіація. Радіоактивністю називають нестійкість ядер деяких атомів, яка проявляється в їх здатності до мимовільного перетворення (по науковому - розпаду), що супроводжується виходом іонізуючого випромінювання (радіації). Енергія такого випромінювання досить велика, тому вона здатна впливати на речовину, створюючи нові іони різних знаків. Викликати радіацію за допомогою хімічних реакцій не можна, це повністю фізичний процес.

Розрізняють декілька видів радіації: -альфа-частинки - це відносно важкі частинки, заряджені позитивно, є ядрами гелію. -Бета-частинки - звичайні електрони. Гамма--випромінювання - має ту ж природу, що і видиме світло, однак набагато більшу проникаючу здатність. -Нейтрони - це електрично нейтральні частинки, що виникають в основному поруч з працюючим атомним реактором, доступ туди повинен бути обмежений. -Рентгеновскіе промені - схожі на гамма-випромінювання, але мають меншу енергію. До речі, Сонце - один з природних джерел таких променів, але захист від сонячної радіації забезпечує атмосфера Землі.

Найбільш небезпечно для людини Альфа, Бета і Гамма випромінювання, яке може привести до серйозних захворювань, генетичних порушення і навіть смерті. Справа в тому, що А., Б. та Г. частки, проходячи через речовину, іонізують його, вибиваючи електрони з молекул і атомів. Чим більше енергії отримує людина від чинного на нього потоку частинок і чим менше при цьому маса людини, тим до більш серйозних порушень в його організмі це призведе.

Величина енергії іонізуючого випромінювання, передана речовині виражається як відношення енергії випромінювання, поглиненої в даному обсязі, до маси речовини в цьому обсязі, називається поглинутою дозою. D \u003d E / m Одиниця поглиненої дози - Грей (Гр). Позасистемна одиниця Радий визначалася як поглинена доза будь-якого іонізуючого випромінювання, що дорівнює 100 ерг на 1 грам опроміненого речовини.

Але для більш точної оцінки можливого збитку здоров'ю людини в умовах хронічного опромінення в області радіаційної безпеки введено поняття еквівалентної дози, що дорівнює добутку поглиненої дози, створеної опроміненням і усередненої по аналізованому органу або по всьому організму, на коефіцієнт якості. H \u003d DK Одиницею вимірювання еквівалентної дози є Джоуль на кілограм. Вона має спеціальне найменування з. Іверт (Зв).

Енергія, як ми вже знаємо, є одним з факторів, що визначають ступінь негативного впливу випромінювання на людину. Тому важливо знайти кількісну залежність (формулу), по якій можна було б розрахувати, скільки радіоактивних атомів залишається в речовині до будь-якого заданого моменту часу. Для виведення цієї залежності необхідно знати, що швидкість зменшення кількості радіоактивних ядер у різних речовин різна і залежить від фізичної величини, званої періодом напіврозпаду.

Закон радіоактивного розпаду - фізичний закон, що описує залежність інтенсивності радіоактивного розпаду отвремені і кількості радіоактивних атомів в зразку. Відкрито Фредеріком Содді і Ернестом Резерфордом, кожен з яких згодом був нагороджений Нобелівською премією. Вони виявили його експериментальним шляхом і опублікували в 1903 році в роботах «Порівняльне вивчення радіоактивності радію і торію» і «Радіоактивне перетворення», сформулювавши таким чином:

У всіх випадках, коли відокремлювали один з радіоактивних продуктів і досліджували його активність незалежно від радіоактивності речовини, з якого він утворився, було виявлено, що активність при всіх дослідженнях зменшується з часом за законом геометричної прогрессіі.із чого за допомогою теореми Бернуллі вчені зробили висновок:

Швидкість перетворення весь час пропорційна кількості систем, ще не піддалися превращенію.Существует кілька формулювань закону, наприклад, у вигляді диференціального рівняння:

яке означає, що число розпадів? dN, Що відбулося за короткий інтервал часу dt, Пропорційно числу атомів N в зразку.

У зазначеному вище математичному вираженні - постійна розпаду, Яка характеризує ймовірність радіоактивного розпаду за одиницю часу і має розмірність з? 1. Знак мінус вказує на спад числа радіоактивних ядер з часом.

Рішення цього диференціального рівняння має вигляд:

де - початкове число атомів, тобто число атомів для

Таким чином, число радіоактивних атомів зменшується з часом за експоненціальним законом. Швидкість розпаду, тобто число розпадів в одиницю часу

також падає експоненціально. Диференціюючи вираз для залежності числа атомів від часу, отримаємо:

де - швидкість розпаду в початковий момент часу

Таким чином, залежність від часу числа нераспавшіхся радіоактивних атомів і швидкості розпаду описується однією і тією ж постійною.

Крім константи розпаду радіоактивний розпад характеризують ще двома похідними від неї константами, розглянутими нижче.

Середній час життя

Із закону радіоактивного розпаду можна отримати вираз для середнього часу життя радіоактивного атома. Число атомів, в момент часу зазнали розпад в межах інтервалу одно їх час життя одно Середній час життя отримуємо інтегруванням по всьому періоду розпаду:

Підставляючи цю величину в експоненціальні тимчасові залежності для і легко бачити, що за час число радіоактивних атомів і активність зразка (кількість розпадів в секунду) зменшуються в e раз.

Період напіврозпаду

На практиці набула більшого поширення інша тимчасова характеристика - період напіврозпаду рівна часу, протягом якого число радіоактивних атомів або активність зразка зменшуються в 2 раза.Связь цієї величини з постійною розпаду можна вивести зі співвідношення

Дослідження біологічної дії радіоактивних випромінювань були розпочаті одразу після відкриття рентгенівського випромінювання (1895) і радіоактивності (1896). У 1896 російський фізіолог І.Р. Тарханов показав, що рентгенівське випромінювання, проходячи через живі організми, порушує їх життєдіяльність. Особливо інтенсивно стали розвиватися дослідження біологічної дії радіоактивних випромінювань з початком застосування атомної зброї (1945), а потім і мирного використання атомної енергії. Для біологічної дії радіоактивних випромінювань характерний ряд загальних закономірностей:

1) Глибокі порушення життєдіяльності викликаються мізерно малими кількостями поглинається енергії. Так, енергія, поглинена тілом ссавця, тварини або людини при опроміненні смертельною дозою, при перетворенні на теплову привела б до нагрівання тіла всього на 0,001 ° С. Спроба пояснити "невідповідність" кількості енергії результатам впливу призвела до створення теорії мішені, згідно з якою променеве ушкодження розвивається при попаданні енергії в особливо радіочутливих частина клітини - "мішень".
2) Біологічна дія радіоактивних випромінювань не обмежується підданим опромінення організмом, але може поширюватися і на наступні покоління, що пояснюється дією на спадковий апарат організму. Саме ця особливість дуже гостро ставить? Еред людством питання вивчення біологічної дії радіоактивних випромінювань і захисту організму від випромінювань.
3) Для біологічної дії радіоактивних випромінювань характерний прихований (латентний)? Еріод, т. Е. Розвиток променевого ураження спостерігається не відразу. Тривалість латентного? Еріод може варіювати від декількох хвилин до десятків років в залежності від дози опромінення, радіочутливості організму і спостерігається функції. Так, при опроміненні в дуже великих дозах (десятки тис. радий) Можна викликати "смерть під променем", тривалий ж опромінення в малих дозах веде до зміни стану нервової та інших систем, до виникнення пухлин через роки після опромінення.

Радіочутливість різних видів організмів різна. Смерть половини опромінених тварин (при загальному опроміненні) протягом 30 діб після опромінення (летальна доза - ЛД 50/30) викликається наступними дозами рентгенівського випромінювання: морські свинки 250 р, собаки 335 р, мавпи 600 р,миші 550--650 р, карасі (при 18 ° С) 1800 р, змії 8000--20000 р. Більш стійкі одноклітинні організми: дріжджі гинуть при дозі 30000 р, амеби - 100000 р, а інфузорії витримують опромінення в дозі 300000 р. Радіочутливість вищих рослин теж різна: насіння лілії повністю втрачають схожість при дозі опромінення 2000 р, на насіння капусти не впливає доза в 64000 р.

Велике значення мають також вік, фізіологічний стан, інтенсивність обмінних процесів організму, а також умови опромінення. При цьому, крім дози опромінення організму, грають роль: потужність, ритм і характер опромінення (однократне, багаторазове, переривчасте, хронічне, зовнішнє, загальне або часткове, внутрішнє), його фізичні особливості, що визначають глибину проникнення енергії в організм (рентгенівське і гамма- випромінювання проникає на велику глибину, альфа-частинки до 40 мкм, бета-частинки - на кілька мм), щільність спричиненої випромінюванням іонізації (під впливом альфа-частинок вона більше, ніж при дії інших видів випромінювання). Всі ці особливості впливає променевого агента визначають відносну біологічну ефективність випромінювання. Якщо джерелом випромінювання служать потрапили в організм радіоактивні ізотопи, то величезне значення для біологічної дії радіоактивних випромінювань випускається цими ізотопами, має їх хімічна характеристика, яка визначає участь ізотопу в обміні речовин, концентрацію в тому чи іншому органі, а отже, і характер опромінення організму. Первинне дію радіації будь-якого виду на будь-який біологічний об'єкт починається з поглинання енергії випромінювання, що супроводжується порушенням молекул і їх іонізацією. При іонізації молекул води (побічна дія випромінювання) в присутності кисню виникають активні радикали (ОН- і ін.), Гідратовані електрони, а також молекули? Ерекісі водню, що включаються потім в ланцюг хімічних реакцій в клітині. При іонізації органічних молекул (пряму дію випромінювання) виникають вільні радикали, які, включаючись у які відбуваються в організмі хімічні реакції, порушують протягом обміну речовин і, викликаючи появу невластивих організму з'єднань, порушують процеси життєдіяльності. При опроміненні в дозі 1000 р в клітці середньої величини (10-9 г) Виникає близько 1 млн. Таких радикалів, кожен з кото? И? в присутності кисню повітря може дати початок ланцюговим реакцій окислення, у багато разів збільшує кількість змінених молекул в клітині і викликає подальша зміна надмолекулярних (субмикроскопических) структур. З'ясування великої ролі вільного кисню в ланцюгових реакціях, що ведуть до променевому поразки, т.зв. кисневого ефекту, сприяло розробці ряду ефективних радіозахисні речовин, що викликають штучну гіпоксію в тканинах організму. Велике значення має і міграція енергії по молекулах біополімерів, в результаті якої поглинання енергії, що сталося в будь-якому місці макромолекули, призводить до ураження її активного центру (наприклад, до інактивації білка-ферменту). Фізичні і фізико-хімічні процеси, що лежать в основі біологічної дії радіоактивних випромінювань, т. Е. Поглинання енергії і іонізація молекул, займають частки секунди. Наступні біохімічні процеси променевого ушкодження розвиваються повільніше. Утворилися активні радикали порушують нормальні ферментативні процеси в клітці, що веде до зменшення кількості багатих енергією (макроергічних) з'єднань. Особливо чутливий до опромінення синтез дезоксирибонуклеїнової кислот (ДНК) в інтенсивно діляться клітинах. Т. о., В результаті ланцюгових реакцій, що виникають при поглинанні енергії випромінювання, змінюються багато компоненти клітини, в тому числі макромолекули (ДНК, ферменти та ін.) І порівняно малі молекули (аденозинтрифосфорная кислота, коферменти і ін.). Це призводить до порушення ферментативних реакцій, фізіологічних процесів і клітинних структур. Вплив іонізуючого випромінювання викликає пошкодження клітин. Найбільш важливо порушення клітинного ділення - мітозу. При опроміненні в порівняно малих дозах спостерігається тимчасова зупинка мітозу. Великі дози можуть викликати повне припинення ділення або загибель клітин. Порушення нормального ходу мітозу супроводжується хромосомними? Ерестройкамі, виникненням мутацій, що призводять до зрушень в генетичному апараті клітини, а отже, до зміни подальших клітинних поколінь (цитогенетичний ефект.) При опроміненні статевих клітин багатоклітинних організмів порушення генетичного апарату веде до зміни спадкових властивостей, що розвиваються з них організмів . При опроміненні у великих дозах відбувається набухання і пикноз ядра (ущільнення хроматину), потім структура ядра зникає. У цитоплазмі при опроміненні в дозах 10 000--20 000 р спостерігаються зміна в'язкості, набухання протоплазматических структур, освіту вакуолей, підвищення проникності. Все це різко порушує життєдіяльність клітини. Порівняльне вивчення радіочутливості ядра і цитоплазми показало, що в більшості випадків чутливо до опромінення ядро \u200b\u200b(наприклад, опромінення ядер серцевого м'яза тритона в дозі декількох протонів на ядро \u200b\u200bвикликало типові деструктивні зміни; доза в кілька тис. Разів більша не зашкодила цитоплазми). Численні дані показують, що клітини найбільш радіочутливі в? Еріод ділення і диференціювання: при опроміненні уражаються, перш за все, зростаючі тканини. Це робить опромінення найбільш небезпечним для дітей та вагітних жінок. На цьому ж заснована і радіотерапія пухлин - зростаюча тканина пухлини гине при опроміненні в дозах, які менше ушкоджують навколишні нормальні тканини.

Виникаючі в опромінюваних клітинах зміни ведуть до порушень в тканинах, органах і життєдіяльності всього організму. Особливо виражена реакція тканин, в кото? И? окремі клітини живуть порівняно недовго. Це слизова оболонка шлунка і кишечника, яка після опромінення запалюється, покривається виразками, що веде до порушення травлення і всмоктування, а потім до виснаження організму, отруєння його продуктами розпаду клітин (токсемія) і проникненню бактерій, що живуть в кишечнику, в кров (бактеріємія) . Сильно пошкоджується кровотворна система, що веде до різкого зменшення числа лейкоцитів в? Еріферіческой крові і до зниження її захисних властивостей. Одночасно падає і вироблення антитіл, що ще більше послаблює захисні сили організму. (Зменшення здатності опроміненого організму виробляти антитіла і тим самим протистояти впровадженню чужорідного білка використовується при? Ересадке органів і тканин -? Еред о? Ераціей пацієнта опромінюють.) Зменшується і кількість еритроцитів, з чим пов'язано порушення дихальної функції крові. Біологічна дія радіоактивних випромінювань обумовлює порушення статевої функції і утворення статевих клітин аж до повного безпліддя (стерильності) опромінених організмів. Важливу роль у розвитку променевого ураження тварин і людини грає нервова система. Так, у кроликів смертельний результат при опроміненні в дозі 1000 р часто визначається порушеннями в центральній нервовій системі, що викликають зупинку серцевої діяльності і параліч дихання. Дослідження біоелектричних потенціалів мозку опромінених тварин і людей, що піддаються променевої терапії, показали, що нервова система раніше інших систем організму реа ??? ует на радіаційний вплив. Опромінення собак в дозі 5--20 р і хронічне опромінення в дозі 0,05 р при досягненні дози в 3 р веде до зміни умовних рефлексів. Велику роль у розвитку променевої хвороби відіграють і порушення діяльності залоз внутрішньої секреції.

Для біологічної дії радіоактивних випромінювань характерно післядія, яке може бути дуже тривалим, тому що після закінчення опромінення ланцюг біохімічних і фізіологічних реакцій, що почалися з поглинання енергії випромінювання, триває довгий час. До віддалених наслідків опромінення відносяться зміни крові (зменшення числа лейкоцитів і еритроцитів), нефросклероз, цироз? Ечень, зміни м'язових оболонок судин, раннє старіння, поява пухлин. Ці процеси пов'язані з порушенням обміну речовин і нейроендокринної системи, а також пошкодженням генетичного апарату клітин тіла (соматичні мутації) . Рослини, в порівнянні з тваринами, більш радіостійкість. Опромінення в невеликих дозах може стимулювати життєдіяльність рослин - проростання насіння, інтенсивність росту корінців, накопичення зеленої маси і ін. Великі дози (20 000--40 000 р) Викликають зниження виживаності рослин, поява каліцтв, мутацій, виникнення пухлин. Порушення росту і розвитку рослин при опроміненні в значній сте? Єни пов'язані зі змінами обміну речовин і появою? Ервічних радіотоксінов, які в малих кількостях стимулюють життєдіяльність, а в великих - пригнічують і порушують її. Так, промивка опроміненого насіння протягом доби після опромінення знижує пригнічуючий ефект на 50-70%. Променеве ушкодження організму супроводжується одночасно поточним процесом відновлення, який пов'язаний з нормалізацією обміну речовин і регенерацією клітин. У зв'язку з цим опромінення дробове або з малою потужністю доз викликає менше пошкодження, ніж потужний вплив. Вивчення процесів відновлення важливо для пошуків радіозахисні речовин, а також засобів і методів захисту організму від випромінювань. У невеликих дозах всі мешканці Землі постійно схильні до дії іонізуючого випромінювання - космічних променів і радіоактивних ізотопів, що входять до складу самих організмів і навколишнього. Випробування атомної зброї і мирне застосування атомної енергії підвищують фон радіоактивний. Це робить вивчення біологічної дії радіоактивних випромінювань і пошуки захисних засобів все більш важливими.

Біологічною дією радіоактивних випромінювань користуються в біологічних дослідженнях, в медичній і с.-г. практиці. На біологічному дії радіоактивних випромінювань засновані променева терапія, рентгенодіагностика, радіоізотопна терапія. У сільському господарстві радіаційні впливи застосовуються з метою виведення нових форм рослин, для передпосівної обробки насіння, боротьби з шкідниками (шляхом виведення і випуску на трупи плантації обеспложенних опроміненням самців), для променевої консервації фруктів і овочів, оберігання продуктів рослинництва від шкідників (дози, згубні для комах, нешкідливі для зерна) і ін. Індивідуальна чутливість людини залежить від безлічі факторів; в? ервую чергу - від віку. Несформований організм більш стійкий до дії радіації, ніж формується (дитячий, юнацький). При гострому променевому ураженні, яке викликається загальним опроміненням організму у великих дозах (спостерігається при ядерних вибухах і в разі аварій на ядерних установках), біологічні ефекти радіації - загибель або різні форми променевої хвороби - проявляються протягом декількох годин або днів після опромінення. При дозах, що перевищують 100 Зв (Зиверт - одиниця еквівалентної дози в системі СІ. 1 Зв відповідає поглиненої дози 1 Дж / кг гамма-випромінювання), настає миттєва загибель (? Ерші годинник) через незворотного пошкодження нервових клітин (церебральний синдром) . Дози 50-100 Зв призводять до смертельного результату на 5-6-у добу після опромінення. Кишкова форма променевого ураження (шлунково-кишковий синдром) спостерігається в діапазоні 10-50 Зв і призводить до загибелі на 10-14-й день. Типова форма променевої хвороби розвивається при дозі 1--10 Зв. Причому, якщо не вжити медичних заходів, доза 3-5 Зв призводить до смерті 50% опромінених людей протягом 30 днів. Опромінених хворих поміщають в стерильні умови, роблять? Ереліваніе крові, для відновлення системи кровотворення виконують? Ересадку кісткового мозку. Все це супроводжується введенням загальнозміцнюючих та протизапальних засобів. Типовими віддаленими наслідками? Еренесенной променевої хвороби є астенія (підвищена стомлюваність), катаракта, підвищена сприйнятливість до інфекційних захворювань за рахунок зниження імунітету. Радіоактивне опромінення достовірно підвищує ризик виникнення раку, генетичних ушкоджень і скорочує тривалість життя. Першу позицію в груп? Е ракових захворювань, викликаних опроміненням, займають лейкози, пік кото? И ?, залежно від віку, доводиться на? Еріод від 5 до 25 років після опромінення. Трохи пізніше виникають рак молочної і щитовидної залози, легень та інших органів. Ризик генетичних ушкоджень у? Ервих двох поколіннях, за оцінками з? Еціалістов, становить близько 40% від ризику захворювання на рак.

Проблема впливу на організм людини опромінення «малими дозами» особливо гостро постала? Еред з? Еціалістамі після аварії на ЧАЕС. Для її вирішення потрібно постійне повсюдне обстеження населення, спостереження за станом здоров'я учасників ліквідації наслідків аварії і людей, які проживають на забруднених територіях. Вже на сьогоднішній день спостерігається зростання випадків раку щитовидної залози, зростання числа анемій, серцевих і інших захворювань, пов'язаних з ослабленням імунітету. Природне випромінювання є звичайною складовою частиною біосфери, абіотичних чинником, безперервно діючим на організми, яку складають природний радіоактивний фон, який формується за рахунок космічного випромінювання і випромінювання радіонуклідів, що знаходяться у зовнішньому середовищі і всередині живих організмів. Штучні джерела випромінювання з'являються в результаті діяльності людини. Біологічний ефект радіації визначається дозової навантаженням і може спостерігатися на всіх рівнях організації живих систем. Індивідуальна чутливість людини до радіоактивного опромінення залежить від віку, психоемоційного стану та т.д. Променеве ураження в залежності від дози може привести до загибелі, різних форм променевої хвороби, астенії, катаракті, зниження імунітету, скорочення тривалості життя, зростання ризику появи раку, генетичних ушкоджень.

Урок 64. Біологічна дія радіації. Закон радіоактивного розпаду (Федосова О.А.)

текст уроку

конспект

Назва предмета - фізика Клас - 9 УМК (назва підручника, автор, рік видання) - Фізика. 9 кл .: Підручник / А.В. Перишкін, Е.М. Гутник. - М .: Дрофа, 2014. Рівень навчання (базовий, поглиблений, профільний) - базовий Тема уроку - Біологічна дія радіації. Закон радіоактивного розпаду. Загальна кількість годин, відведений на вивчення теми - 1 Місце уроку в системі уроків по темі - 64/11 Мета уроку - ознайомити учнів з останніми науковими даними про радіацію, і її вплив на біологічні об'єкти. Завдання уроку - сформувати в учнів знання про радіоактивність. Оцінити позитивні і негативні прояви цього відкриття в сучасному суспільстві, розширити кругозір учнів. Сформувати світоглядні ідеї, пов'язані з використанням радіоактивності, Розвивати усне мовлення учнів через організацію діалогічного спілкування на уроці, формувати вміння висловлювати свої думки в граматично правильній формі. Формувати позитивну мотивацію до навчання і підвищення інтересу до знань. Плановані результати - Пояснювати фізичний зміст радіоактивності. Технічне забезпечення уроку - комп'ютер, мультимедійний проектор, періодична таблиця хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Додаткове методичне та дидактичне забезпечення уроку (можливі посилання на інтернет-ресурси) - презентація до уроку з диска «Фізика 9 клас» від VIDEOUROKI.NET https://videouroki.net/look/diski/fizika9/index.html Зміст уроку 1. організаційний етап Взаємне вітання вчителя і учнів; перевірка відсутніх по журналу. 2. Актуалізація суб'єктного досвіду учнів Повторити основні поняття по темі «Відкриття радіоактивності»: радіоактивність; склад радіоактивного випромінювання; α-випромінювання; β-випромінювання; γ-випромінювання. Назвати імена вчених, які мають відношення до теми уроку (і чому?). 3. Вивчення нових знань і способів діяльності (робота зі слайдами презентації) У 1896 році французький фізик Антуан Анрі Беккерель виявив, що солі урану мимовільно випускають промені. Відкрите ним явище було названо радіоактивністю. Нагадаємо, що радіоактивність - це явище самовільного перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемента, що супроводжується випусканням частинок, що володіють великою проникаючою здатністю. Резерфордом та іншими дослідниками було експериментально доведено, що радіоактивне випромінювання можна розділити на три види: альфа-, бета- і гама-випромінювання. Такі назви випромінювання отримали за першими літерами грецького алфавіту. Як ми з вами вже знаємо, радіоактивні випромінювання викликають іонізацію атомів і молекул речовини, тому їх часто називають іонізуючим випромінюванням. В даний час відомо, що радіоактивні випромінювання при певних умовах можуть становити небезпеку для здоров'я живих організмів. Механізм біологічної дії радіоактивних випромінювань складний. Його основу складають процеси іонізації і збудження атомів і молекул в живих тканинах, що відбуваються при поглинанні ними іонізуючих випромінювань. Ступінь і характер негативного впливу радіації залежать від декількох факторів, зокрема, від того, яка енергія передана потоком іонізуючих частинок даному тілу і яка маса цього тіла. Чим більше енергії отримує людина від чинного на нього потоку частинок і чим менше при цьому маса людини (т. Е. Чим більша енергія припадає на кожну одиницю маси), тим до більш серйозних порушень в його організмі це призведе. Поглиненою дозою випромінювання називають величину, рівну відношенню енергії іонізуючого випромінювання, поглиненої опромінюваним речовиною, до маси цієї речовини. В СІ одиницею поглиненої дози випромінювання є грей. 1 грей дорівнює поглиненої дози випромінювання, при якій речовини, що опромінюється масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж. Позасистемна одиниця поглиненої дози випромінювання - радіан. Для вимірювання поглинутої дози використовуються спеціальні прилади - дозиметри. Найбільшого поширення мають дозиметри, в яких датчиками є іонізаційні камери. У деяких дозиметрах як датчики використовують лічильники частинок, фотоплівку або сцинтилятори. Відомо, що чим більше поглинена доза випромінювання, тим більшої шкоди (при інших рівних умовах) може завдати організму це випромінювання. Але для достовірної оцінки тяжкості наслідків, до яких може привести дію іонізуючих випромінювань, необхідно враховувати також, що при однаковій поглиненої дози різні види випромінювань викликають різні за величиною біологічні ефекти. Біологічні ефекти, викликані будь-якими іонізуючими випромінюваннями, прийнято оцінювати в порівнянні з ефектом від рентгенівського або від гама-випромінювання. Наприклад, при одній і тій же поглиненої дози біологічний ефект від дії альфа-випромінювання буде в 20 разів більше, ніж від гама-випромінювання, від дії швидких нейтронів ефект може бути в 10 разів більше, ніж від гама-випромінювання, від дії бета- випромінювання - такий же, як від гама-випромінювання. У зв'язку з цим прийнято говорити, що коефіцієнт якості альфа-випромінювання дорівнює 20, вищезазначених швидких нейтронів - 10, при тому, що коефіцієнт якості гамма-випромінювання (так само, як рентгенівського і бета-випромінювання) вважається рівним одиниці. Таким чином, коефіцієнт якості показує, у скільки разів радіаційна небезпека від впливу на живий організм даного виду випромінювання більше, ніж від впливу гама-випромінювання (при однакових поглинених дозах). У зв'язку з тим, що при одній і тій же поглиненої дози різні випромінювання викликають різні біологічні ефекти, для оцінки цих ефектів була введена величина, яка називається еквівалентною дозою випромінювання. Еквівалентна доза випромінювання - це величина, яка визначає вплив випромінювання на організм, і рівна твір поглиненої дози на коефіцієнт якості. Еквівалентна доза може вимірюватися в тих же одиницях, що і поглинена, проте для її вимірювання існують і спеціальні одиниці. У Міжнародній системі одиниць одиницею еквівалентної дози є зіверт. Застосовуються також частинні одиниці, такі як мілізіверт, мікрозіверта і ін. Позасистемною одиницею виміру служить БЕР (біологічний еквівалент рентгена). При оцінці впливів іонізуючих випромінювань на живий організм враховують і те, що одні частини тіла (органи, тканини) більш чутливі, ніж інші. Наприклад, при однаковій еквівалентній дозі виникнення раку у легенях більш ймовірно, ніж у щитовидній залозі. Іншими словами, кожен орган і тканину мають певний коефіцієнт радіаційного ризику (для легких, наприклад, він дорівнює 0,12, а для щитовидної залози - 0,03). Гранично допустимою дозою опромінення вважається така поглинена доза, яка своєю чергою величини збігається з природним радіоактивним фоном, існуючим на Землі і обумовленим в основному космічним випромінюванням і радіоактивністю землі. З цієї точки зору, гранично допустима доза для людини в діапазоні рентгенівського, бета- і гама-випромінювань становить близько 10 Гр на рік. Для теплових нейтронів ця доза в 5 разів нижче, а для швидких нейтронів, протонів і альфа-частинок в 10 разів нижче. Міжнародною комісією з радіаційного захисту для людей, які постійно працюють з джерелами радіоактивних випромінювань, встановлена \u200b\u200bгранично допустима доза не більше однієї тисячної гріючи в тиждень, тобто близько 0,05 Гр на рік. Доза понад 3 - 6 Грей, отримана за короткий час, для людини смертельна. Поглинена і еквівалентна дози залежать і від часу опромінення (т. Е. Від часу взаємодії випромінювання з середовищем). За інших рівних умов ці дози тим більше, чим більше час опромінення, т. Е. Дози накопичуються з часом. При оцінці ступеня небезпеки, яку радіоактивні ізотопи представляють для живих істот, важливо враховувати і те, що число радіоактивних (т. е. ще не розпалися) атомів в речовині зменшується з плином часу. При цьому пропорційно зменшується число радіоактивних розпадів в одиницю часу і яку випромінює енергія. Енергія, як ми вже знаємо, є одним з факторів, що визначають ступінь негативного впливу випромінювання на людину. Тому так важливо знайти кількісну залежність (т. Е. Формулу), по якій можна було б розрахувати, скільки радіоактивних атомів залишається в речовині до будь-якого заданого моменту часу. Для виведення цієї залежності необхідно знати, що швидкість зменшення кількості радіоактивних ядер у різних речовин різна і залежить від фізичної величини, званої періодом напіврозпаду. Період напіврозпаду - це проміжок часу, протягом якого розпадається половина початкового кількості ядер. Виведемо залежність числа радіоактивних атомів від часу і періоду напіврозпаду. Час будемо відраховувати від моменту початку спостереження, коли число радіоактивних атомів в джерелі випромінювання дорівнювало ЕН НУЛЬОВИЙ. Тоді через проміжок часу, що дорівнює періоду напіврозпаду, число не розпалися ядер зменшиться вдвічі. Ще через такий же проміжок часу, число нераспавшіхся ядер ще раз зменшиться вдвічі, а, в порівнянні з початковою кількістю - вчетверо разів. Після закінчення часу ТЕ рівним ЕН МАЛЕНЬКА помножена на ТЕ ВЕЛИКЕ радіоактивних ядер залишиться: ЕН ОДНО ЕН нульової поділки НА ДВА В ОБСЯЗІ ЕН МАЛЕНЬКА. отримаємо формулу, яка є аналітичним виразом закону радіоактивного розпаду, встановленого Фредеріком Содді: Знаючи закон радіоактивного розпаду, можна визначити число розпалися ядер за будь-який проміжок часу. Із закону радіоактивного розпаду слід, що чим більше період напіврозпаду елемента, тим довше він «живе» і випромінює, створивши небезпеку для живих організмів. У цьому з усією наочністю переконують представлені на малюнку графіки залежності числа залишилися ядер від часу, побудовані для ізотопів йоду і селену. Для кількісної характеристики числа розпадів в одиницю часу вводиться фізична величина, яка називається активністю радіоактивного елемента. В системі СІ одиницею активності є бекерель - це активність радіоактивного препарату, в якому відбувається розпад одного ядра за одну секунду. Позасистемна одиниця активності - кюрі. Виникаючі в результаті радіоактивного розпаду ядра можуть бути, в свою чергу, радіоактивними. Це призводить до виникнення ланцюжка або ряду радіоактивних перетворень, що закінчуються стабільним ізотопом. Сукупність ядер, що утворюють такий ланцюжок, називається радіоактивним сімейством. Відомі три радіоактивних сімейства: сімейство урану-238, сімейство торію і сімейство актинія. Всі сімейства закінчуються стабільними ізотопами свинцю. 4. Закріплення матеріалу Що таке доза випромінювання? Чому дорівнює природний фон радіації? Чому дорівнює гранично допустима за рік доза випромінювання для осіб, що працюють з радіоактивними препаратами? Що уражається радіоактивними випромінюваннями в першу чергу? Де ми отримуємо радіоактивні випромінювання? 5. Узагальнення і систематизація Різні види випромінювання мають різну проникаючу здатність і по-різному впливають на людину. Аркуш паперу товщиною 0,1 мм повністю поглинає α-промені. А від β-променів захистить лист алюмінію товщиною 5 мм. Найважче захиститися від γ-променів, так як навіть сантиметровий шар свинцю в стані тільки в два рази зменшити інтенсивність цих електромагнітних хвиль. Існують наступні способи захисту від радіації: 1) видалення від джерела випромінювання; 2) використання перепони з поглинаючих випромінювання матеріалів. Фізичний вплив рентгенівського радіоактивного випромінювання полягає в іонізації атомів речовини. Утворилися при цьому вільні електрони і позитивні іони беруть участь в складному ланцюгу реакцій, в результаті яких утворюються нові молекули, в тому числі і вільні радикали. Ці вільні радикали через ланцюжок реакцій, ще до кінця не вивчених, можуть викликати хімічну модифікацію важливих у біологічному відношенні молекул, необхідних для нормального функціонування клітини. Біохімічні зміни можуть статися як через кілька секунд, так і через десятиліття після опромінення і стати причиною негайної загибелі клітин або таких змін в них, які можуть привести до раку. Променева хвороба може розвинутися як від збільшення зовнішнього, так і від збільшення внутрішнього опромінення. На стадії розвитку ембріона опромінення не вбиває зародка, але є причиною народження виродків. Причому доза опромінення, безпечна для організму матері, здатна викликати у ембріона ураження мозку. Сьогодні допустимої і безпечної вважається доза поглиненого випромінювання до 5 мЗв на рік. А допустимим разовим опроміненням вважається доза аварійного опромінення 100 мЗв. Разове опромінення 750 мЗв викликає променеву хворобу. А разове опромінення 4,5 Зв викликає важку ступінь променевої хвороби, при якій гине 50% опромінених. 6. Домашнє завдання §61

Відомо, що радіоактивні випромінювання при певних умовах можуть становити небезпеку для здоров'я живих організмів. У чому причина негативного впливу радіації на живі істоти?
Справа в тому, що α-, β- і γ-частинки, проходячи через речовину, іонізують його, вибиваючи електрони з молекул і атомів. Іонізація живої тканини порушує життєдіяльність клітин, з яких ця тканина складається, що негативно позначається на здоров'я всього організму.

Чим більше енергії отримує людина від чинного на нього потоку частинок і чим менше при цьому маса людини (т. Е. Чим більша енергія припадає на кожну одиницю маси), тим до більш серйозних порушень в його організмі це призведе.
- Енергія іонізуючого випромінювання, поглинена опромінюється речовиною (зокрема, тканинами організму) і розрахована на одиницю маси, називається поглиненої дозою випромінювання
Поглинена доза випромінювання D дорівнює відношенню поглиненої тілом енергії Е до його масі m:
В СІ одиницею поглиненої дози випромінювання є грей (Гр).
З цієї формули випливає, що
1 Гр \u003d 1 Дж / 1 кг
Це означає, що поглинена доза випромінювання буде дорівнює 1 Гр, якщо речовини масою 1 кг передається енергія випромінювання в 1 Дж.
У певних випадках (наприклад, при опроміненні м'яких тканин живих істот рентгенівським або γ-випромінюванням) поглинену дозу можна вимірювати в рентгенах (Р): 1 Гр відповідає приблизно 100 Р.
Чим більше поглинена доза випромінювання, тим більшої шкоди (при інших рівних умовах) може завдати організму це випромінювання.
Але для достовірної оцінки тяжкості наслідків, до яких може привести дію іонізуючих випромінювань, необхідно враховувати також, що при однаковій поглиненої дози різні види випромінювань викликають різні за величиною біологічні ефекти.
Біологічні ефекти, викликані будь-якими іонізуючими випромінюваннями, прийнято оцінювати в порівнянні з ефектом від рентгенівського або від γ-випромінювання. Наприклад, при одній і тій же поглиненої дози біологічний ефект від дії α-випромінювання буде в 20 разів більше, ніж від γ-випромінювання, від дії швидких нейтронів ефект може бути в 10 разів більше, ніж від γ-випромінювання, від дії β- випромінювання - такий же, як від γ-випромінювання.
У зв'язку з цим прийнято говорити, що коефіцієнт якості α-випромінювання дорівнює 20, вищезазначених швидких нейтронів - 10, при тому що коефіцієнт якості γ-випромінювання (так само як рентгенівського і β-випромінювання) вважається рівним одиниці. Таким чином,
- коефіцієнт якості К показує, у скільки разів радіаційна небезпека від впливу на живий організм даного виду випромінювання більше, ніж від впливу γ-випромінювання (при однакових поглинених дозах)
Для оцінки біологічних ефектів була введена величина, яка називається еквівалентною дозою.
Еквівалентна доза Н визначається як добуток поглиненої дози D і коефіцієнта якості К:
Еквівалентна доза може вимірюватися в тих же одиницях, що і поглинена, проте для її вимірювання існують і спеціальні одиниці.
В СІ одиницею еквівалентної дози є зіверт (Зв). Застосовуються також частинні одиниці: мілізіверт (мЗв), мікрозіверта (мкЗв) та ін.
З цієї формули випливає, що для рентгенівського, γ- і β-випромінювань (для яких К \u003d 1) 1 Зв відповідає поглиненої дози в 1 Гр, а для всіх інших видів випромінювання - дозі в 1 Гр, помноженої на відповідний даному випромінювання коефіцієнт якості .
При оцінці впливів іонізуючих випромінювань на живий організм враховують і те, що одні частини тіла (органи, тканини) більш чутливі, ніж інші. Наприклад, при однаковій еквівалентній дозі виникнення раку у легенях більш ймовірно, ніж у щитовидній залозі. Іншими словами, кожен орган і тканину мають певний коефіцієнт радіаційного ризику (для легких, наприклад, він дорівнює 0,12, а для щитовидної залози - 0,03).
Поглинена і еквівалентна дози залежать і від часу опромінення (т. Е. Від часу взаємодії випромінювання з середовищем). За інших рівних умов ці дози тим більше, чим більше час опромінення, т. Е. Дози накопичуються з часом.
При оцінці ступеня небезпеки, яку радіоактивні ізотопи представляють для живих істот, важливо враховувати і те, що число радіоактивних (т. Е. Ще не розпалися) атомів в речовині зменшується з плином часу. При цьому пропорційно зменшується число радіоактивних розпадів в одиницю часу і яку випромінює енергія.
Енергія, як ви вже знаєте, є одним з факторів, що визначають ступінь негативного впливу випромінювання на людину. Тому так важливо знайти кількісну залежність (т. Е. Формулу), по якій можна було б розрахувати, скільки радіоактивних атомів залишається в речовині до будь-якого заданого моменту часу.
Для виведення цієї залежності необхідно знати, що швидкість зменшення кількості радіоактивних ядер у різних речовин різна і залежить від фізичної величини, званої періодом напіврозпаду.
- Період напіврозпаду Т - це проміжок часу, протягом якого вихідне число радіоактивних ядер в середньому зменшується вдвічі
Виведемо залежність числа N радіоактивних атомів від часу t і періоду напіврозпаду Т. Час будемо відраховувати від моменту початку спостереження t 0 \u003d 0, коли число радіоактивних атомів в джерелі випромінювання дорівнювало N 0. Тоді через проміжок часу
Формула називається законом радіоактивного розпаду. Її можна записати і в іншому вигляді, наприклад. З останньої формули випливає, що чим більше Т, тим менше 2 t / T і тим більше N (при заданих значеннях N 0 і t). Виходить, чим більше період напіврозпаду елемента, тим довше він «живе» і випромінює, створивши небезпеку для живих організмів. У цьому переконують і представлені на малюнку 165 графіки залежності N від t, побудовані для ізотопів йоду (Т I \u003d 8 діб) і селену (T Se \u003d 120 діб).
Рис. 165. Графік залежності числа радіоактивних атомів від часу для ізотопів йоду і селену
Слід знати способи захисту від радіації. Радіоактивні препарати ні в якому разі не можна брати в руки - їх беруть спеціальними щипцями з довгими ручками.
Найлегше захиститися від α-випромінювання, так як воно має низьку проникаючу здатність і тому затримується, наприклад, аркушем паперу, одягом, шкірою людини. У той же час α-частинки, що потрапили всередину організму (з їжею, повітрям, через відкриті рани), становлять велику небезпеку.

β-Випромінювання має набагато більшу проникаючу здатність, тому від його впливу важче захиститися. β-Випромінювання може проходити в повітрі відстань до 5 м; воно здатне проникати і в тканини організму (приблизно на 1-2 см). Захистом від β-випромінювання може служити, наприклад, шар алюмінію товщиною в кілька міліметрів.
Ще більшу проникаючу здатність володіє γ-випромінювання, воно затримується товстим шаром свинцю або бетону. Тому γ-радіоактивні препарати зберігають в товстостінних свинцевих контейнерах. З цієї ж причини в ядерних реакторах використовують товстий бетонний шар, що захищає людей від γ-променів і різних частинок (α-частинок, нейтронів, уламків ділення ядер і ін.).
питання
1. У чому причина негативного впливу радіації на живі істоти?
2. Що називається поглиненої дозою випромінювання? При більшій чи меншій дозі випромінювання завдає організму більшої шкоди, якщо всі інші умови однакові?
3. Однаковий або різний за величиною біологічний ефект викликають в живому організмі різні види іонізуючих випромінювань? Наведіть приклади.
4. Що показує коефіцієнт якості випромінювання? Яка величина називається еквівалентною дозою випромінювання?
5. Який ще фактор (крім енергії, виду випромінювання і маси тіла) слід враховувати при оцінці впливів іонізуючих випромінювань на живий організм?
6. Який відсоток атомів радіоактивної речовини залишиться через 6 діб, якщо період його напіврозпаду дорівнює 2 діб?
7. Розкажіть про способи захисту від впливу радіоактивних частинок і випромінювань.

Урок 64. Біологічна дія радіації. Закон радіоактивного розпаду (Федосова О.А.)

текст уроку

конспект

питання