Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы, люди, живём в мире, который можно назвать радиоактивным. Места, где существует абсолютное отсутствие радиоактивности, в природе, среде обитания животных, людей нет. Радиоактивность - это природное образование, космические лучи, рассеянные в окружающей среде радиоактивные нуклиды, то есть вещества, которые создают радиоактивный фон, в котором мы живём. За время эволюции, всё живое приспособилось к этому уровню фона. Также нужно ещё учитывать, что уровень радиоактивности на Земле всё время понижается, каждые 10-15 тыс. лет уровень радиоактивности уменьшается примерно в два раза. В целом только крупные аварии на какой-то территории связанные, как правило, с атомными станциями нарушают этот средний уровень. И самым опасным для человека стечением обстоятельств считается, когда внутрь организма человека попадают радионуклиды. Причём, при внутреннем облучении наиболее опасное воздействие производят α-частицы. Принято считать, что эта опасность α-облучения вызвана их большой массой по сравнению с электронами и повышенной ионизирующей способностью из-за двойного заряда.
Актуальность работы заключается в том, что в общественном сознании практически закреплено представление об абсолютной опасности любого радиоактивного облучения, и поэтому представляется необходимым рассмотрение физической природы патологического воздействия радиоактивности на живые организмы и оценка уровней риска и опасности.
Цель работы: сделать попытку оценить тормозное электромагнитное излучение альфа-частиц как фактора патологического воздействия на живой организм при внутреннем облучении.
Задачи:
1.Ознакомиться с природой радиоактивности и методами ее исследования;
2.Исследовать возможность использования школьного физического оборудования;
3.Разработать эксперимент и исследовать его результат.
Гипотеза : одним из компонентов патологического действия на организм при внутреннем облучении является электромагнитное излучение, вызванное торможением (движением с отрицательным ускорением) на треке, и приводящее к нарушениям молекул ДНК за счёт большой плотности мощности излучения в группе клеток рядом с треком с последующим развитием онкологического заболевания.
Объект исследования: α-частица при её торможении в биологических тканях при внутреннем облучении.
Предмет исследования: компонент потери энергии α-частицы на электромагнитное излучение.
Часть 1. О природе радиации.
-
Рис. 1. А.Беккерели
ткрытие радиоактивности и его биологического действия
-
1896 г. Французский физик А.Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана, установил, что урановая соль испускает лучи неизвестного типа, которые проходят сквозь бумагу, дерево, тонкие металлические пластины, ионизируют воздух. В феврале 1896 г. Беккерели не удалось провести очередной опыт из-за облачной погоды. Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на неё сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив на всякий случай пластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почернение в форме отчётливой тени крестика. Это означало, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних явлений, создают какое-то излучение. Начались интенсивные исследования.
1898 г. Мария Склодовская-Кюри, исследуя урановые руды, обнаружила новые химические элементы: полоний, радий. Оказалось, что все химические элементы, начиная с порядкового номера 83, обладают радиоактивностью. Явление самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии, называется естественной радиоактивностью.
- Формы радиоактивности
1898 г. Подвергая радиоактивное излучение действию магнитного поля, Э.Резерфорд выделил два вида лучей: α-лучи - тяжёлые положительно заряженные частицы (ядра атомов гелия) и β-лучи - лёгкие отрицательно заряженные частицы (тождественны электронам).Два года спустя П. Виллард открыл гамма-лучи. Гамма-лучи - это электромагнитные волны с длиной волны от Гамма-лучи не отклоняются электрическими и магнитными полями.
Рис. 3. Альфа-излучение
Рис. 2. Влияние магнитного поля на траекторию движения частиц
Рис. 4. Бета-излучение
После установления Резерфортом структуры атома стало ястно, что радиоактивность представляет собой ядерный процесс.1902 г. Э.Резерфорд и Ф.Содди доказали, что в результате радиоактивного распада происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое испусканием различных частиц.
Альфа-частицы, бета-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии, вызывая ионизацию или возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту). Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, человек может использовать их для своей защиты.
Часть 2. Альфа - излучение и его характеристики
2.1. Патогенность и опасность α-излучения
Альфа-излучение — это поток ядер атомов гелия. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание ядра гелия 4 He - альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер - на 2.
В общем виде формула альфа - распада выглядит следующем образом:
Пример альфа - распада для изотопа 238 U:
Рис.5. Альфа распад урана 238
Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов, в результате очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающей в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Внешнее альфа-облучение опасно для здоровья только в случае высокоэнергичных альфа-частиц (с энергией выше десятков МэВ), источником которых является ускоритель. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутри тела, когда облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма, весьма опасно для здоровья, поскольку большая плотность ионизации вдоль трека частицы сильно повреждает биомолекулы. Считается, что при равном энерговыделении (поглощённой дозе) эквивалентная доза, набранная при внутреннем облучении альфа-частицами с энергиями, характерными для радиоактивного распада, в 20 раз выше, чем при облучении гамма- и рентгеновскими квантами. Таким образом, опасность для человека при внешнем облучении могут представлять α-частицы с энергиями 10 МэВ и выше, достаточными для преодоления омертвевшего рогового слоя кожного покрова. Гораздо большую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт). Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества, чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом.
Будучи довольно тяжелыми и положительно заряженными, альфа-частицы от радиоактивного распада имеют очень короткий пробег в веществе и при движении в среде быстро теряют энергию на небольшом расстоянии от источника. Это приводит к тому, что вся энергия излучения высвобождается в малом объеме вещества, что увеличивает шансы повреждения клеток при попадании источника излучения внутрь организма. Однако внешнее излучение от радиоактивных источников безвредно, поскольку альфа-частицы могут эффективно задерживаться несколькими сантиметрами воздуха или десятками микрометров плотного вещества — например, листом бумаги и даже роговым омертвевшим слоем эпидермиса, не достигая живых клеток. Даже прикосновение к источнику чистого альфа-излучения не опасно, хотя следует помнить, что многие источники альфа-излучения излучают также гораздо более проникающие типы излучения (бета-частицы, гамма-кванты, иногда нейтроны). Однако попадание альфа-источника внутрь организма приводит к значительному облучению.
Рис. 6. Проникающая способность альфа, бета частиц и гамма-квантов.
2.2. Расчет характеристик α-частицы
Существование электромагнитных волн было главным предсказанием. Дж.К.Максвелла (1876 г.), эта теория изложена в разделе школьного курса физики - электродинамика. «Электродинамика»- это наука об электромагнитных волнах, о природе их возникновения, распространении в разных средах, взаимодействии с различными веществами, структурами.
И в этой науке есть одно из фундаментальных утверждений, что любая имеющая электрический заряд частица, движущаяся с ускорением, является источником электромагнитного излучения.
Именно благодаря этому в рентгеновских установках рождаются рентгеновские волны при быстрой остановке потока электронов, которые после ускорения в приборе тормозятся при столкновении с анодом рентгеновской трубки.
Нечто аналогическое происходит за очень короткое время и с α-частицами, если их источник - ядра радиоактивных атомов, расположенных в среде. Имея при вылете из ядра большую скорость и пробежав всего от 5 до 40 микрон - α-частица останавливается. При этом, испытывая громаднейшее замедление и имея двойной заряд, не могут не создавать электромагнитный импульс.
Я, пользуясь обычными школьными законами механики и законом сохранения энергии, подсчитал начальную скорость α-частиц, величину отрицательного ускорения, время движения α-частицы до остановки, силу сопротивления её движения и развиваемую ей мощность.
Понятно, что энергия α-частицы идёт на разрушение клеток организма, ионизацию атомов, в одном случае больше, при вылете из других радиоактивных ядер меньше, но энергия излучения, созданная за короткое время пролета примерно от 5 до 40 микрон, не может превышать энергию α-частиц, которую они имеют при вылете.
При расчетах я использовал в качестве исходных известных характеристик, только энергию α-частиц (это её кинетическая энергия) и среднюю длину пробега в биологических тканях организма (L= 5 - 40 мкм). Массу α-частицы и её состав, я нашёл в справочнике.
Энергия их α-частиц равна 4-10 МэВ. Вот для таких α-частиц я и проводил расчёты.
Масса α-частицы равна 4 а.е.м.; 1 а.е.м.=1.660·10 -27 кг;
m = 4·1,660·10 -27 = 6,64·10 -27 кг - масса α-частицы.
Длина трека α-частицы.
q = 2 ·1,6·= 3,2 · - заряд
E к = 7МэВ = 7·10 6 ·1,6·10 -19 = 11,2·10 -13 Дж - кинетическая энергия α-частицы.
F = ma = 6.64·10 -27 ·8,4·10 18 =5,5 ·10 -8 Н- сила сопротивления α-частицы.
Таб.1 характеристика α-частицы.
.3.Мощность α-излучения и нормы электромагнитной безопасностиДанные из справочника:
1.Глубина δ проникновения электромагнитных волн частотой 10 ГГц в биологических тканях с большим содержанием воды (вода - поглотитель электромагнитных волн) составляет 3,43 мм (343 мкм). При проникновении электромагнитной волны на глубину δ её плотность мощности уменьшается в e=2,71 раза.
2.Из норм безопасности при времени воздействия менее 0,2 часа плотность мощности (критическая) не должна превышать
В (1) указаны глубины проникновения, ослабления электромагнитной волны для частоты 10 ГГц. В нашем случае одиночный импульс электромагнитной волны можно интерпретировать как положительную часть одного периода, т.е. наиболее близким значением частоты будет 230 ГГц.
Для биологической ткани в максимальной чистоте указанной в справочнике равной 10 ГГц. По нашим расчётам единичный импульс электромагнитной волны может быть представленным как короткий импульс частоты 230 ГГц. Из справочника можно сделать вывод, что с повышением частоты электромагнитных волн толщина δ уменьшается. Оценим толщину δ для нашего случая. Частота 230 ГГц превышает приведённую в справочнике 10 ГГц в 23 раза. Предполагая, что соотношению частот в 23 раза будет постоянным и для предшествующего участка диапазона (10 ГГц будет в 23 раза больше частоты 433 МГц) - для которого (т.е. в 10 раз). Тогда и для частоты 230 ГГц можно принять δ = 34 мкм.
Принимая, что, проходя из центра сферы, излучение через поверхности мысленно построенных сфер с общим центром и с расстоянием между ними, равны δ, то пройдя через n таких поверхностей начальная интенсивность (мощность) электромагнитной волны будет уменьшена в раз. Чтобы Расчёты оказались близкими к истине возьмём n при количестве слоёв равных 8; тогда
Так как; Начальную энергию электромагнитных волн можно оценить как 0,01; т.к механическая энергия альфа-частицы в основном тратится на образовании трека ионизированных частиц. Поэтому можно принять.
Будут убиты импульсом волны. Это подтверждают количественные оценки.
Т.к. расчётная плотность мощности излучения, исходящего из центра сферы и проходящего через неё при радиусе сферы (8δ =272 мкм) с площадью 4,65 , будет сопоставимой с критической плотности мощностью излучения требуемой нормы СанПиНа, можно утверждать, что внутри этой сферы, в её объёме все клетки погибнут.
Т.о. наши оценки приводят к результату, что все биологические клетки в объёме сферы, к поверхности которой проходит излучение из центра сферы от трека α-частицы погибнут, т.е. они будут находится в пространстве, объёме, через который проходит электромагнитная волна с плотностью мощности излучения, превышающей критическую плотность излучения, определённую нормами СанПиНа. Эти погибшие клетки (точнее их останки) за счёт механизмов регенерации организма практически без каких теперь либо последствий будут удалены из организма.
Самым опасным из последствий, такого электромагнитного шока для клеток будет то, что в некотором шаровом слое клеток, окружающих опасную сферу, будут такие полуубитые клетки, правильное функционирование некоторых наверняка будет нарушено тем электромагнитным импульсом, который «сломал» (разорвал, нарушил) структура ДНК, которая ответственна за «правильную» регенерацию данной клетки.
Часть 3. Разработка и проведение экспериментов
3.1. Измерение радиоактивного фона на территории МБОУ СОШ №11
Цель: измерить радиоактивный фон на территории МБОУ СОШ №11.
Гипотеза: осадки и ветер переносят разные виды частиц (в нашем случае нас интересуют именно радиоактивные частицы).
Оборудование: дозиметр.
Цифровой монитор излучения
Для экспериментов я использовал датчик ионизирующего излучения (дозиметр).Датчик ионизирующего излучения (дозиметр) предназначен для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Прибор может использоваться для измерения уровня альфа-, бета- и гамма- излучения. Так как прибор оснащен собственным экраном, то его можно использовать независимо от компьютера и других устройств фиксации данных в полевых условиях для определения уровня радиации.
Рис. 7 Датчик ионизирующего излучения (дозиметр)
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1. Диапазоны измерений: . Х1: 0 - 0,5 мР/ч; 0 - 500 циклов/мин (СРМ); . Х2: 0 - 5 мР/ч; 0 - 5000 циклов/мин (СРМ); . Х3: 0 - 50 мР/ч; 0 - 50000 циклов/мин (СРМ). 2. Чувствительность: 1000 циклов/мин/мР/Ч относительно цезия-137. 3. Точность: . при визуальной калибровке: ± 20 % от полной шкалы; . при инструментальной калибровке: ± 10 % от полной шкалы. 4. Калибровка: применяется Цезий-137. 5. Диапазон рабочих температур: 0 - 50 °С. 6. Электропитание: . элемент питания (9В); . средний срок cлужбы элемента питания: 2000 часов при нормальном уровне фоновой радиации.
Ход работы: Для этого мы, в разные месяцы измеряли радиационный фон нашей школы. В зимний период направление ветра направленно в южную сторону (сторона AB).
Рис. 8 План МБОУ СОШ №11
Таб 2.Радиоактивный фон территории МБОУ СОШ №11.
Результаты
В южной стороне измеренный радиоактивный фон больше, чем в северной стороне, а это значит, ветер и осадки и правда переносят разные виды частиц.
Также я провел измерения у канализации (это точки F и K) и показатели дозиметра, там немного выше, а это доказывает то, что именно вода является переносчиком радионуклидов.
3.2.Исследование зависимости поглощенной дозы от расстояния до геометрического центра препарата при плоской геометрии.
Цель работы: исследование зависимости поглощенной дозы от расстояния до геометрического центра препарата при плоской геометрии.
Оборудование: линейка, дозиметр, гидроксид калия.
Ход работы: измерить радиоактивный уровень, отдаляя препарат от дозиметра на каждый сантиметр.
Рис. 9 Результаты зависимости поглощенной дозы от расстояния до геометрического центра препарата при плоской геометрии.
Эксперимент показывает, что при плоской геометрии радиоактивного препарата зависимость поглощённой дозы от расстояния до центра препарата отличается от квадратичной в случае точечного препарата. При плоской геометрии эта зависимость от расстояния более слабая.
Заключение.
Оценки и расчёты показывают, что плотность мощности излучения в области тканей, ближайшего окружения трека превышают в десятки раз допустимые нормы электромагнитной безопасности, что приводит к полной гибели клеток этой области. Но существующий механизм регенерации восстановит убитые клетки и сохранит все функции этих клеток. Главная опасность для организма - наличие шарового слоя клеток, окружающих эту центральную область. Клетки шарового слоя остаются живыми, но мощный электромагнитный импульс, может повлиять на молекулы их ДНК, что может привести к их неправильному развитию и образования их реплик с патологией онкологического характера.
Литература
1. Ш.А.Горбушкин - Азбука физики
2. Г.Д.Луппов - Опорные конспекты и тестовые задания («Учебная литература», 1996);
3.П.В.Глинская - Для поступающих в вузы («Братья Гринины», 1995);
Химическая энциклопедия (Советская Энциклопедия, 1985);
4.Гусев Н. Г., Климанов В. А., Машкович В. П., Суворов А. П. - Защита от ионизирующих излучений;
5.Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики (3-е изд., перераб. и доп. М., Энергоатомиздат, 1985);
6.Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009) (Минздрав России, 2009);
7.Моисеев А. А., Иванов В. И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене (2-е изд., перераб. и доп. М., Атомиздат, 1974);
8.Физическая энциклопедия (Советская энциклопедия, 1994. Т. 4. Пойнтинга-Робертсона);
9.Мухин К. Н. - Экспериментальная ядерная физика (Кн. 1. Физика атомного ядра. Ч. I. Свойства нуклонов, ядер и радиоактивных излучений. — М.: Энергоатомиздат, 1993);
10.Биофизические характеристики тканей человека. Справочник/Березовский В.А. и др.; Киев: Наукова думка, 1990.-224 с.
После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри этим занялся Резерфорд.
Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу (рис. 7.9). Вся установка размещалась в вакууме.
В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала. В магнитном поле пучок распадался натри пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательная компонента излучения отклонялась магнитным полем гораздо больше, чем положительная. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получила название альфа-лучей,отрицательно заряженная - бета-лучей и нейтральная - гамма-лучей (α-лучи, β-лучи,γ-лучи).
Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают α-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего α-излучению.
Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество β-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи.
Как и в случае рентгеновских лучей, интенсивность поглощения γ-лучей увеличивается с ростом атомного номера вещества-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении через такую пластину их интенсивность убывает лишь вдвое.
Физическая природа α-, β- и γ-лучей, очевидно, различна.
Гамма-лучи
По своим свойствам γ-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем у рентгеновских лучей. Это наводит на мысль, что γ-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали после того, как была обнаружена дифракция γ-лучей на кристаллах и измерена длина волны. Она оказалась очень малой - от 10–8 до 10–11 см.
На шкале электромагнитных волн у-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими. Скорость распространения в вакууме у γ-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, - около 300000 км/с.
Бета-лучи
С самого начала α- и β-лучирассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с β-лучами,так как они сильно отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле.
Основная задача состояла в определении заряда и массы частиц. При исследовании отклонения β-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости β-частиц, испущенных данным радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями.
Альфа-частицы
Труднее оказалось выяснить природу а-частиц, так как они слабо отклоняются магнитным и электрическим полями.
Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе m по отклонению в электрическом и магнитном полях. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона - ядра атома водорода. Для определения массы α-частицы нужно было измерить еще ее заряд.
Это было сделано лишь после изобретения счетчика Гейгера. С его помощью подсчитывалось число частиц, попадающих в единицу времени внутрь металлического цилиндра, соединенного с электрометром (рис. 7.10). Сквозь очень тонкое окошко α-частицы могут проникать внутрь счетчика и регистрироваться им. Электрометр позволяет определить суммарный заряд α-частиц, испущенных за определенный интервал времени. Такого рода опыты показали, что заряд α-частицы равен удвоенному элементарному заряду. Следовательно, ее масса в 4 раза превосходит массу атома водорода, т. е. равна массе атома гелия. Таким образом, α-частица оказалась ядром атома гелия .
Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактивном а-распаде образуется гелий. Собирая α-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, Резерфорд с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия).
Примечание
Литература
Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 349-351.
5.3. ЗАЩИТА ЛЮДЕЙ ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Воздействие ионизирующих излучений на организм человека
Ионизирующие излучения применяют для исследования изношенности деталей машин, выявления дефектов в отливках, поковках и сварных швах, испытания смазочных масел и контроля автоматизированных технологических процессов при ремонте машин.
При проведении указанных исследований применяют рентгеновские лучи и радиоактивные изотопы.
Так, например, изношенность деталей двигателей внутреннего сгорания исследуют методом радиоактивных индикаторов (меченых атомов). В данном случае радиоактивные изотопы предварительно вводят в трущиеся поверхности деталей. По мере износа этих деталей частицы металла, содержащие радиоактивную примесь, попадают в смазку, которая становится радиоактивной. По интенсивности излучения смазки определяют степень и скорость износа деталей.
К ионизирующим излучениям относятся рентгеновское, альфа-, бета-, гамма-излучения и др.
Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия. Проникающая способность альфа-частиц, т.е. способность проходить через слой какого-либо вещества определенной толщины, небольшая. Поэтому внешнее воздействие альфа-частиц на живой организм не является опасным. Однако альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, и их попадание внутрь организма через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт или раны вызывает серьезные заболевания.
Бета-излучение состоит из потока электронов. Они имеют значительно большую проникающую, но меньшую ионизирующую способность по сравнению с альфа-частицами. Именно высокая проникающая способность электронов является опасным фактором при облучении этими частицами.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. Они не только глубоко проникают в организм, но и оказывают сильное ионизирующее воздействие. Вследствие этого гамма-излучение чрезвычайно опасно для человека.
Ионизация тканей организма приводит к их разрушению в связи с расщеплением воды (ее содержание в живой ткани составляет 72%) и вступлением образовавшихся веществ в химическую реакцию с белковыми соединениями.
Чувствительность различных организмов к ионизирующему излучению неодинакова. Так, экспозиционная доза рентгеновского излучения, при которой гибнет половина организмов, подвергнувшихся облучению, равна для людей 500Р. Смертельной для человека является доза гамма- или рентгеновских лучей, составляющая 500...600Р.
Облучение может вызвать выпадение волос, ломкость ногтей, нарушение деятельности желудочно-кишечного тракта, появление катаракты, изменения в наследственных функциях, острую или хроническую лучевую болезнь.
В течение жизни человек подвергается воздействию радиоактивного излучения, исходящего от почвы и сооружений, но оно, как правило, не вызывает существенных изменений в организме.
Нормы радиационной безопасности
Мощность экспозиционной дозы естественного радиационного фона составляет 3...25мкР/ч в зависимости от местных условий, а среднегодовой естественный фон колеблется в пределах от 70 до 150мР. В горных районах, где радиоактивные вещества встречаются
в природных условиях, естественный фон выше, чем в равнинных.
При выполнении расчетов полагают, что мощность дозы естественного радиационного фона равна 10мкР/ч, или 240мкР/сут.
В соответствии с требованием обеспечения безопасных условий при работе с радиоактивными веществами и ионизирующими излучениями Нормами радиационной безопасности НРБ-76/89 установлены предельно допустимые дозы (ПДД) ионизирующих излучений и среднегодовые допустимые концентрации (СДК) радиоактивных веществ в воде и в воздухе.
С учетом последствий влияния ионизирующих излучений на организм человека выделены три категории облучаемых лиц:
. категория А - персонал (лица, которые непосредственно работают с источниками ионизирующих излучений или по роду своей работы могут подвергнуться облучению);
. категория Б - отдельные лица, проживающие на территории, где дозы излучения могут превысить установленные предельные значения;
. категория В - население в целом.
Предельно допустимые дозы при внешнем и внутреннем облучении установлены для четырех групп критических органов или тканей:
. I группа - все тело, хрусталик, красный костный мозг;
. II группа - мышцы, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталик глаза и др.
. III группа - костная ткань, щитовидная железа и кожный покров (кроме кожи, костей, предплечий, лодыжек и стоп);
. IV группа - кости, предплечья, лодыжки и стопы.
Предельно допустимые дозы для персонала и отдельных представителей населения регламентированы НРБ-76/87. Согласно этим нормам предельно допустимая мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения для всего организма составляет 5бэр в год, или 100мбэр в неделю. Бэр представляет собой биологический эквивалент рентгена, равный количеству энергии любого вида излучения, которое, будучи поглощено в биологической ткани единичной массы, вызывает такой же биологический эффект, что и доза гамма- или рентгеновских лучей, равная одному рентгену.
Предельная экспозиционная доза ионизирующего излучения для всего организма при работе непосредственно с радиоактивными источниками, определяется по формуле
Где D - доза, бэр; N - возраст, годы; 18 лет - минимальный возраст персонала.
Защита от альфа-, бета- и гамма-излучений
Защита от ионизирующих излучений состоит в как можно большем снижении их интенсивности. Меры по обеспечению защиты от радиации включают в себя, в частности, выполнение санитарно-гигиенических требований к помещениям, где находятся источники излучения, и соблюдение личной гигиены.
Толщина экрана, необходимая для полного поглощения потока альфа-излучения, превосходит длину пробега альфа-частиц в материале, из которого он изготовлен. Вместо применения защитного экрана практикуется удаление облучаемого объекта от источника альфа-излучения. Защита от бета-излучения также связана с ослаблением его воздействия при помощи экрана.
С помощью рис.5.3 можно проиллюстрировать характер изменения интенсивности гамма-излучения при его распространении в веществе.
Из графика следует, что кривая интенсивности у-излучения не пересекается с осью абсцисс. Это означает, что гамма-излучение не
может быть полностью поглощено, какой бы ни была толщина слоя вещества или экрана. Можно лишь в определенной степени ослабить его интенсивность. Так, например, при толщине экрана d 0.5 интенсивность излучения ослабляется в 2 раза, а при толщине d 0.1 - в 10 раз.
Экраны, защищающие от воздействия у-излучения, изготавливают из свинца, вольфрама, нержавеющей стали, медных сплавов, чугуна, бетона и других материалов. Лучшими для этой цели считают вещества, имеющие большую атомную массу и значительную плотность.
Защитные экраны от гамма-лучей и нейтронов представляют собой сочетания материалов, имеющих большую плотность, с водой (например, свинец-вода, железо-вода или железо-графит).
Для смотровых иллюминаторов применяют прозрачные материалы, например свинцовые стекла или системы на основе жидкого наполнителя в стекле. Наполнителями в них могут служить бромистый и хлористый цинк.
Приемлемый уровень безопасности при работе с источником гамма-излучения достижим при определенных сочетаниях продолжительности
работы, расстояния до источника и его активности, которая зависит от массы вещества и убывает со временем.
Общие меры безопасности и радиационный контроль
Способы хранения и перевозки источников ионизирующих излучений, организация работы с ними и профилактические мероприятия по защите от облучения изложены в Основных санитарных правилах работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/87. В соответствии с этими правилами при работе с источниками ионизирующих излучений необходимо проводить радиационный контроль - радио- и дозиметрический.
Методами радиометрического контроля можно определить загрязненность воздуха, одежды, поверхностей предметов и помещения радиоактивными веществами, тогда как дозиметрический контроль связан с измерением индивидуальных доз излучения, воздействующих на тех, кто работает с радиоактивными веществами, и интенсивность излучения на объектах, где эти вещества используются.
Радиометрический и дозиметрический контроль осуществляют ионизационным, сцинтилляционным, фотографическим и химическим методами.
В ионизационном
методе используется свойство газов проводить электрический ток под действием радиоактивного излучения.
Сила тока, регистрируемая измерительным прибором, прямо пропорциональна интенсивности излучения. Сцинтилляционный
метод основан на свойстве некоторых веществ люминесцировать под действием радиоактивного излучения. Фотоэмульсионный слой темнеет под действием радиоактивного излучения, причем степень потемнения зависит от дозы излучения. Это свойство используют в фотографическом
методе контроля. Химический
метод связан с изменением цвета некоторых растворов под действием излучения.
В зависимости от состояния радиоактивного вещества используют различные приборы и оборудование: рентгенометры, градуированные в рентгенах в час или миллирентгенах в час, и дозиметры, градуированные в рентгенах или радах.
Осуществляют три вида контроля: государственный, ведомственный и особый. Государственный контроль, выборочно проводимый радиологическим отделом территориального санэпиднадзора, направлен на выяснение общей радиационной обстановки путем анализа всех видов сырья и материалов, использующихся в данном регионе, от всех поставщиков.
При ведомственном контроле осуществляют систематическое наблюдение за содержанием радионуклидов в исходном минеральном сырье, строительных материалах, изделиях и конструкциях (при необходимости проводят контроль мощности экспозиционной дозы и объемной активности радона и дочерних продуктов его распада).
При особом контроле ведомственные организации осуществляют разовые проверки совместно со специальными отделами территориального санэпиднадзора.
Для измерения параметров радиоактивного излучения применяют различные приборы, в том числе индикаторный прибор СРП-68 или СРП-88Н (сцинтилляционный счетчик) и дозиметр типа ДРТ-ОГТ (газоразрядный счетчик).
Дозиметром ДРТ-ОГТ измеряют мощность экспозиционной дозы на рабочих местах, в смежных помещениях и на территории организаций, использующих радиоактивные вещества и другие источники ионизирующих излучений в санитарно-защитной зоне.
Он предназначен для работы в диапазоне температур 10...40°С при влажности воздуха до 90% (соответствует температуре 30°С) и атмосферном давлении 84...106,7кПа, в постоянных магнитных полях и интервале энергий фонов 0,05...3,0МэВ. Прибор измеряет мощность экспозиционной дозы в диапазонах 0,010...9,999мР/ч и 0,010...9,999Р/ч.
Типы и назначение дозиметрических приборов приведены ниже.
Альфа частица представляет собой положительно заряженную частицу в ядерной физике, которая образуется при распаде ядер и имеет два протона и два нейтрона. Поток таких частиц принято называть альфа излучением.
Впервые о данном явлении упомянул ученый Э. Резерфорд еще вначале XX в., который в числе первых предположил наличие бета, гамма и, конечно же, альфа частиц, провел много опытов превращения ядер азота в ядра кислорода. Среди нескольких видов излучений, альфа излучение наиболее безопасное для живых существ.
Основные характеристики
Альфа частица выглядит как симметричный объект в виде сферы, при радиусе приблизительно 2·10 -13 см. Что касается ее массы, то это — 6.6·10 -27 кг. Скорость ее передвижения довольно низкая, при выхождении из ядра, она способна перемещаться еще некоторое расстояние, затем останавливается.
При близком контакте с кожей человека она способна проникнуть на расстояние всего нескольких микрон. Это объясняется процессом ионизации, при котором поток отдает большую часть своей первоначальной энергии.
Взаимодействие альфа излучения с различными веществами
Частицы, образующие альфа излучение, являются довольно тяжелыми, вследствие чего у них небольшая скорость. Также, стоит отметить, что большое количество своей энергии они передают поглотителю при малой скорости, при этом образуется большое количество пар ионов. Для примера рассматривается частица со скоростью 20 мм/с которая способна образовать в воздухе приблизительно сто тысяч пар ионов.
Влияние на живые организмы
Внешняя проникающая способность данного излучения небольшая, может вполне задерживаться слоем бумаги. При малом внешнем воздействии возможно развитие злокачественных образований и нарушение правильного обмена веществ. Однако, при таком виде подвержены поражению слизистые участки тела и глаза, которые не поддаются дальнейшему излечению.
В процессе большого количества исследований, ученые пришли к выводу, что альфа частицы при попадании в живой организм с помощью пищи, воды и воздуха могут принести поистине катастрофические разрушения, поскольку они полностью сжигают живой организм изнутри. Особенно опасными признаны альфа частицы плутония 239, которые активно накапливаются в почках, печени, легких, селезенке и приводят к тяжелой форме лучевой болезни, затем и к скорому летальному исходу.
Научно-популярный фильм о Эрнесте Резерфорде
Ни для кого не секрет, что радиация вредна. Это знают все. Все слышали про ужасные жертвы и опасность радиоактивного воздействия. Что же такое радиация? Как она возникает? Существуют ли разные виды радиации? И как от нее защититься?
Слово «радиация» происходит от латинского radius и обозначает луч. В принципе радиация - это все виды существующих в природе излучений - радиоволны, видимый свет, ультрафиолет и так далее. Но излучения бывают различными, некоторые из них полезны, некоторые вредны. Мы в обычной жизни привыкли словом радиация называть вредное излучение, возникающее вследствие радиоактивности некоторых видов вещества. Разберем, как на уроках физики объясняют явление радиоактивности.
Радиоактивность в физике
Мы знаем, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так вот ядро - это в принципе очень устойчивое образование, которое сложно разрушить. Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы.
Это излучение называют радиоактивным, и оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение. (альфа-, бета- и гамма-излучение). Эти излучения различны, различно и их действие на человека и меры защиты от него. Разберем все по порядку.
Альфа-излучение
Альфа-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или воздухом, оно облучает внутренние органы и становится опасным.
Бета-излучение
Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.
Гамма-излучение
Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.
Как видно, альфа-излучение по его характеристикам практически не опасно, если не вдохнуть его частички или не съесть с пищей. Бета-излучение может причинить ожоги кожи в результате облучения. Самые опасные свойства у гамма-излучения. Оно проникает глубоко внутрь тела, и вывести его оттуда очень сложно, а воздействие очень разрушительно.
В любом случае без специальных приборов знать, что за вид радиации присутствует в данном конкретном случае нельзя, тем более, что всегда можно случайно вдохнуть частички радиации с воздухом. Поэтому общее правило одно - избегать подобных мест, а если уж попали, то укутаться как можно большим количеством одежды и вещей, дышать через ткань, не есть и не пить, и постараться поскорее покинуть место заражения. А потом при первой же возможности избавиться от всех этих вещей и хорошенько вымыться.
Загрузка...
