ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 462
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Тема. Біологічна дія радіоактивних випромінювань
Мета уроку: ознайомити учнів з біологічною дією радіоактивних випромінювань і правилами захисту від радіоактивних випромінювань.
Тип уроку: комбінований урок.
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Активність радіоактивної речовини
Радіоактивність — це дивне явище природи, відкрите Беккере-лем наприкінці XIX століття, суть якого полягає в мимовільному спонтанному перетворенні атомних ядер деяких елементів на інші, що супроводжується виділенням трьох видів «променів».
Елементи, здатні до таких перетворень, стали називатися радіоактивними, тобто здатними до цього перетворення. Наприкінці ХХ століття було рекомендовано термін «ізотоп» замінити на «нуклід» і, відповідно, «радіоактивний ізотоп» на «радіонуклід».
Кількісна характеристика радіоактивності одержала у фізиків назву «активність».
Основна фізична величина, що характеризує радіоактивне джерело,— це число розпадів, що відбуваються в ньому, за одиницю часу. Така величина була названа активністю. Активність тієї чи іншої речовини, наприклад, радіоактивного ізотопу, визначається кількістю атомів, що розпадаються за одиницю часу (скажімо, за одну секунду), отже, число радіоактивних части
нок, що випускаються речовиною, прямо пропорційно її активності.
^ Активністю α радіоактивного джерела називають фізичну величину, що характеризує кількість радіоактивних розпадів за одиницю часу.
Як одиницю активності в СІ обрано беккерель (Бк): активність у 1 Бк відповідає одному розпаду в секунду.
> 1 Бк — це активність такого джерела, у якому за 1 с відбувається 1 розпад (одне ядерне перетворення). У практичній дозиметрії й радіаційній фізиці частіше використовується інша одиниця — кюрі (позначається Кі). Кюрі в 37 мільярдів раз більше одного беккерель:
1 Кі = 3,7 · 1010 Бк. З чим пов'язаний такий, здавалося б, дивний і довільний вибір одиниці? Справа в тому, що саме таке число розпадів відбувається в одному грамі Радію-226 — історично першої речовини, у якій були вивчені закони радіоактивного розпаду. Оскільки активність одного грама чистого радію близька до 1 Кі, то її часто виражають у грамах. У цьому (і тільки в цьому) випадку одиниця маси речовини має одиничну активність.
Радіоактивний розпад — статистичний процес. Кожне радіоактивне ядро може розпастися в будь-який момент, і закономірність спостерігається тільки в середньому, у випадку розпаду досить великої кількості ядер.
Стала розпаду λ характеризує ймовірність розпаду ядра в одиницю часу. Вона являє собою відносне зменшення числа ядер, що піддаються розпаду за одиницю часу.
Активність певної радіоактивної речовини пов'язана зі сталою розпаду цієї речовини співвідношенням:
A = λΝ,
де N — кількість атомів радіоактивної речовини в цьому радіоактивному препараті.
Стала розпаду λ має розмірність с-1 і характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Величина τ = 1/λ називається середньою тривалістю життя радіоактивного ізотопу (середній час життя). Значення λ і τ не залежать від зовнішніх умов і визначаються лише властивостями атомного ядра.
КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас»
У фізиці й техніці часто використовують ще одну фізичну величину — питому активність радіоактивного джерела. Ця величина характеризує активність одиниці маси α /m і вимірюється Бк/кг.
2. Доза поглиненого випромінювання
Виявилося, що ступінь впливу йонізуючого випромінювання на речовину не піддається простому визначенню через складність і різноманітність процесів, що протікають при цьому. Важливим з того, що дає початок фізико-хімічним змінам у речовині, що опромінюється, і призводить до визначеного радіаційного ефекту, є поглинання енергії йонізуючого випромінювання речовиною. У результаті цього виникло поняття поглинена доза. ^ Доза поглиненого випромінювання — це фізична величина, що чисельно дорівнює енергії випромінювання, поглиненій одиницею маси речовини.
,
де W — енергія йонізуючого випромінювання, переданого речовині, m — маса цієї речовини.
За одиницю виміру поглиненої дози в СІ прийнятий грей (Гр). ^ 1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, за якої
опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого
випромінювання 1 Дж.
Природне тло радіації (космічні промені, радіоактивність навколишнього середовища й людського тіла) складає за рік дозу випромінювання близько 2 · 10-3 Гр на людину. Міжнародна комісія з радіаційного захисту установила для осіб, що працюють з випромінюванням, гранично допустиму за рік дозу 0,05 Гр. Доза випромінювання в 3-10 Гр, отримана за короткий час, смертельна.
Електрони й атоми різних речовин по-різному взаємодіють з радіаційним випромінюванням. Поглинена доза випромінювання залежить від роду речовини, що опромінюється, і від виду джерела випромінювання, енергії його частинок. Крім цих причин, погли-
257
Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика
нена доза залежить від часу. Чим більший час випромінювання, тим більша доза поглинання.
^ Потужність поглиненої дози випромінювання — відношення збільшення поглиненої дози випромінювання за інтервал часу до тривалості цього інтервалу.
де D — доза поглиненого випромінювання, t — час випромінювання.
Розвиток дозиметрії визначався необхідністю захисту від впливу рентгенівського і γ-випромінювань природних радіоактивних речовин. Іонізація середовища під впливом цих випромінювань виявилася одним з фізичних ефектів, що був пов'язаний з біологічною дією випромінювання. Для оцінювання випромінювання в повітрі застосовують величину експозиційної дози. ^ Експозиційна доза — міра йонізації повітря, що дорівнює відношенню сумарного електричного заряду йонів одного знака, утвореного йонізуючим випромінюванням, до маси 1 кг повітря.
У СІ експозиційну дозу вимірюють у 1 Кл/кг. ^ 1 Кл/кг — експозиційна доза випромінювання, за якої сумарний заряд всіх іонів одного знака, що утворився в 1 кг повітря, дорівнює 1 Кл.
Іноді використовують позасистемну одиницю експозиційної дози — рентген (Р). Рентген розглядається як одиниця, що визначає іонізуючу здатність рентгенівського і гамма-випромінювань у 1 см3 повітря.
1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг.
3. Вплив радіації на живий організм
Вивчення впливу радіоактивного випромінювання на живі організми стає актуальною задачею сучасної цивілізації. Навіть порівняно слабке випромінювання, що при повному поглинанні підвищує температуру тіла на 0,001 °С, порушує життєдіяльність клітин.
За великої інтенсивності випромінювання живі організми гинуть. Небезпека випромінювання збільшується тим, що воно не викликає ніяких болісних відчуттів навіть при смертельних дозах.
Механізм дії, що уражає біологічні об'єкти, ще недостатньо вивчений. Але зрозуміло, що він зводиться до йонізації атомів і молекул, і це призводить до зміни їхньої хімічної активності. Найбільш чутливі до опромінення ядра клітин, особливо клітин, що швидко діляться. Тому в першу чергу випромінювання уражають кістковий мозок, через що порушується процес утворення крові. Далі настає ураження клітин травного тракту й інших органів.
4. Коефіцієнт якості іонізуючого випромінювання
За однієї й тієї ж дози поглиненого випромінювання різні види випромінювання викликають неоднаковий біологічний ефект. Біологічні ефекти, зумовлені будь-якими йонізуючими випромінюваннями, прийнято оцінювати порівняно з ефектом від рентгенівського й гамма-випромінювання. Наприклад, за однієї й тієї ж 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 — таким самим, як від γ-випромінювання.
У зв'язку з цим прийнято відмінності у біологічній дії різних видів випромінювання характеризувати коефіцієнтом якості К.
Коефіцієнт якості рентгенівського й гамма-випромінювання прийнято вважати рівним одиниці, а альфа-випромінювання — 20.
У зв'язку з тим, що за однієї і тієї ж дози поглинання різні випромінювання спричиняють різні біологічні ефекти, для оцінки цих ефектів була уведена величина, названа еквівалентною дозою випромінювання (DfJ.
^ Еквівалентна доза поглиненого випромінювання визначається як добуток дози поглиненого випромінювання на коефіцієнт якості.
De = K ■ D.
Оскільки коефіцієнт якості безрозмірна величина, то еквівалентна доза випромінювання виміряється в тих же одиницях, що
й поглинена. Але існує й спеціальна одиниця. У СІ одиниця еквівалентної дози — зиверт (1 Зв).
^ 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, за якої доза поглиненого γ-випромінювання дорівнює 1 Гр.
Величина еквівалентної дози визначає відносно безпечні й дуже небезпечні для живого організму дози опромінення.
Поглинена й еквівалентна дози залежать від часу опромінення. За інших рівних умов ці дози тим більше, чим більше час опромінення.
Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу
? Чим визначається активність того чи іншого радіоактивного ізотопу?
? Який вплив чинить випромінювання на речовину? ? Що характеризує доза поглиненого випромінювання? ? Які фактори слід враховувати під час оцінювання впливів іонізуючих випромінювань на живий організм? ? У чому причина негативного впливу радіації на живі організми?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Якісні питання
2. Навчаємося розв'язувати задачі
1. Після Чорнобильської аварії окремі ділянки електростанції мали радіоактивне забруднення з потужністю поглиненої дози 7,5 Гр/год. За який час перебування у небезпечній зоні людина
КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас»
могла одержати на цих ділянках смертельну експозиційну дозу в 5 Зв? Вважайте, що коефіцієнт якості радіаційного випромінювання дорівнює 1. 2. Під час роботи з радіоактивними препаратами лаборант піддається дії опромінення з потужністю поглиненої дози 0,02 мкГр/с. Яку дозу опромінення одержує лаборант протягом робочої зміни тривалістю 4 години?
Що ми дізналися на уроці
• 1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого випромінювання 1 Дж.
• Потужність поглиненої дози випромінювання — відношення збільшення поглиненої дози випромінювання за інтервал часу до тривалості цього інтервалу.
• Експозиційна доза — міра йонізації повітря, що дорівнює відношенню сумарного електричного заряду йонів одного знака, утвореного йонізуючим випромінюванням, до маси 1 кг повітря.
Домашнє завдання
Мета уроку: ознайомити учнів з біологічною дією радіоактивних випромінювань і правилами захисту від радіоактивних випромінювань.
Тип уроку: комбінований урок.ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Активність радіоактивної речовини
Радіоактивність — це дивне явище природи, відкрите Беккере-лем наприкінці XIX століття, суть якого полягає в мимовільному спонтанному перетворенні атомних ядер деяких елементів на інші, що супроводжується виділенням трьох видів «променів».
Елементи, здатні до таких перетворень, стали називатися радіоактивними, тобто здатними до цього перетворення. Наприкінці ХХ століття було рекомендовано термін «ізотоп» замінити на «нуклід» і, відповідно, «радіоактивний ізотоп» на «радіонуклід».
Кількісна характеристика радіоактивності одержала у фізиків назву «активність».
Основна фізична величина, що характеризує радіоактивне джерело,— це число розпадів, що відбуваються в ньому, за одиницю часу. Така величина була названа активністю. Активність тієї чи іншої речовини, наприклад, радіоактивного ізотопу, визначається кількістю атомів, що розпадаються за одиницю часу (скажімо, за одну секунду), отже, число радіоактивних части
нок, що випускаються речовиною, прямо пропорційно її активності.
^ Активністю α радіоактивного джерела називають фізичну величину, що характеризує кількість радіоактивних розпадів за одиницю часу.
Як одиницю активності в СІ обрано беккерель (Бк): активність у 1 Бк відповідає одному розпаду в секунду.
> 1 Бк — це активність такого джерела, у якому за 1 с відбувається 1 розпад (одне ядерне перетворення). У практичній дозиметрії й радіаційній фізиці частіше використовується інша одиниця — кюрі (позначається Кі). Кюрі в 37 мільярдів раз більше одного беккерель:
1 Кі = 3,7 · 1010 Бк. З чим пов'язаний такий, здавалося б, дивний і довільний вибір одиниці? Справа в тому, що саме таке число розпадів відбувається в одному грамі Радію-226 — історично першої речовини, у якій були вивчені закони радіоактивного розпаду. Оскільки активність одного грама чистого радію близька до 1 Кі, то її часто виражають у грамах. У цьому (і тільки в цьому) випадку одиниця маси речовини має одиничну активність.
Радіоактивний розпад — статистичний процес. Кожне радіоактивне ядро може розпастися в будь-який момент, і закономірність спостерігається тільки в середньому, у випадку розпаду досить великої кількості ядер.
Стала розпаду λ характеризує ймовірність розпаду ядра в одиницю часу. Вона являє собою відносне зменшення числа ядер, що піддаються розпаду за одиницю часу.
Активність певної радіоактивної речовини пов'язана зі сталою розпаду цієї речовини співвідношенням:
A = λΝ,
де N — кількість атомів радіоактивної речовини в цьому радіоактивному препараті.
Стала розпаду λ має розмірність с-1 і характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Величина τ = 1/λ називається середньою тривалістю життя радіоактивного ізотопу (середній час життя). Значення λ і τ не залежать від зовнішніх умов і визначаються лише властивостями атомного ядра.
КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас»
У фізиці й техніці часто використовують ще одну фізичну величину — питому активність радіоактивного джерела. Ця величина характеризує активність одиниці маси α /m і вимірюється Бк/кг.
2. Доза поглиненого випромінювання
Виявилося, що ступінь впливу йонізуючого випромінювання на речовину не піддається простому визначенню через складність і різноманітність процесів, що протікають при цьому. Важливим з того, що дає початок фізико-хімічним змінам у речовині, що опромінюється, і призводить до визначеного радіаційного ефекту, є поглинання енергії йонізуючого випромінювання речовиною. У результаті цього виникло поняття поглинена доза. ^ Доза поглиненого випромінювання — це фізична величина, що чисельно дорівнює енергії випромінювання, поглиненій одиницею маси речовини.
,де W — енергія йонізуючого випромінювання, переданого речовині, m — маса цієї речовини.
За одиницю виміру поглиненої дози в СІ прийнятий грей (Гр). ^ 1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, за якої
опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого
випромінювання 1 Дж.
Природне тло радіації (космічні промені, радіоактивність навколишнього середовища й людського тіла) складає за рік дозу випромінювання близько 2 · 10-3 Гр на людину. Міжнародна комісія з радіаційного захисту установила для осіб, що працюють з випромінюванням, гранично допустиму за рік дозу 0,05 Гр. Доза випромінювання в 3-10 Гр, отримана за короткий час, смертельна.
Електрони й атоми різних речовин по-різному взаємодіють з радіаційним випромінюванням. Поглинена доза випромінювання залежить від роду речовини, що опромінюється, і від виду джерела випромінювання, енергії його частинок. Крім цих причин, погли-
257
Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика
нена доза залежить від часу. Чим більший час випромінювання, тим більша доза поглинання.
^ Потужність поглиненої дози випромінювання — відношення збільшення поглиненої дози випромінювання за інтервал часу до тривалості цього інтервалу.
де D — доза поглиненого випромінювання, t — час випромінювання.
Розвиток дозиметрії визначався необхідністю захисту від впливу рентгенівського і γ-випромінювань природних радіоактивних речовин. Іонізація середовища під впливом цих випромінювань виявилася одним з фізичних ефектів, що був пов'язаний з біологічною дією випромінювання. Для оцінювання випромінювання в повітрі застосовують величину експозиційної дози. ^ Експозиційна доза — міра йонізації повітря, що дорівнює відношенню сумарного електричного заряду йонів одного знака, утвореного йонізуючим випромінюванням, до маси 1 кг повітря.
У СІ експозиційну дозу вимірюють у 1 Кл/кг. ^ 1 Кл/кг — експозиційна доза випромінювання, за якої сумарний заряд всіх іонів одного знака, що утворився в 1 кг повітря, дорівнює 1 Кл.
Іноді використовують позасистемну одиницю експозиційної дози — рентген (Р). Рентген розглядається як одиниця, що визначає іонізуючу здатність рентгенівського і гамма-випромінювань у 1 см3 повітря.
1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг.
3. Вплив радіації на живий організм
Вивчення впливу радіоактивного випромінювання на живі організми стає актуальною задачею сучасної цивілізації. Навіть порівняно слабке випромінювання, що при повному поглинанні підвищує температуру тіла на 0,001 °С, порушує життєдіяльність клітин.
За великої інтенсивності випромінювання живі організми гинуть. Небезпека випромінювання збільшується тим, що воно не викликає ніяких болісних відчуттів навіть при смертельних дозах.
Механізм дії, що уражає біологічні об'єкти, ще недостатньо вивчений. Але зрозуміло, що він зводиться до йонізації атомів і молекул, і це призводить до зміни їхньої хімічної активності. Найбільш чутливі до опромінення ядра клітин, особливо клітин, що швидко діляться. Тому в першу чергу випромінювання уражають кістковий мозок, через що порушується процес утворення крові. Далі настає ураження клітин травного тракту й інших органів.
4. Коефіцієнт якості іонізуючого випромінювання
За однієї й тієї ж дози поглиненого випромінювання різні види випромінювання викликають неоднаковий біологічний ефект. Біологічні ефекти, зумовлені будь-якими йонізуючими випромінюваннями, прийнято оцінювати порівняно з ефектом від рентгенівського й гамма-випромінювання. Наприклад, за однієї й тієї ж 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 — таким самим, як від γ-випромінювання.
У зв'язку з цим прийнято відмінності у біологічній дії різних видів випромінювання характеризувати коефіцієнтом якості К.
Коефіцієнт якості рентгенівського й гамма-випромінювання прийнято вважати рівним одиниці, а альфа-випромінювання — 20.
У зв'язку з тим, що за однієї і тієї ж дози поглинання різні випромінювання спричиняють різні біологічні ефекти, для оцінки цих ефектів була уведена величина, названа еквівалентною дозою випромінювання (DfJ.
^ Еквівалентна доза поглиненого випромінювання визначається як добуток дози поглиненого випромінювання на коефіцієнт якості.
De = K ■ D.
Оскільки коефіцієнт якості безрозмірна величина, то еквівалентна доза випромінювання виміряється в тих же одиницях, що
й поглинена. Але існує й спеціальна одиниця. У СІ одиниця еквівалентної дози — зиверт (1 Зв).
^ 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, за якої доза поглиненого γ-випромінювання дорівнює 1 Гр.
Величина еквівалентної дози визначає відносно безпечні й дуже небезпечні для живого організму дози опромінення.
Поглинена й еквівалентна дози залежать від часу опромінення. За інших рівних умов ці дози тим більше, чим більше час опромінення.
Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу
? Чим визначається активність того чи іншого радіоактивного ізотопу?
? Який вплив чинить випромінювання на речовину? ? Що характеризує доза поглиненого випромінювання? ? Які фактори слід враховувати під час оцінювання впливів іонізуючих випромінювань на живий організм? ? У чому причина негативного впливу радіації на живі організми?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Якісні питання
-
Який вид радіоактивного випромінювання найбільш небезпечний для опромінення людини: а) α-випромінювання; б) β-випромінювання; в) γ-випромінювання? -
У чому полягає уражаюча дія випромінювань на біологічні об'єкти? -
До яких наслідків може призвести опромінення людини радіоактивними променями? -
Що характеризує коефіцієнт якості? -
Як буде змінюватися природний радіоактивний фон по мірі піднімання у повітря на повітряній кулі?
2. Навчаємося розв'язувати задачі
1. Після Чорнобильської аварії окремі ділянки електростанції мали радіоактивне забруднення з потужністю поглиненої дози 7,5 Гр/год. За який час перебування у небезпечній зоні людина
КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас»
могла одержати на цих ділянках смертельну експозиційну дозу в 5 Зв? Вважайте, що коефіцієнт якості радіаційного випромінювання дорівнює 1. 2. Під час роботи з радіоактивними препаратами лаборант піддається дії опромінення з потужністю поглиненої дози 0,02 мкГр/с. Яку дозу опромінення одержує лаборант протягом робочої зміни тривалістю 4 години?
Що ми дізналися на уроці
-
Активністю α радіоактивного джерела називають фізичну величину, що характеризує кількість радіоактивних розпадів за одиницю часу. -
1 Бк — це активність такого джерела, у якому за 1 с відбувається 1 розпад (одне ядерне перетворення). -
Доза поглиненого випромінювання — це фізична величина, що чисельно дорівнює енергії випромінювання, поглиненої одиницею маси речовини.
• 1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого випромінювання 1 Дж.
• Потужність поглиненої дози випромінювання — відношення збільшення поглиненої дози випромінювання за інтервал часу до тривалості цього інтервалу.
• Експозиційна доза — міра йонізації повітря, що дорівнює відношенню сумарного електричного заряду йонів одного знака, утвореного йонізуючим випромінюванням, до маси 1 кг повітря.
-
1 Кл/кг — експозиційна доза випромінювання, за якої сумарний заряд всіх іонів одного знака, що утворився в 1 кг повітря, дорівнює 1 Кл.
-
Еквівалентна доза поглиненого випромінювання визначається як добуток дози поглиненого випромінювання на коефіцієнт якості. -
1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, за якої доза поглиненого γ-випромінювання дорівнює 1 Гр.
Домашнє завдання
-
Підр.: § 34. -
Зб.: