Биологическое действие радиации (Зарицкий А.Н.). Биологическое действие радиации закон радиоактивного распада радиация Источниками облучения являются

Биологическое действие радиации.

Закон радиоактивного распада

История изучения радиоактивности началась 1 марта 1896 года, когда известный французский ученый Анри Беккерель случайно обнаружил странность в излучении солей урана. Оказалось, что фотопластинки, расположенные в одном ящике с образцом, засвечены. К этому привело странное, обладающее высокой проникающей способностью излучение, которым обладал уран. Это свойство обнаружилось у самых тяжелых элементов, завершающих периодическую таблицу. Ему дали название "радиоактивность".

Источниками облучения являются

техногенно изменёенный естественный фон

естественный радиационный фон Земли

искусственный радиационный фон

В результате деятельности человека радиационный фон Земли изменился. Изменение его затрагивает не только профессиональные группы, но и население Земли в целом, поскольку повысились дозы облучения. Значение этого оста¨ется одной из наиболее сложных проблем радиобиологии.

Измерение дозы облучения проводят обычно с помощью дозиметров . Измеряют величину заряда, который пропорционален дозе облучения.

Смертельная доза облучения для человека начинается примерно с величины 6 Зв, а допустимая доза облучения за год составляет 1-5 мЗв.

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и различных искусственных источников излучения.

Источник излучения.

Доза, мбэр/год

Природный радиационный фон

Стройматериалы

Атомная энергетика

Медицинские исследования

Ядерные испытания

Полеты в самолетах

Бытовые предметы

Телевизоры и мониторы ЭВМ

Общая доза

Поглощенная доза излучения равна отношению поглощенной к телу энергии к его массе

D=E/m где D -поглощенная доза излучения

Е- поглощенная телом энергия

M - масса тела

В СИ единицей поглощением дозы излучения является грей (Гр)

Например:

D=E/m

D=25(Дж)/5(кг)=5(Гр)

Ответ:5Гр

В связи с тем, что при одной и той же поглощенной дозе разные излучения вызывают различные биологические эффекты, для оценки этих этих эффектов была введена величина, называемая эквивалентной дозой.

эквивалентная доза равно произведению поглощенной дозы на коэффициент качества

H=D*K зиверт(Зв)

При этом излучение сохраняется длительное время, значительно превышающее период полураспада. Значит, активные атомы сохраняются в образце независимо от излучения

Период полураспада - это величина, зависящая исключительно от свойств данного вещества. Значение величины определено для многих известных радиоактивных изотопов

Вообще, доля выживших частиц (или, точнее, вероятность выживания p для данной частицы) зависит от времени t следующим образом:

N-число радиоактивных атомов

T-период полураспада

Закон радиоактивного распада можно записать формулой

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

Ионизация - процесс образования ионов из нейтральных атомов и молекул.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

,

где - количество нераспавшихся атомов;

Начальное количество атомов;

t - прошедшее время;

T - период полураспада.

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

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

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

Найти: D - доза излучения.

Решение:

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

Формула количества теплоты, которое передалось воде при нагреве:

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

Приравняем эти два выражения (энергию и количество теплоты):

Отсюда получаем искомую формулу для вычисления дозы излучения:

Ответ:

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

Дано: ; ;

Коэффициент качества γ-излучения.

Найти: - мощность поглощённой дозы.

Решение:

Переводим данные в СИ:

Выразим из формулы эквивалентной дозы поглощённую дозу:

Подставим получившееся выражение в выражение мощности поглощённой дозы:

Ответ: .

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

Дано: - отношение начальной массы к оставшейся;

Найти: T .

Решение: Запишем закон полураспада:

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

Решим полученное уравнение:

Ответ: суток.

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

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

Рис. 3. Воздействие α-излучения Бета-излучение имеет гораздо большую проникающую способность (проникает в ткани организма на 1-2 см.). Защита от этого излучения затруднена. Для изоляции от β-излучения потребуется, например, пластинка из алюминия толщиной несколько миллиметров или пластинка из стекла (рис. 4).

Рис. 4. Воздействие β-излучения Наибольшей проникающей способностью обладает гамма-излучение. Его задерживают толстым слоем свинца или бетонными стенами толщиной в несколько метров, поэтому индивидуальные средства защиты для человека от такого излучения не предусмотрены (рис. 5).

Рис. 5. Воздействие γ-излучения

Домашнее задание

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

Радиация. Радиоактивностью называют неустойчивость ядер некоторых атомов, которая проявляется в их способности к самопроизвольному превращению (по научному - распаду), что сопровождается выходом ионизирующего излучения (радиации). Энергия такого излучения достаточно велика, поэтому она способна воздействовать на вещество, создавая новые ионы разных знаков. Вызывать радиацию с помощью химических реакций нельзя, это полностью физический процесс.

Различают несколько видов радиации: -Альфа-частицы - это относительно тяжелые частицы, заряженные положительно, представляют собой ядра гелия. -Бета-частицы - обычные электроны. -Гамма-излучение - имеет ту же природу, что и видимый свет, однако гораздо большую проникающую способность. -Нейтроны - это электрически нейтральные частицы, возникающие в основном рядом с работающим атомным реактором, доступ туда должен быть ограничен. -Рентгеновские лучи - похожи на гамма-излучение, но имеют меньшую энергию. Кстати, Солнце - один из естественных источников таких лучей, но защиту от солнечной радиации обеспечивает атмосфера Земли.

Наиболее опасно для человека Альфа, Бета и Гамма излучение, которое может привести к серьезным заболеваниям, генетическим нарушения и даже смерти. Дело в том, что А. , Б. и Г. частицы, проходя через вещество, ионизируют его, выбивая электроны из молекул и атомов. Чем больше энергии получает человек от действующего на него потока частиц и чем меньше при этом масса человека, тем к более серьезным нарушениям в его организме это приведет.

Величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу выражается как отношение энергии излучения, поглощённой в данном объёме, к массе вещества в этом объёме, называется поглощенной дозой. D = E/m Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Но для более точной оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы, равной произведению поглощенной дозы, созданной облучением и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на коэффициент качества. H=DK Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование з. Иверт (Зв).

Энергия, как мы уже знаем, является одним из факторов, определяющих степень отрицательного воздействия излучения на человека. Поэтому важно найти количественную зависимость (формулу), по которой можно было бы рассчитать, сколько радиоактивных атомов остается в веществе к любому заданному моменту времени. Для вывода этой зависимости необходимо знать, что скорость уменьшения количества радиоактивных ядер у разных веществ различна и зависит от физической величины, называемой периодом полураспада.

Известно, что радиоактивные излучения при определённых условиях могут представлять опасность для здоровья живых организмов. В чём причина негативного воздействия радиации на живые существа?

Дело в том, что α-, β- и γ-частицы, проходя через вещество, ионизируют его, выбивая электроны из молекул и атомов. Ионизация живой ткани нарушает жизнедеятельность клеток, из которых эта ткань состоит, что отрицательно сказывается на здоровье всего организма.

Чем больше энергии получает человек от действующего на него потока частиц и чем меньше при этом масса человека (т. е. чем большая энергия приходится на каждую единицу массы), тем к более серьёзным нарушениям в его организме это приведёт.

• Энергия ионизирующего излучения, поглощённая облучаемым веществом (в частности, тканями организма) и рассчитанная на единицу массы, называется поглощённой дозой излучения

Поглощённая доза излучения D равна отношению поглощённой телом энергии Е к его массе m:

В СИ единицей поглощённой дозы излучения является грэй (Гр).

Из этой формулы следует, что

1 Гр = 1 Дж / 1 кГ

Это означает, что поглощённая доза излучения будет равна 1 Гр, если веществу массой 1 кг передаётся энергия излучения в 1 Дж.

В определённых случаях (например, при облучении мягких тканей живых существ рентгеновским или γ-излучением) поглощённую дозу можно измерять в рентгенах (Р): 1 Гр соответствует приблизительно 100 Р.

Чем больше поглощённая доза излучения, тем больший вред (при прочих равных условиях) может нанести организму это излучение.

Но для достоверной оценки тяжести последствий, к которым может привести действие ионизирующих излучений, необходимо учитывать также, что при одинаковой поглощённой дозе разные виды излучений вызывают разные по величине биологические эффекты.

Биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, принято оценивать по сравнению с эффектом от рентгеновского или от γ-излучения. Например, при одной и той же поглощённой дозе биологический эффект от действия α-излучения будет в 20 раз больше, чем от γ-излучения, от действия быстрых нейтронов эффект может быть в 10 раз больше, чем от γ-излучения, от действия β-излучения - такой же, как от γ-излучения.

В связи с этим принято говорить, что коэффициент качества α-излучения равен 20, вышеупомянутых быстрых нейтронов - 10, при том что коэффициент качества γ-излучения (так же как рентгеновского и β-излучения) считается равным единице. Таким образом,

• коэффициент качества К показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия γ-излучения (при одинаковых поглощённых дозах)

Для оценки биологических эффектов была введена величина, называемая эквивалентной дозой .

Эквивалентная доза Н определяется как произведение поглощённой дозы D и коэффициента качества К:

Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощённая, однако для её измерения существуют и специальные единицы.

В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Применяются также дольные единицы: миллизиверт (мЗв), микрозиверт (мкЗв) и др.

Из этой формулы следует, что для рентгеновского, γ- и β-излучений (для которых К = 1) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр, а для всех остальных видов излучения - дозе в 1 Гр, умноженной на соответствующий данному излучению коэффициент качества.

При оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм учитывают и то, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в лёгких более вероятно, чем в щитовидной железе. Другими словами, каждый орган и ткань имеют определённый коэффициент радиационного риска (для лёгких, например, он равен 0,12, а для щитовидной железы - 0,03).

Поглощённая и эквивалентная дозы зависят и от времени облучения (т. е. от времени взаимодействия излучения со средой). При прочих равных условиях эти дозы тем больше, чем больше время облучения, т. е. дозы накапливаются со временем.

При оценке степени опасности, которую радиоактивные изотопы представляют для живых существ, важно учитывать и то, что число радиоактивных (т. е. ещё не распавшихся) атомов в веществе уменьшается с течением времени. При этом пропорционально уменьшается число радиоактивных распадов в единицу времени и излучаемая энергия.

Энергия, как вы уже знаете, является одним из факторов, определяющих степень отрицательного воздействия излучения на человека. Поэтому так важно найти количественную зависимость (т. е. формулу), по которой можно было бы рассчитать, сколько радиоактивных атомов остаётся в веществе к любому заданному моменту времени.

Для вывода этой зависимости необходимо знать, что скорость уменьшения количества радиоактивных ядер у разных веществ различна и зависит от физической величины, называемой периодом полураспада.

• Период полураспада Т - это промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое

Выведем зависимость числа N радиоактивных атомов от времени t и периода полураспада Т. Время будем отсчитывать от момента начала наблюдения t 0 = 0, когда число радиоактивных атомов в источнике излучения было равно N 0 . Тогда через промежуток времени

Формула называется законом радиоактивного распада. Её можно записать и в другом виде, например . Из последней формулы следует, что чем больше Т, тем меньше 2 t/T и тем больше N (при заданных значениях N 0 и t). Значит, чем больше период полураспада элемента, тем дольше он «живёт» и излучает, представляя опасность для живых организмов. В этом убеждают и представленные на рисунке 165 графики зависимости N от t, построенные для изотопов иода (Т I = 8 сут) и селена (T Se =120 сут).

Рис. 165. График зависимости числа радиоактивных атомов от времени для изотопов иода и селена

Следует знать способы защиты от радиации. Радиоактивные препараты ни в коем случае нельзя брать в руки - их берут специальными щипцами с длинными ручками.

Легче всего защититься от α-излучения, так как оно обладает низкой проникающей способностью и поэтому задерживается, например, листом бумаги, одеждой, кожей человека. В то же время α-частицы, попавшие внутрь организма (с пищей, воздухом, через открытые раны), представляют большую опасность.

β-Излучение имеет гораздо большую проникающую способность, поэтому от его воздействия труднее защититься. β-Излучение может проходить в воздухе расстояние до 5 м; оно способно проникать и в ткани организма (примерно на 1-2 см). Защитой от β-излучения может служить, например, слой алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Ещё большей проникающей способностью обладает γ-излучение, оно задерживается толстым слоем свинца или бетона. Поэтому γ-радиоактивные препараты хранят в толстостенных свинцовых контейнерах. По этой же причине в ядерных реакторах используют толстый бетонный слой, защищающий людей от γ-лучей и различных частиц (α-частиц, нейтронов, осколков деления ядер и пр.).

Вопросы

1. В чём причина негативного воздействия радиации на живые существа?
2. Что называется поглощённой дозой излучения? При большей или меньшей дозе излучение наносит организму больший вред, если все остальные условия одинаковы?
3. Одинаковый или различный по величине биологический эффект вызывают в живом организме разные виды ионизирующих излучений? Приведите примеры.
4. Что показывает коэффициент качества излучения? Какая величина называется эквивалентной дозой излучения?
5. Какой ещё фактор (помимо энергии, вида излучения и массы тела) следует учитывать при оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм?
6. Какой процент атомов радиоактивного вещества останется через 6 суток, если период его полураспада равен 2 суткам?
7. Расскажите о способах защиты от воздействия радиоактивных частиц и излучений.

Соглашение

Правила регистрации пользователей на сайте "ЗНАК КАЧЕСТВА":

Запрещается регистрация пользователей с никами подобными: 111111, 123456, йцукенб, lox и.т.п;

Запрещается повторно регистрироваться на сайте (создавать дубль-аккаунты);

Запрещается использовать чужие данные;

Запрещается использовать чужие e-mail адреса;

Правила поведения на сайте, форуме и в комментариях:

1.2. Публикация в анкете личных данных других пользователей.

1.3. Любые деструктивные действия по отношению к данному ресурсу (деструктивные скрипты, подбор паролей, нарушение системы безопасности и т.д.).

1.4. Использование в качестве никнейма нецензурных слов и выражений; выражений, нарушающие законы Российской Федерации, нормы этики и морали; слов и фраз, похожих на никнеймы администрации и модераторов.

4. Нарушения 2-й категории: Наказываются полным запретом на отправления любых видов сообщений сроком до 7 суток. 4.1.Размещение информации, подпадающей под действие Уголовного Кодекса РФ, Административного Кодекса РФ и противоречащей Конституции РФ.

4.2. Пропаганда в любой форме экстремизма, насилия, жестокости, фашизма, нацизма, терроризма, расизма; разжигание межнациональной, межрелигиозной и социальной розни.

4.3. Некорректное обсуждение работы и оскорбления в адрес авторов текстов и заметок, опубликованных на страницах "ЗНАК КАЧЕСТВА".

4.4. Угрозы в адрес участников форума.

4.5. Размещение заведомо ложной информации, клеветы и прочих сведений, порочащих честь и достоинство как пользователей, так и других людей.

4.6. Порнография в аватарах, сообщениях и цитатах, а также ссылки на порнографические изображения и ресурсы.

4.7. Открытое обсуждение действий администрации и модераторов.

4.8. Публичное обсуждение и оценка действующих правил в любой форме.

5.1. Мат и ненормативная лексика.

5.2. Провокации (личные выпады, личная дискредитация, формирование негативной эмоциональной реакции) и травля участников обсуждений (систематическое использование провокаций по отношению к одному или нескольким участникам).

5.3. Провоцирование пользователей на конфликт друг с другом.

5.4. Грубость и хамство по отношению к собеседникам.

5.5. Переход на личности и выяснение личных отношений на ветках форума.

5.6. Флуд (идентичные или бессодержательные сообщения).

5.7. Преднамеренное неправильное написание псевдонимов и имен других пользователей в оскорбительной форме.

5.8. Редактирование цитируемых сообщений, искажающее их смысл.

5.9. Публикация личной переписки без явно выраженного согласия собеседника.

5.11. Деструктивный троллинг - целенаправленное превращение обсуждения в перепалку.

6.1. Оверквотинг (избыточное цитирование) сообщений.

6.2. Использование шрифта красного цвета, предназначенного для корректировок и замечаний модераторов.

6.3. Продолжение обсуждения тем, закрытых модератором или администратором.

6.4. Создание тем, не несущих смыслового наполнения или являющихся провокационными по содержанию.

6.5. Создание заголовка темы или сообщения целиком или частично заглавными буквами или на иностранном языке. Исключение делается для заголовков постоянных тем и тем, открытых модераторами.

6.6. Создание подписи шрифтом большим, чем шрифт поста, и использование в подписи больше одного цвета палитры.

7. Санкции, применяемые к нарушителям Правил Форума

7.1. Временный или постоянный запрет на доступ к Форуму.

7.4. Удаление учетной записи.

7.5. Блокировка IP.

8. Примечания

8.1.Применение санкций модераторами и администрацией может производиться без объяснения причин.

8.2. В данные правила могут быть внесены изменения, о чем будет сообщено всем участникам сайта.

8.3. Пользователям запрещается использовать клонов в период времени, когда заблокирован основной ник. В данном случае клон блокируется бессрочно, а основной ник получит дополнительные сутки.

8.4 Сообщение, содержащее нецензурную лексику, может быть отредактировано модератором или администратором.

9. Администрация Администрация сайта "ЗНАК КАЧЕСТВА" оставляет за собой право удаления любых сообщений и тем без объяснения причин. Администрация сайта оставляет за собой право редактировать сообщения и профиль пользователя, если информация в них лишь частично нарушает правила форумов. Данные полномочия распространяются на модераторов и администраторов. Администрация сохраняет за собой право изменять или дополнять данные Правила по мере необходимости. Незнание правил не освобождает пользователя от ответственности за их нарушение. Администрация сайта не в состоянии проверять всю информацию, публикуемую пользователями. Все сообщения отображают лишь мнение автора и не могут быть использованы для оценки мнения всех участников форума в целом. Сообщения сотрудников сайта и модераторов являются выражением их личного мнения и могут не совпадать с мнением редакции и руководства сайта.