Биологическое действие радиации закон радиоактивного распада презентация. Закон радиоактивного распада. Биологическое действие радиоактивных излучений. Источниками облучения являются
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
- В чём причина негативного воздействия радиации на живые существа?
- Что называется поглощённой дозой излучения? При большей или меньшей дозе излучение наносит организму больший вред, если все остальные условия одинаковы?
- Одинаковый или различный по величине биологический эффект вызывают в живом организме разные виды ионизирующих излучений? Приведите примеры.
- Что показывает коэффициент качества излучения? Какая величина называется эквивалентной дозой излучения?
- Какой ещё фактор (помимо энергии, вида излучения и массы тела) следует учитывать при оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм?
- Какой процент атомов радиоактивного вещества останется через 6 суток, если период его полураспада равен 2 суткам?
- Расскажите о способах защиты от воздействия радиоактивных частиц и излучений.
Закон радиоактивного распада -- физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада отвремени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение», сформулировав следующим образом :
Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод:
Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:
которое означает, что число распадов?dN , произошедшее за короткий интервал времени dt , пропорционально числу атомов N в образце.
В указанном выше математическом выражении -- постоянная распада , которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с?1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.
Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:
где -- начальное число атомов, то есть число атомов для
Таким образом, число радиоактивных атомов уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Скорость распада, то есть число распадов в единицу времени
также падает экспоненциально. Дифференцируя выражение для зависимости числа атомов от времени, получим:
где -- скорость распада в начальный момент времени
Таким образом, зависимость от времени числа нераспавшихся радиоактивных атомов и скорости распада описывается одной и той же постоянной.
Кроме константы распада радиоактивный распад характеризуют ещё двумя производными от неё константами, рассмотренными ниже.
Среднее время жизни
Из закона радиоактивного распада можно получить выражение для среднего времени жизни радиоактивного атома. Число атомов, в момент времени претерпевших распад в пределах интервала равно их время жизни равно Среднее время жизни получаем интегрированием по всему периоду распада:
Подставляя эту величину в экспоненциальные временные зависимости для и легко видеть, что за время число радиоактивных атомов и активность образца (количество распадов в секунду) уменьшаются в e раз.
Период полураспада
На практике получила большее распространение другая временная характеристика -- период полураспада равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза.Связь этой величины с постоянной распада можно вывести из соотношения
Исследования биологического действия радиоактивных излучений были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 русский физиолог И.Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования биологического действия радиоактивных излучений с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии. Для биологического действия радиоактивных излучений характерен ряд общих закономерностей:
- 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего, животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить "несоответствие" количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки -- "мишень".
- 2) Биологическое действие радиоактивных излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит?еред человечеством вопросы изучения биологического действия радиоактивных излучений и защиты организма от излучений.
- 3) Для биологического действия радиоактивных излучений характерен скрытый (латентный) ?ериод, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного?ериода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад ) можно вызвать "смерть под лучом", длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.
Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 суток после облучения (летальная доза -- ЛД 50/30) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550--650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000--20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы -- 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.
Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы -- на несколько мм ), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для биологического действия радиоактивных излучений испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма. Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы?ерекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10-9 г ) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из кото?ы? в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе биологического действия радиоактивных излучений, т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли секунды. Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Т. о., в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления -- митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными?ерестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000--20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки. Сравнительное изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тыс. раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в?ериод деления и дифференцировки: при облучении поражаются, прежде всего, растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей -- растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.
Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в кото?ы? отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в?ериферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при?ересадке органов и тканей -- ?еред о?ерацией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Биологическое действие радиоактивных излучений обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 1000 р часто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания. Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реа???ует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5--20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.
Для биологического действия радиоактивных излучений характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы?ечени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей. Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации). Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений -- прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (20 000--40 000 р ) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной сте?ени связаны с изменениями обмена веществ и появлением?ервичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших -- подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50--70%. Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. В связи с этим облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения -- космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей. Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают фон радиоактивный. Это делает изучение биологического действия радиоактивных излучений и поиски защитных средств всё более важными.
Биологическим действием радиоактивных излучений пользуются в биологических исследованиях, в медицинской и с.-х. практике. На биологическом действии радиоактивных излучений основаны лучевая терапия, рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия. В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др. Индивидуальная чувствительность человека зависит от множества факторов; в?ервую очередь -- от возраста. Сформировавшийся организм более устойчив к действию радиации, чем формирующийся (детский, юношеский). При остром лучевом поражении, которое вызывается общим облучением организма в больших дозах (наблюдается при ядерных взрывах и в случае аварий на ядерных установках), биологические эффекты радиации -- гибель или различные формы лучевой болезни -- проявляются в течение нескольких часов или дней после облучения. При дозах, превышающих 100 Зв (Зиверт -- единица эквивалентной дозы в системе СИ. 1 Зв соответствует поглощенной дозе 1 Дж/кг гамма-излучения), наступает мгновенная гибель (?ервые часы) из-за необратимого повреждения нервных клеток (церебральный синдром). Дозы 50--100 Зв приводят к смертельному исходу на 5--6-е сутки после облучения. Кишечная форма лучевого поражения (желудочно-кишечный синдром) наблюдается в диапазоне 10--50 Зв и приводит к гибели на 10--14-й день. Типичная форма лучевой болезни развивается при дозе 1--10 Зв. Причем, если не принять медицинских мер, доза 3--5 Зв приводит к смерти 50% облученных людей в течение 30 дней. Облученных больных помещают в стерильные условия, делают?ереливание крови, для восстановления системы кроветворения выполняют?ересадку костного мозга. Все это сопровождается введением общеукрепляющих и противовоспалительных средств. Типичными отдаленными последствиями?еренесенной лучевой болезни являются астения (повышенная утомляемость), катаракта, повышенная восприимчивость к инфекционным заболеваниям за счет снижение иммунитета. Радиоактивное облучение достоверно повышает риск возникновения рака, генетических повреждений и сокращает продолжительность жизни. Первую позицию в груп?е раковых заболеваний, вызванных облучением, занимают лейкозы, пик кото?ы?, в зависимости от возраста, приходится на?ериод от 5 до 25 лет после облучения. Несколько позже возникают рак молочной и щитовидной железы, легких и других органов. Риск генетических повреждений в?ервых двух поколениях, по оценкам с?ециалистов, составляет около 40% от риска заболевания раком.
Проблема влияния на организм человека облучения «малыми дозами» особо остро встала?еред с?ециалистами после аварии на ЧАЭС. Для ее решения требуется постоянное повсеместное обследование населения, наблюдение за состоянием здоровья участников ликвидации последствий аварии и людей, проживающих на загрязненных территориях. Уже на сегодняшний день отмечается рост случаев рака щитовидной железы, возрастание числа анемий, сердечных и других заболеваний, связанных с ослаблением иммунитета. Естественное излучение является обычной составной частью биосферы, абиотическим фактором, непрерывно действующим на организмы и образующим природный радиоактивный фон, который формируется за счет космического излучения и излучения радионуклидов, находящихся во внешней среде и внутри живых организмов. Искусственные источники излучения появляются в результате деятельности человека. Биологический эффект радиации определяется дозовой нагрузкой и может наблюдаться на всех уровнях организации живых систем. Индивидуальная чувствительность человека к радиоактивному облучению зависит от возраста, психоэмоционального состояния и т.д. Лучевое поражение в зависимости от дозы может привести к гибели, различным формам лучевой болезни, астении, катаракте, снижению иммунитета, сокращению продолжительности жизни, возрастанию риска появления рака, генетических повреждений.
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
Урок 64. Биологическое действие радиации. Закон радиоактивного распада (Федосова О.А.)
Текст урока
Конспект
Название предмета - физика Класс - 9 УМК (название учебника, автор, год издания) - Физика. 9 кл.: учебник/ А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - М.: Дрофа, 2014. Уровень обучения (базовый, углубленный, профильный) - базовый Тема урока - Биологическое действие радиации. Закон радиоактивного распада. Общее количество часов, отведенное на изучение темы - 1 Место урока в системе уроков по теме - 64/11 Цель урока – познакомить учащихся с последними научными данными о радиации, и ее воздействии на биологические объекты. Задачи урока – Сформировать у учащихся знания о радиоактивности. Оценить положительные и отрицательные проявления этого открытия в современном обществе, расширить кругозор учащихся. Сформировать мировоззренческие идеи, связанные с использованием радиоактивности, Развивать устную речь обучающихся через организацию диалогического общения на уроке, формировать умение выражать свои мысли в грамматически правильной форме. Формировать положительную мотивацию к учебе и повышение интереса к знаниям. Планируемые результаты - Объяснять физический смысл радиоактивности. Техническое обеспечение урока - компьютер, мультимедийный проектор, периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева. Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока (возможны ссылки на интернет-ресурсы) – презентация к уроку с диска «Физика 9 класс» от VIDEOUROKI.NET https://videouroki.net/look/diski/fizika9/index.html Содержание урока 1. Организационный этап Взаимное приветствие учителя и обучающихся; проверка отсутствующих по журналу. 2. Актуализация субъектного опыта обучающихся Повторить основные понятия по теме «Открытие радиоактивности»: радиоактивность; состав радиоактивного излучения; α-излучение; β-излучение; γ-излучение. Назвать имена ученых, которые имеют отношение к теме урока (и почему?). 3. Изучение новых знаний и способов деятельности (работа со слайдами презентации) В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают лучи. Открытое им явление было названо радиоактивностью. Напомним, что радиоактивность - это явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием частиц, обладающих большой проникающей способностью. Резерфордом и другими исследователями было экспериментально доказано, что радиоактивное излучение можно разделить на три вида: альфа-, бета- и гама-излучения. Такие названия излучения получили по первым буквам греческого алфавита. Как мы с вами уже знаем, радиоактивные излучения вызывают ионизацию атомов и молекул вещества, поэтому их часто называют ионизирующими излучениями. В настоящее время известно, что радиоактивные излучения при определенных условиях могут представлять опасность для здоровья живых организмов. Механизм биологического действия радиоактивных излучений сложен. Его основу составляют процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в живых тканях, происходящие при поглощении ими ионизирующих излучений. Степень и характер отрицательного воздействия радиации зависят от нескольких факторов, в частности, от того, какая энергия передана потоком ионизирующих частиц данному телу и какова масса этого тела. 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 серьезным нарушениям в его организме это приведет. Поглощенной дозой излучения называют величину, равную отношению энергии ионизирующего излучения, поглощенной облучаемым веществом, к массе этого вещества. В СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй. 1 грей равен поглощенной дозе излучения, при которой облучаемому веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемная единица поглощенной дозы излучения - радиан. Для измерения поглощенной дозы используются специальные приборы - дозИметры. Наибольшее распространение имеют дозИметры, в которых датчиками являются ионизационные камеры. В некоторых дозиметрах в качестве датчиков используют счетчики частиц, фотопленку или сцинтилляторы. Известно, что чем больше поглощенная 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 поглощенной 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 гама-излучения. Например, при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект от действия альфа-излучения будет в 20 раз больше, чем от гама-излучения, от действия быстрых нейтронов эффект может быть в 10 раз больше, чем от гама-излучения, от действия бета-излучения - такой же, как от гама-излучения. В связи с этим принято говорить, что коэффициент качества альфа-излучения равен 20, вышеупомянутых быстрых нейтронов - 10, при том, что коэффициент качества гамма-излучения (так же, как рентгеновского и бета-излучения) считается равным единице. Таким образом, коэффициент качества показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия гама-излучения (при одинаковых поглощенных дозах). В связи с тем, что при одной и той же поглощенной дозе разные излучения вызывают различные биологические эффекты, для оценки этих эффектов была введена величина, называемая эквивалентной дозой излучения. Эквивалентная доза излучения - это величина, определяющая воздействие излучения на организм, и равная произведение поглощенной дозы на коэффициент качества. Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощенная, однако для ее измерения существуют и специальные единицы. В Международной системе единиц единицей эквивалентной дозы служит зИверт. Применяются также дольные единицы, такие как миллизиверт, микрозиверт и др. Внесистемной единицей измерения служит БЭР (биологический эквивалент рентгена). 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 легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Другими словами, каждый орган и ткань имеют определенный коэффициент радиационного риска (для легких, например, он равен 0,12, а для щитовидной железы - 0,03). Предельно допустимой дозой облучения считается такая поглощенная доза, которая по порядку величины совпадает с естественным радиоактивным фоном, существующим на Земле и обусловленным в основном космическим излучением и радиоактивностью земли. С этой точки зрения, предельно допустимая доза для человека в диапазоне рентгеновского, бета- и гама-излучений составляет около 10 Гр в год. Для тепловых нейтронов эта доза в 5 раз ниже, а для быстрых нейтронов, протонов и альфа-частиц в 10 раз ниже. Международной комиссией по радиационной защите для людей, постоянно работающих с источниками радиоактивных излучений, установлена предельно допустимая доза не более одной тысячной грея в неделю, т.е. около 0,05 Гр в год. Доза свыше 3 - 6 Грей, полученная за короткое время, для человека смертельна. Поглощенная 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. еще не распавшихся) атомов в веществе уменьшается с течением времени. При этом пропорционально уменьшается число радиоактивных распадов в единицу времени и излучаемая энергия. Энергия, как мы уже знаем, 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 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. Период полураспада - это промежуток времени, в течении которого распадается половина первоначального количества ядер. Выведем зависимость числа радиоактивных атомов от времени и периода полураспада. Время будем отсчитывать от момента начала наблюдения, когда число радиоактивных атомов в источнике излучения было равно ЭН НУЛЕВОЕ. Тогда через промежуток времени, равный периоду полураспада, число не распавшихся ядер уменьшится вдвое. Спустя еще такой же промежуток времени, число нераспавшихся ядер еще раз уменьшится вдвое, а, по сравнению с первоначальным количеством - вчетверо раз. По истечении времени ТЭ равным ЭН МАЛЕНЬКОЕ УМНОЖЕННОЕ НА ТЭ БОЛЬШОЕ радиоактивных ядер останется: ЭН РАВНО ЭН НУЛЕВОЕ ДЕЛЕННОЕ НА ДВА В СТЕПЕНИ ЭН МАЛЕНЬКОЕ. получим формулу, которая является аналитическим выражением закона радиоактивного распада, установленного Фредериком Содди: Зная закон радиоактивного распада, можно определить число распавшихся ядер за любой промежуток времени. Из закона радиоактивного распада следует, что чем больше период полураспада элемента, тем дольше он «живет» и излучает, представляя опасность для живых организмов. В этом со всей наглядностью убеждают представленные на рисунке графики зависимости числа оставшихся ядер от времени, построенные для изотопов йода и селена. Для количественной характеристики числа распадов в единицу времени вводится физическая величина, называемая активностью радиоактивного элемента. В системе СИ единицей активности является беккерель - это активность радиоактивного препарата, в котором происходит распад одного ядра за одну секунду. Внесистемная единица активности - кюри. Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки или ряда радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным изотопом. Совокупность ядер, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. Известны три радиоактивных семейства: семейство урана-238, семейство тория и семейство актиния. Все семейства заканчиваются стабильными изотопами свинца. 4. Закрепление материала Что такое доза излучения? Чему равен естественный фон радиации? Чему равна предельно допустимая за год доза излучения для лиц, работающих с радиоактивными препаратами? Что поражается радиоактивными излучениями в первую очередь? Где мы получаем радиоактивные излучения? 5. Обобщение и систематизация Различные виды излучения имеют различную проникающую способность и по-разному воздействуют на человека. Лист бумаги толщиной 0,1мм полностью поглощает α-лучи. А от β-лучей защитит лист алюминия толщиной 5 мм. Труднее всего защититься от γ-лучей, так как даже сантиметровый слой свинца в состоянии только в два раза уменьшить интенсивность этих электромагнитных волн. Существуют следующие способы защиты от радиации: 1) удаление от источника излучения; 2) использование преграды из поглощающих излучение материалов. Физическое воздействие рентгеновского радиоактивного излучения заключается в ионизации атомов вещества. Образовавшиеся при этом свободные электроны и положительные ионы принимают участие в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, в том числе и свободные радикалы. Эти свободные радикалы через цепочку реакций, еще до конца не изученных, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки. Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к раку. Лучевая болезнь может развиться как от увеличения внешнего, так и от увеличения внутреннего облучения. На стадии развития эмбриона облучение не убивает зародыша, но является причиной рождения уродов. Причем доза облучения, безопасная для организма матери, способна вызвать у эмбриона поражение мозга. Сегодня допустимой и безопасной считается доза поглощенного излучения до 5 мЗв в год. А допустимым разовым облучением считается доза аварийного облучения 100 мЗв. Разовое облучение 750 мЗв вызывает лучевую болезнь. А разовое облучение 4,5 Зв вызывает тяжелую степень лучевой болезни, при которой погибает 50 % облученных. 6. Домашнее задание §61
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.
