Урок 55. Физика 9 класс
В настоящее время известно, что радиоактивные излучения при определенных условиях могут представлять опасность для здоровья живых организмов. На этом уроке мы разберемся, от каких факторов зависит степень и характер отрицательного воздействия радиации. Познакомимся с такими понятиями, как поглощенная и эквивалентная дозы излучения, период полураспада. Выведем закон радиоактивного распада. Рассмотрим принцип действия простейшего дозиметра.
Конспект урока "Дозиметрия. Период полураспада. Закон радиоактивного распада"
В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают лучи. Открытое им явление было названо радиоактивностью.
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: a-, b- и g-излучения. Такие названия излучения получили по первым буквам греческого алфавита.
Известно, что 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 Гр (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 a-излучения будет в 20 раз больше, чем от g-излучения, от действия быстрых нейтронов эффект может быть в 10 раз больше, чем от g-излучения, от действия b-излучения — такой же, как от g-излучения.
В связи с этим принято говорить, что коэффициент качества a-излучения равен 20, вышеупомянутых быстрых нейтронов — 10, при том, что коэффициент качества g-излучения (так же, как рентгеновского и b-излучения) считается равным 1.
Таким образом, коэффициент качества показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия g-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 Зв (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, b- и g-излучений составляет около 10 Гр в год. Для тепловых нейтронов эта доза в 5 раз ниже, а для быстрых нейтронов, протонов и a-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 известно, 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 N 0.
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
Поскольку n можно выразить через промежуток времени и период полураспада, то 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 Бк (беккерель) — это активность радиоактивного препарата, в котором происходит распад одного ядра за одну секунду.
Внесистемная единица активности — Ки (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.