Применение ядерной энергии. Биологическое действие радиоактивных излучений

В ядерном реакторе осуществляются управляемые ядерные реакции с целью получения энергии. Ядерные реакторы делятся на несколько типов по своему назначению: существуют исследовательские реакторы, в которых происходит получение мощных пучков нейтронов для научных целей. Не менее важными, разумеется, являются энергетические реакторы – они предназначены для получения электрической энергии в промышленных масштабах. Также некоторые реакторы используются для нужд промышленности и теплофикации – их так и называют: теплофикационные. Поскольку ядерное топливо достаточно ценно, существуют специальные воспроизводящие ядерные реакторы, в которых из урана 238 и тория получают делящиеся материалы плутония и урана 233. Кроме того, ядерные реакторы используются в двигательных установках кораблей и подводных лодок. Такие реакторы называются транспортными. Наконец, существуют ядерные реакторы, целью которых является получение изотопов с искусственной радиоактивностью.

На сегодняшний день, ядерная энергетика весьма успешна. Бытует мнение о том, что атомные электростанции наносят огромный вред экологии. На самом деле, это мнение ничем не обосновано. Расчеты говорят о том, что атомные электростанции наносят значительно меньший вред, чем тепловые электростанции. У атомных электростанций есть радиоактивные выбросы, но эти радиоактивные нуклиды довольно быстро распадаются, превращаясь в нерадиоактивные. Если же говорить о тепловых электростанциях, то здесь дела обстоят значительно хуже. В угле всегда содержатся примеси радиоактивных элементов, которые выносятся с продуктами сгорания. Эти радионуклиды значительно более долгоживущие. Кроме того при работе ТЭС, даже после прохождения через систему очистки и фильтры, в атмосферу все равно выбрасывается сернистый ангидрид. В результате химических реакций, в атмосфере образуется раствор серной кислоты, в результате чего идут кислотные дожди, которые наносят непоправимый вред почве и растительности. Еще одно преимущество АЭС перед другими электростанциями – это то, что для их работы требуется сравнительно небольшое количество топлива. Кроме того, при строительстве АЭС нет нужды в огромных территориях, как при строительстве гидроэлектростанций. Но, разумеется, и у ядерной энергетики есть недостатки. В основном – это три ярко выраженные проблемы: содействие распространению ядерного оружия, которое, разумеется, не сулит ничего хорошего, утилизация радиоактивных отходов и, конечно, возможность аварий, которые сопровождаются критическими последствиями.

Именно о подобных последствиях будет идти речь, а точнее – о биологическом действии радиоактивных излучений. В первую очередь, мы должны обсудить такую величину, как поглощенная доза. Поглощенная доза – это отношение ионизирующей энергии, переданной веществу к массе этого вещества.

В системе СИ поглощенная доза измеряется в грэях (Гр).

Однако, до введения этой единицы была и другая единица измерения поглощенной дозы – рад.

Она равна приблизительно одной сотой грэя.

От названия этой единицы измерения пошло называние целого класса приборов, которые называются радиометрами.

Еще одна важная величина – это мощность излучения, то есть, поглощенная доза в единицу времени. Зная мощность излучения, можно будет вычислить поглощенную дозу при нахождении в радиоактивной зоне в течение того или иного времени.

Также, существует такая величина, как экспозиционная доза. Она характеризует ионизирующую способность излучения. При попадании радиоактивного излучения в вещество, в нем происходит ионизация. Конечно, ионизация атомов внутри живых организмов пагубно влияет на их здоровье. При попадании в клетку живого организма подобных частиц, происходят нарушения работы клетки. Итак, экспозиционная доза – это отношение суммарного заряда ионов одинакового знака, который образовался в некотором объеме вещества к массе этого объема.

Надо сказать, что экспозиционная доза в кулонах на килограмм используется мало. В основном используется внесистемная единица измерения, которая называется рентген (Р).

Но как всё-таки выразить биологический эффект облучения количественно? Для этого вводится еще одна величина, которая называется эквивалентной дозой. Конечно, разные виды излучения вызывают разные эффекты. Например, a-лучи дают эффект, напоминающий эффект ожога. Дело в том, что a-частицы не проходят в тело человека дальше, чем на несколько микрон. Что касается b-лучей, то они могут проникать на несколько сантиметров, поскольку они значительно меньше и обладают более высокой скоростью. g-излучение пронизывает человека насквозь. В связи с этим вводится такая величина, как коэффициент качества – это величина, характеризующая эффективность того или иного излучения. Эквивалентная доза определяется как произведение поглощенной дозы и коэффициента качества.

Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Условно принято считать, что коэффициент качества для g-излучения равен единице. Исходя из этого, были подсчитаны коэффициенты качества для других видов излучений. Для b-лучей, коэффициент качества также равен единице, а вот для a-лучей, коэффициент качества составляет 20. Для нейтронного излучения коэффициент качества может быть равен трем, семи или десяти (в зависимости от скорости нейтронов). Если вы обратили внимание, то коэффициент качества для быстрых нейтронов меньше, чем для средних. Дело в том, что быстрые нейтроны могут проскочить мимо атомов, не нанеся им никакого вреда.

Итак, в чем же состоит биологическое действие? Как вы знаете, значительную часть человеческого организма составляет вода. Именно на воду и действует радиоактивное излучение в первую очередь. В результате облучения образуются радикалы, которые воздействуют на клетку самым нежелательным образом (а именно – вызывают мутацию клеток). Хорошо известно, что внешнее излучение (пусть даже слабое) способно уже через несколько месяцев изменить состав крови. Но гораздо более опасное и вредное – это внутреннее излучение. Внутреннее излучение возникает, когда радиоактивные продукты распада попадают внутрь человека (чаще всего это бывает при вдыхании радиоактивной пыли, хотя в отдельных случаях, эти продукты могут попасть в человеческий организм вместе с пищей). В первую очередь, поражаются те органы, с помощью которых радиоактивные нуклиды и попали в организм. В дальнейшем эти нуклиды осаждаются в костях, в органах, продолжая испускать излучение, в результате вторичного распада. В качестве примеров таких вредных радионуклидов можно привести углерод 14, калий, стронций, барий, цезий, радий, торий и некоторые другие вещества. Именно внутреннее излучение и губит человека.

Радиационные эффекты делятся на два вида: соматические и генетические. К соматическим эффектам относятся лучевая болезнь, лучевые ожоги и возникновение лейкозы (то есть, заболевание лейкемией). Также к соматическим эффектам относятся раковые опухоли. К генетическим эффектам относятся генные мутации и хромосомные мутации. Эти эффекты проявляются в последующих поколениях – то есть у потомков человека, подвергшегося облучению.

Рассмотрим таблицу, в которой приведены поглощенные дозы и соответствующие последствия.

Как вы знаете, существует естественный радиационный фон, который, конечно, наносит небольшой вред, но никаких ярко выраженных последствий поглощения таких доз нет. Дозы до 1 Гр вызывают не очень значительные изменения и еще могут рассматриваться, как состояние предболезни. Однако, дозы свыше 1 Гр вызывают острую лучевую болезнь. Дозы более 3 Гр считаются критическими: получившие такую дозу требуют немедленного лечения. Дозы более 10 Гр являются 100 % смертельными.

Итак, как же защититься от подобных негативных влияний? В первую очередь, конечно, необходимо защитить дыхательные пути и поверхность кожи. Надо сказать, что от a-лучей можно защититься, даже нося плотную одежду. Для защиты от b-излучения уже требуется специальный костюм, который сделан из прорезиненного и просвинцованного материала. Дело в том, что свинец достаточно хорошо задерживает a- и b-частицы, а также ослабляет g-излучение. Но полностью защититься от g-излучения на сегодняшний день не представляется возможным, поскольку данное излучение обладает очень высокой проникающей способностью. Все укрепления и подземные бункеры, подготовленные на случай ядерной катастрофы сделаны, главным образом, для того, чтобы ослабить влияние g-лучей. В них используются материалы с высоким коэффициентом поглощения – толстые слои бетона и свинца.

Как вы знаете, существуют естественные и искусственные источники радиоактивного излучения. Надо сказать, что 75% радиационного фона привносят естественные источники радиации. Частично – это космическое излучение, которому подвергается Земля (в частности от Солнца). Но, главный вклад вносят радиоактивные элементы, которые существуют на нашей планете с момента её образования. Защититься от этих источников нет никакой возможности, но, к счастью, естественный радиационный фон довольно слаб. Искусственные источники радиации – это, в основном, атомные электростанции и испытания атомного и ядерного оружия.

Основные выводы:

– Поглощенная доза – это величина, равная отношению энергии ионизирующего излучения, поглощенной облучаемым веществом, к массе этого вещества.

– Экспозиционная доза – это величина, равная отношению суммарного заряда ионов одинакового знака, который образовался в некотором объеме вещества к массе этого объема.

– Эквивалентная доза – это величина, определяющая воздействие излучения на организм, и равная произведению поглощенной дозы на коэффициент качества.

– Коэффициент качества показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия γ-излучения.

 

Тест

Вопрос 1

Переведите с древнегреческого слово атом.

Варианты ответов

1. Маленький

2. Простой

3. Неделимый

4. Твердый

Вопрос 2

Кто открыл явление радиоактивности?

Вопрос 3

Подпишите вид излучения к его описанию

Варианты ответов

1. поток тяжёлых положительно заряженных частиц

2. поток отрицательно заряженных частиц

3. поток нейтральных частиц

4. поток лёгких положительно заряженных частиц

Вопрос 4

... обладает наименьшей проникающей способностью.
... задерживается слоем цинка, толщиной несколько миллиметров.
... обладает наибольшей проникающей способностью.

Варианты ответов

1. α-излучение

2. β-излучение

3. γ-излучение

Вопрос 5

При а-распаде массовое число ядра

Варианты ответов

1. уменьшается на 2 единицы

2. уменьшается на 4 единицы

3. увеличивается на 2 единицы

4. увеличивается на 4 единицы

Вопрос 6

При b^--распаде ядра его зарядовое число

Варианты ответов

1. увеличивается на 1 единицу

2. уменьшается на 1 единицу

3. не изменяется

4. увеличивается на 2 единицы

Вопрос 7

Если в первой искусственной ядерной реакции массы участвующих частиц известны: масса атома азота 14,003074 а. е. м., кислорода 16,99139 а. е. м., гелия 4,002603 а. е. м., водорода 1,007825 а. е. м., то чему равен энергетический выход реакции (в МэВ)? Ответ округлите до сотых.

Вопрос 8

Подпишите учёного к изученному им виду радиоактивности.

Варианты ответов

1. γ-излучение

2. Электронный захват

3. β⁺-распад

4. β^--распад

5. α-распад

Вопрос 9

Кто из учёных сформулировал правило смещения при радиоактивных превращениях?

Варианты ответов

1. К. Фаянс

2. Фр. Содди

3. Э. Резерфорд

4. И. Жолио-Кюри

5. Д. Иваненко

Вопрос 10

Фундаментальная электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона.

Источник:

1. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Урок 44. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/47-stroieniie-atomnogho-iadra-iadiernyie-sily.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).

2. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции. Цепная реакция деления. Урок 53. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/53-iskusstvennaya-radioaktivnost-yadernye-reakcii-cepnaya-reakciya-deleniya.html

2.– Видеоуроки– (Дата обращения: 17.05.2020).

3. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Урок 50. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/50-radioaktivnost-vidy-radioaktivnogo-izlucheniya.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 17.05.2020).

4. Применение ядерной энергии. Биологическое действие радиоактивных излучений. Урок 48. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/51-primienieniie-iadiernoi-enierghii-biologhichieskoie-dieistviie-radioaktivnykh-izluchienii.html

4.– Видеоуроки– (Дата обращения: 17.05.2020).

 

Домашнее задание:

1. Изучите темы: «Строение атомного ядра. Ядерные силы. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции. Цепная реакция деления. Применение ядерной энергии. Биологическое действие радиоактивных излучений».

2. Выполните тест письменно в тетради.

Срок сдачи: 09.06.2020

Адрес электронной почты, на который выслать выполненное задание: [email protected]

Критерии оценивания:

Оценка «5» ставится за работу, выполненную без ошибок и недочетов или имеющую не более одного недочета. Оценка «4» ставится за работу, выполненную полностью, но при наличии в ней: а) не более одной негрубой ошибки и одного недочета, б) или не более двух недочетов. Оценка «3» ставится в том случае, если ученик правильно выполнил не менее половины работы или допустил: а) не более двух грубых ошибок, б) или не более одной грубой ошибки и одного недочета, в) или не более двух-трех негрубых ошибок, г) или одной негрубой ошибки и трех недочетов, д) или при отсутствии ошибок, но при наличии 4-5 недочетов. Оценка «2» ставится, когда число ошибок и недочетов превосходит норму, при которой может быть выставлена оценка «3», или если правильно выполнено менее половины работы.