Исследовательская работа "Радиоактивность. Что это и с чем ее едят"

Городская конференция обучающихся муниципальных

образовательных учреждений «Шаги в науку»

Научное направление «Естествознание»

«Радиоактивность. Что это и с чем ее едят?»

Лекомцева Марина Михайловна,

11 «1» класс, БОУ «СОШ №17»

Руководитель:

Васина Лариса Валерьевна,

Учитель физики, БОУ «СОШ №17»

        Омск, 2011

Оглавление

Введение                                                                                                                                    3

Глава 1. Радиоактивность                                                                                                 5

1.1. Что такое радиоактивность?                                                                              5

1.2. Радиоактивные изотопы в природе                                                                   6

1.3. Биологическое влияние малых доз излучения на человека                            7

1.4.Прибор, способный регистрировать и измерять поток ионизирующих излучений                    

Глава 2. Радиационный мониторинг.                                                                            11

1.1. Оценка уровня радиационной безопасности.                                                11

1.2. Определение уровня радиационной загрязненности продуктов питания. 13

Заключение                                                                                                                              14

Список использованной литературы                                                                                    15

Введение

В природе явление радиоактивности распространено довольно широко — больше половины элементов системы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Они встречаются повсюду — в воде, воздухе, почве, в тканях растений и животных, в продуктах питания и в человеческом организме, куда поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Из космоса на поверхность Земли падают радиоактивные осадки (1,7%). Да и сам человек осваивает атомную энергетику, создает искусственную радиацию.

Совсем недавно ученые поняли, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон, который тоже принадлежит радиоактивному семейству урана. Он образуется в результате альфа-распада радия-226. Поскольку радий содержится практически во всех почвах, повсюду из почвы в атмосферу выделяется радон.

Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации. Радиоактивный радон и продукты его распада попадают в организм человека при дыхании, значит облучение радоном внутреннее, что наиболее опасно. Концентрация радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, в подвалах и в нижних этажах зданий.

Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить не только малые, но и опасные для него дозы радиоактивного излучения, важно изучать явление радиоактивности, уметь его регистрировать – это послужило основанием для актуальности нашего исследования.

Объектом исследования являются различные помещения, а также продукты питания.

Предметом исследования – уровень радиационного фона помещения, продуктов питания.

Цель исследования – измерить и сравнить уровень радиационного фона помещений и радиоактивной загрязненности продуктов питания.

Были поставлены следующие задачи:

1. узнать что такое радиоактивность;
2. рассмотреть радиоактивные изотопы в природе;
3. выяснить биологическое влияние малых доз излучения на человека;
4. рассмотреть прибор, который способен регистрировать и измерять поток ионизирующих излучений;
5. измерить уровень радиационного фона помещений, а также радиационного загрязнения продуктов питания.

Практическая значимость исследования состоит в том, что предложенный в работе радиационный мониторинг позволяет измерить уровень радиационного фона помещений и продуктов питания и выявить менее радиационные из них.

Работа проводилась на базе БОУ «Средняя общеобразовательная школа №17».

Глава 1. Радиоактивность.

Задачами 1 главы являются узнать про радиоактивность и радиоактивные изотопы в природе, а также рассмотреть влияние излучений на человека и познакомится с прибором, который предназначен для их регистрации и измерения.

1.1. Что такое радиоактивность?

В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их минералом, содержащим уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы излучения, происхождение которого он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась молодой польский химик Мария Кюри. Она и ввела термин «радиоактивность».

Радиоактивность (от латинских radius — луч и activus — действенный) — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений (радиацией). В природе наиболее часто встречаются два типа радиоактивных превращений — альфа-распад и бета-распад. При альфа-распаде из радиоактивного ядра выбрасывается альфа-частица (ядро атома изотопа 4Не). При бета-распаде из атомного ядра выбрасывается электрон и антинейтрино (электронный бета-распад) или позитрон и нейтрино (позитронный бета-распад).

Если атомное ядро после распада оказывается в возбужденном состоянии, оно очень быстро переходит в основное состояние. При этом самопроизвольном переходе испускается квант электромагнитного излучения, называемый гамма-квантом.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

1.2. Радиоактивные изотопы в природе.

 Явление радиоактивности в природе далеко не так редко и исключительно, как это обычно принято считать. Больше половины элементов таблицы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Если все радиоактивные ядра сами собой распадаются, то возникают вопросы: почему же на Земле, возраст которой не менее 4—5 млрд. лет, до сих пор встречаются радиоактивные изотопы? Почему все радиоактивные ядра давно не распались?

При поисках ответов на эти вопросы среди всех радиоактивных элементов заслуживают особого внимания уран и торий. Содержание их в земной коре составляет соответственно около 2,6*104% и 1,2*103%. Йода, олова, свинца, кобальта в земной коре столько же, а ртути, висмута, серебра даже меньше. Знакомство с характеристиками радиоактивных изотопов этих элементов очень просто объясняет загадку их существования: период полураспада радиоактивного изотопа урана  238U равен 4,5 млрд. лет, а изотопа тория 232Th — 14 млрд. лет. Неудивительно, что за время существования Земли эти изотопы распались лишь частично..

Но в природе встречаются радиоактивные изотопы со значительно более короткими периодами полураспада. Так, период полураспада радия 226Ra около 1600 лет, радона 222Rn — 3,82 дня, а полония 218Ро всего лишь 3 мин. И все же эти изотопы можно обнаружить и сегодня, и завтра; и через 50 лет их будет примерно такое же количество. Для ответа на эту загадку придется подробнее познакомиться с тем, что происходит при радиоактивных распадах ядер урана и тория.

Продукты распада урана и тория не являются стабильными изотопами. Они, в свою очередь, испытывают радиоактивный распад, распадаются продукты их распада и т. д. Цепь радиоактивных превращений включает до 14—15 звеньев. Конечными продуктами радиоактивных превращений урана и тория являются стабильные изотопы свинца. Вся совокупность радиоактивных изотопов, возникающих в результате радиоактивных превращений урана, называется радиоактивным семейством урана. Торий и продукты его радиоактивных превращений образуют радиоактивное семейство тория. Убыль ядер этих изотопов в природе в результате радиоактивного распада постоянно пополняется за счет распадов новых ядер урана.

Уран, торий и члены их радиоактивных семейств, а также радиоактивный изотоп калия 40К играют серьезную роль в геологических процессах. Как известно, внутренние области земного шара довольно сильно разогреты. По мере углубления от поверхности Земли к ее центру температура в земной коре повышается в среднем на 30 °С на каждый километр. На глубине 1000 км температура поднимается примерно до 3000 К. Общий тепловой поток, излучаемый Землей в мировое пространство составляет 1,2*102 Дж в год (т. е. 3,8*1010 кВт).

Источник внутренней энергии Земли долгое время был неизвестен. Лишь после открытия радиоактивности и определения содержания радиоактивных веществ в земной коре стало ясно, что одним  из основных источников  внутренней энергии Земли

является энергия радиоактивного распада урана и тория с членами их радиоактивных семейств. Процессы горообразования и движения материков, извержения вулканов и землетрясения связаны с наличием разогретых внутренних слоев Земли. Следовательно, эти великие и грозные явления природы обусловлены в конечном счете естественной радиоактивностью земных пород.

Естественные радиоактивные изотопы имеются в заметных количествах в почве и стенах зданий, в воздухе и в воде, в пище и в тканях человеческого организма, однако содержание их в природе во много раз меньше тех количеств, которые могут представлять опасность для здоровья человека.

1.3. Биологическое влияние малых доз излучения на человека

Приносят ли дозы ионизирующего излучения, сравнимые с естественным фоном, какой-то ущерб здоровью человека? На этот вопрос невозможно дать точный и однозначный ответ, подобно тому как нельзя дать однозначный ответ на вопрос о влиянии на организм человека обычного солнечного света. Солнечный свет, безусловно, необходим человеку, без него жизнь на Земле невозможна. Но ультрафиолетовое излучение Солнца может вызвать ожог кожи, быть причиной заболеваний кожи и крови.

Аналогична картина и с естественным фоном ионизирующей радиации. С одной стороны, человек как вид появился на Земле в результате эволюции живой природы. Необходимыми условиями эволюции являются изменчивость и естественный отбор. Изменчивость есть следствие мутаций генов, а одним из факторов, вызывающих мутации, является естественный фон ионизирующей радиации. По современным представлениям, без участия естественного радиационного фона, вероятно, не было бы и жизни на Земле в настоящем ее виде. Поэтому нет оснований сетовать на судьбу, что нам досталась планета, содержащая в себе радиоактивные изотопы. Не будь радиоактивности и космического излучения, видимо, не было бы и человека на Земле.

Но может быть, естественный фон ионизирующей радиации был полезным для эволюции жизни на ранних этапах ее развития, но вреден сейчас? Против такого предположения свидетельствует ряд фактов. Опыты с растениями показали, что если их практически полностью защитить от внешнего ионизирующего излучения, удалить из почвы естественные радиоактивные изотопы, то развитие растений замедляется, их продуктивность снижается. Многократно повторенные опыты показали, что небольшие дозы излучения, сравнимые с уровнем естественного фона, стимулируют развитие растений. Сходные результаты получены и в опытах на животных. Безвредность малых доз облучения для человеческого организма подтверждается исследованиями средней продолжительности жизни людей в зависимости от уровня естественного фона ионизирующей радиации.

Предельно допустимой дозой (ПДД) облучения для лиц, профессионально связанных с использованием источников ионизирующей радиации, является 50 мЗв за год. Этот уровень облучения был принят за допустимый на том основании, что он близок к уровню естественного радиационного фона в некоторых местах на Земле и никаких отрицательных последствий для человека при действии таких доз не обнаружено. Санитарными нормами установлен допустимый уровень разового аварийного облучения для населения — 0,1 Зв. Это примерно равно дозе фонового облучения человека за всю жизнь.

В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза облучения 5 мЗв за год, т. е. 0,1 ПДД.

За все время жизни человека (70 лет) допустимая доза облучения для населения составляет 5 мЗв/год-70 лет = 350 мЗв = 0,35 Зв = 35 бэр.

Радиация очень опасна для людей и для последующего потомства. Так, например, вероятность заболеть раком легких на каждую единицу дозы облучения для шахтеров урановых рудников оказалась в 4-7 раз выше, чем для людей, переживших атомную  бомбардировку. Следовательно проблема разработки средств защиты от радиации очень актуальна в наше время. И хотя в материалах некоторых обследований содержится вывод о том, что у облученных родителей больше шансов родить ребенка с синдромом дауна, другие исследования этого не подтверждают. Несколько настораживает сообщение о том, что у людей, получающих малые дозы облучения, действительно наблюдается повышенное содержание клеток крови с хромосомными нарушениями.

Согласно оценкам, полученным при первом подходе, доза в 1 Гр., полученная при низком уровне радиации только особями мужского пола, индуцирует  появление от 1000 до 2000 мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1000 хромосомных аберраций на каждый миллион живых новорожденных. Оценки, полученные для особей женского пола, гораздо менее определенны, но явно ниже; это объясняется тем, что женские половые клетки менее чувствительны к действию радиации. Согласно ориентировочным оценкам, частота мутаций составляет от 0 до 900, а частота хромосомных аберраций от 0 до 300 случаев на миллион живых новорожденных.        

1.4. Прибор, способный регистрировать и измерять поток ионизирующих излучений

Дозиметр измеряет мощность дозы ионизирующего излучения непосредственно в том месте, где он находится. Основное предназначение бытового дозиметра - измерение мощности дозы в том месте, где этот дозиметр находится (в руках человека, на грунте и т.д.) и проверка тем самым на радиоактивность подозрительных предметов. Однако скорее всего, Вам удастся заметить только достаточно серьезные повышения мощности дозы.

Поэтому индивидуальный дозиметр поможет прежде всего тем, кто часто бывает в районах, загрязненных в результате аварии на ЧАЭС (как правило, все эти места хорошо известны).

Кроме того, такой прибор может быть полезен в незнакомой удаленной от цивилизации местности (на пример при сборе ягод и грибов в достаточно "диких" местах), при выборе места для строительства дома, для предварительной проверки привозного грунта при ландшафтном благоустройстве. Повторим, однако, что в этих случаях полезен он будет только при весьма существенных радиоактивных загрязнениях, которые встречаются нечасто.

Не очень сильные, но тем не менее небезопасные загрязнения бытовым дозиметром обнаружить очень трудно. Для этого нужны совершенно другие методы, которые могут использовать только специалисты.

Относительно возможности проверять с помощью бытового дозиметра соответствие радиационных параметров установленным нормам можно сказать следующее.

Дозовые показатели (мощность дозы в помещениях, мощность дозы на местности) для отдельных точек проверить можно. Однако бытовым дозиметром очень трудно обследовать все помещение и добиться уверенности в том, что не пропущен локальный источник радиоактивности.

Почти бесполезно пытаться измерять радиоактивность продуктов питания или стройматериалов с помощью бытового дозиметра. Дозиметр способен выявить разве что ОЧЕНЬ СИЛЬНО загрязненные продукты или строительные материалы, содержание радиоактивности в которых в десятки раз превосходит допустимые нормы. Напомним, что для продуктов и строительных материалов нормируется не мощность дозы, а содержание радионуклидов, а дозиметр принципиально не позволяет измерять этот параметр. Здесь опять же нужны другие методы и работа специалистов.

Бытовые дозиметры в основном различаются по следующим параметрам:

1. типы регистрируемых излучений - только гамма, или гамма и бета;
2. тип блока детектирования - газоразрядный счетчик (также известен как счетчик Гейгера) или сцинтилляционный кристалл/пластмасса; количество газоразрядных счетчиков варьируется от 1 до 4-х;
3. размещение блока детектирования - выносной или встроенный;
4. наличие цифрового и/или звукового индикатора;
5. время одного измерения - от 3 до 40 секунд;
6. наличие тех или иных режимов измерения и самодиагностики;
7. габариты и вес;
8. цена, в зависимости от комбинации вышеперечисленных параметров.

В нашей работе мы будем использовать дозиметр "QUARTEX Model RD 8901", который разработан и производится Международным научно-технологическим парком "Технопарк в Москворечье". Детектор радиационного излучения "QUARTEX Model RD 8901" предназначен для измерения мощности поглощенной дозы гамма-излучения и зараженности объектов источниками бета-частиц.

Позволяет оперативно контролировать радиационную обстановку в помещениях и на местности.

Прибор калиброван по цезию-137, прошел Государственную регистрацию, имеет сертификат качества.

Глава 2. Радиационный мониторинг.

Задачей 2 главы является измерение уровня радиационного фона помещений, а также радиационного загрязнения продуктов питания.

1.1.Оценка уровня радиационной безопасности.

 Цель работы: измерить уровень радиационного фона помещений.

Приборы и материалы: дозиметр бытовой

Ход работы

1. Подготовим к работе дозиметр.
2. Поместим прибор в первой контрольной точке и произведите замеры мощности дозы радиационного излучения 5~6 раз. Результаты запишите в таблице 1.
3. Рассчитаем среднее значение мощности дозы. Результат запишите в таблице 1. Повторите действия п.2-3 в других контрольных точках.
4. Сравним полученные в работе значения мощности дозы излучения с предельно допустимым уровнем фоновой радиации (10-20 мкР/час). Сделаем вывод об уровне радиационной безопасности местности.

2. Определение уровня радиационной загрязнённости продуктов питания

Цель работы: измерить уровень радиоактивной загрязнённости продуктов питания.

Приборы и материалы: дозиметр бытовой

Ход работы 

1. Подготовим к работе дозиметр.

2. Поместим прибор в первой контрольной точке и произведите замеры мощности дозы радиационного излучения проб продуктов питания 5~6 раз.

3. Рассчитаем среднее значение мощности дозы от пробы. Результат запишем в таблицу 2.

4. Уберем пробу и определим фоновое излучение. Результат запишем в таблицу 2.

5. Сделаем вывод о радиационном загрязнении исследуемых продуктов.

Таблица 1.

Таблица 2.

Вывод:

Дома, так же как и в школе, мы видели разницу в уровнях радиоактивности в разных помещениях. Оказалось, что самый низкий уровень радиоактивности был в жилой комнате. Он отличается от уровня радиации в классе. Уровень радиоактивности в классе почти в 1,3 раза больше, чем в жилой комнате. Это может объясняться тем, что комната находится на пятом этаже, а класс – на третьем, то есть разница могла объяснятся близостью к земле. (Но поскольку эта разница не очень большая, то не будем делать преждевременных выводов). На кухне до приготовления пищи уровень активности был незначительно выше, чем в комнате, так как и кухня, и комната находятся на одном этаже и постоянно проветриваются. А после приготовления пищи уровень радиоактивности вырос в 1,35 раза. В ванной комнате до принятия душа уровень радиоактивности больше, чем в жилой комнате. А после принятия душа немного вырос. В рекреации и в классе уровень радиоактивности также различается. Так как класс не проветривался.

Мощность излучения проверяемых продуктов не превышает норму.

Заключение.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений (радиацией).

В окружающей нас атмосфере содержится радиоактивный газ радон и продукты его распада. С помощью бытового дозиметра мы регистрировали радиационную активность окружающего нас воздуха. В ходе исследования мы обнаружили различия в уровнях радиации. С чем связаны эти различия? Концентрация радона повышается при близости помещения к земле, наличии паров воды. По литературным данным, в воде обычно содержится мало радона, что у нас и получилось. Однако вода из некоторых источников (особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин) может содержать радон. Также концентрация радона повышается при сжигании газа, что мы и наблюдали. Ведь газ – это природное соединение, его добывают из земли, поэтому в нем содержится радон. И хотя радон частично распадается за время транспортировки газа, но некоторое количество его все же остается и потому уровень радиоактивности после сжигания газа повышается. Надо еще добавить, что в больших дозах радиоактивность очень вредна для человека. И вдыхание паров воды с высоким содержанием радона в легкие представляет наибольшую опасность для человека.  

Список использованной литературы.

1. «Физика» учебник для 11 класса школ и классов с углубленным изучением физики, Москва «Просвещение» 2000г.

2. Радиация. Дозы, эффекты, риск. – М.: Мир, 1988г.

3. «Физика» 11 класс учебник для общеобразовательных учреждений, Москва «Просвещение» 2008г.

4. www.etelien.ru

5. www.wikipedia.org