Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 221
Кировского района Санкт-Петербурга

XIII научно – практическая конференция
учащихся Кировского района

Секция: Физика и астрономия

Вид работы: Исследование

Тема работы: Исследование естественной радиоактивности табака

Выполнил: Смирнов Александр, ученик 11б класса шк.№221

                                                        (Фамилия, имя ученика, класс)

Научный руководитель: ФИО, учитель Заяллютдинова Зульфия Амировна, физика

                                                                                        (предмет)

Санкт-Петербург

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение                                                                           2стр

2.  Общие сведения                                                3стр.

3. Экспериментальная установка                                7 стр

4.  Ход Эксперимента                                        8стр.

5. Обработка результатов                                        9стр.

6. Выводы.                                                        12  стр.

7. Литература                                                13 стр.

Введение

        Радиоактивные вещества достаточно широко распространены в природе, хотя и встречаются в большинстве случаев в ничтожных количествах. Они встречаются в твердых породах земной коры, в воде, в воздухе, а также в растительных и животных организмов, в которые они попадают из окружающей среды. В твердых породах земной коры радиоактивные вещества содержатся преимущественно в урановых рудах. Это – уран, торий, радий и продукты их распада.

        Однако их количество составляет всего несколько десятитысячных долей процента. В почве содержатся также и другие радиоактивные изотопы, например изотоп калия, содержание которого в глинистых почвах достигает даже тысячных долей процента. Изотопы углерода и водорода образуются в атмосфере под  действием космического излучения и из нее поступают в почву. В атмосферном воздухе содержится также незначительное количество радиоактивных изотопов радона и торона.

        Радиоактивные вещества из почвы, удобрений, воды и воздуха усваиваются и накапливаются растениями и живыми организмами. Некоторые растения накапливают их в таком количестве, что уровень радиоактивности, создаваемый ими,  становится заметным и может быть обнаружен и замерен. К числу таких растений относится и табак. Этим поясняется повышенная вредность воздействия табака на человеческий организм при курении.        

        До сих пор в обществе считается, что основной вред от курения обусловлен никотином и смолами. Однако очень мало кому известно, что на первом месте находится вред от радиоактивных компонентов  табачного  дыма.  Этот факт и стал основной идеей работы.

        Анализ десятков документов для внутреннего пользования, обнародованных в 1998 году в результате правового урегулирования, показал, что табачная промышленность узнала о радиоактивности сигарет на пять лет раньше, чем считалось. Выяснилось также, что компании, обеспокоенные потенциальным риском рака лёгких, начали исследование возможного влияния радиоактивности на курильщиков ещё в 1960-х годах.

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелеса (США) напоминают, что в 1964 году в табаке был обнаружен радиоактивный изотоп полоний-210. Его можно найти во всех коммерчески доступных марках сигарет. Он образуется в листьях табака из радона, находящегося в атмосфере, а также поглощается из высокофосфатных минеральных удобрений.

        Индустрия знала о нём ещё в 1959 году и начала собственные исследования. В одном из них на протяжении двух десятков лет обследовался человек, выкуривавший по две пачки в день.

Судя по документам, производители получили данные, очень близкие к результатам независимых исследований. В течение 20–25 лет табачной карьеры средний курильщик получал 40–50 рад. Согласно оценке Агентства по охране окружающей среды США, этот показатель соответствует следующему риску развития рака лёгких: 120–138 смертей на тысячу заядлых курильщиков в течение 25 лет.

Несмотря на это, в 1959 и 1980 годах компании отказались внедрить технологию, позволявшую вывести полоний-210 из табака. Метод, предложенный в 1980 году, был особенно эффективным, подчёркивают исследователи: листья обрабатывают кислотой, удаляющей нерастворимые в воде комплексы полония-210, собравшиеся в липкие продолговатые структуры.

Индустрия сослалась на неясные последствия для окружающей среды, но исследователи пришли к выводу, что дело вовсе не в этом. Кислая среда могла ионизировать никотин и затруднить процесс всасывания его в мозг, то есть лишить курильщика того удовольствия, ради которого он, собственно, и берётся за сигарету.

Исследователи отмечают, что в легких и бронхах курильщика накапливаются радиоактивные компоненты табачного дыма. К ним относятся: полоний-210, свинец-210 и калий-40. Помимо этого, присутствуют также радий-226, радий-228 и торий-228. Проведенные в Греции исследования показали, что табачный лист содержит изотопы цезий-134 и цезий-137 чернобыльского происхождения. Нерастворимые альфа-частицы связываются со смолой сигаретного дыма остаются в легких навсегда.  По  этой причине курильщики подвергаются намного большим дозам радиации, чем те дозы, которые люди обычно получают из естественных источников. Происходит постоянное облучение.  Облучённая клетка может стать раковой. Ранее считалось, что рак лёгких вызывают только химические вещества.

Всего лишь три года назад, в июне 2009 года в США был принят закон, предписывающий удалить все вредные вещества, за исключением никотина, из табачной продукции. Специалисты считают, что номером один в чёрном списке должны идти альфа-частицы.

Впервые связь между альфа-частицами и раком была обнаружена около 1920 года. В то время циферблаты часов вручную расписывались краской, излучавшей альфа-частицы радия. Рабочие часто брали кисточку в рот, чтобы сделать кончик максимально тонким. В организме накапливался радий-226, и у многих развивался рак челюсти и ротовой полости. Краску в конечном итоге запретили.

Ведущей идеей этой работы явилось:

1. До сих пор в обществе принято считать, что основной вред от табака в никотине, а про естественную радиоактивность табака мало кто слышал.
2. Информации о том, что происходит на Российском рынке табачной индустрии, найти не удалось.

Общие сведения.

Естественная радиоактивность   есть самопроизвольное превращение нестабильных  ядер  одного  элемента  в  ядре  другого элемента.  Естественная радиоактивность наблюдается для всех тяжелых ядер, имеющих массовые числа А > 209. Это явление открыто французким физиком Беккерелем в 1896 г. Он установил, что процесс распада нестабильных ядер сопровождается радиоактивным излучением, состоящим из трех видов: α – лучи, β – лучи, γ – лучи (- частицы).

рис.1

         На рисунке К- свинцовый контейнер, П – радиоактивное вещество (например, полоний), Ф - фотопластина

α – лучи есть поток быстро летящих ядер гелия (их скорость порядка 2,4*108 м/с). Они легко поглощаются относительно тонкими слоями веществ.

β – лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов (их скорость может достигать 2,9*108 м/с). Эти лучи обладают большей проникающей способностью.

         γ – лучи по своей природе близки к рентгеновским лучам и представляют собой поток фотонов очень большой частоты. Эти лучи не отклоняются в магнитных и электрических полях. Они обладают наиболее высокой проникающей способностью.

Естественная радиоактивность не зависят от химического и физического состояния элементов. Она является свойством атомных ядер. Наблюдения показали, что радиоактивность вещества убывает, следуя экспоненциальному закону (рис. 2).

Рис. 2

Периодом полураспада   радиоактивного элемента называется промежуток времени, спустя который половина атомов этого элемента, представленных первоначально, распадается.

Момент распада каждого ядра имеет характер вероятностный (статистический). Можно утверждать, что имеется некоторая вероятность распада для каждого ядра радиоактивного элемента за определенный промежуток времени.

,

Где τ  - время жизни, λ - константа радиоактивного распада.

Было уже упомянуто, что распад радиоактивных атомов происходит самопроизвольно и носит вероятный характер, т.е. одни и те же промежутки времени  ∆t характеризуются разным числом ∆Ni распавшихся атомов. Период полураспада различных радиоактивных элементов изменяется в широких пределах, поэтому существуют длительно - и короткоживущие радиоактивные изотопы (период полураспада от 10-10 до 10-7)

Установка

        Схема экспериментальной установки:

                            2

1.      3  

        Счетчик Гейгера – Мюллера (3) связан с предварительным усилителем импульсов (2) и далее с устройством ПСО2-08А (1). Представленный прибор называется радиометром РПС2-03А.

        Счётчик Гейгера-Мюллера - газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Изобретён в 1908г. Г. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и Мюллером.

        Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный. Функционально счётчик Гейгера также в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией, который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения и не зависит от первичной ионизации. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010, а величина импульса десятков вольт. 

        Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары. Однако длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (10-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Ход  эксперимента

Исследовательская работа проводилась в лаборатории кафедры физики Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Для работы были отобраны следующие распространенные и не дорогие марки сигарет, в скобках указана страна производитель продукции:

1. Pall Mall (Reynolds Tobacco Company, США)
2. Ява (БАТ Россия, Россия)
3. L M (Liggett and Meyers, США)
4. Союз Аполлон (Philip Morris, Россия)
5. Петр I (JTI, Россия)
6. CAMEL (R. J. Reynolds Tobacco, США и Турция)

Табачная продукция, купленная руководителем,  была специальным образом подготовлена для эксперимента. На бумажный цилиндр, который совпадает с диаметром конденсатора счётчика Гейгера-Мюллера, наклевывались по периметру  сигареты. Таким образом, получился коаксиальный цилиндр с табаком. Таких цилиндров изготовлено было 6 штук для каждой марки исследуемых сигарет.

Сама работа производилась следующим образом, собранная лабораторная установка, подключалась в сеть переменного тока. Далее в течении 15 минут установка прогревалась, для того  чтобы войти в нормальный режим работы.

На следующем этапе на протяжении 3 мин.  Измерялся естественный радиоактивный фон окружающей среды. После измерения естественного фона, установка была выключена, а показания записаны в таблицу измерений.

Затем установку включали снова. На датчик счетчика надевался заранее подготовленный табачный цилиндр. Производилась последовательно шесть измерений уровня радиоактивности каждой из  исследуемых марок табачных изделий. Отчет выполнялся так же каждые три минуты. Все результаты были занесены в таблицу, таким образом, чтобы правильным статистически обработать  измерения, показания с каждой из шести марок сигарет снимались шесть раз.

Обработка результатов измерения

В ходе проведенного эксперимента были получены  следующие данные:

Естественная радиоактивность окружающей среды

PALL MALL

Среднее количество импульсов в минуту n≈19 имп/мин        ∑=2

Для расчета случайной погрешности прямого измерения использовали следующие формулы

,

где N- количество измерений (в нашем случае 6-ть)

Погрешность вычислений  , приборная погрешность по сравнению со случайной очень мала, поэтому для вычислений мы ее пренебрегаем.

Производя  соответствующие вычисления, получили

Подобным образом рассчитаны и остальные значения

Ява

Результат измерений

LM

Результат измерений

Союз Апалон

Результат измерений

ПЕТР ПЕРВЫЙ

Результат измерений

CAMEL

Результат измерений

Выводы

Таким образом, проводя работу, мы увидели, что в распространенных марках сигарет содержаться радиоактивные компоненты, это говорит, что на нашем рынке не борются с этой проблемой.  Радиоактивный фон, создаваемый сигаретами приблизительно в полтора раза превышает естественный.

Проводя это исследование, я на опыте убедился, что табак накапливает вредные вещества, показали, что происходит на рынке табачной продукции.  

Период полураспада радиоактивного свинца-210 составляет 21,4 года. У людей, бросивших курить, радиоактивность легких, обусловленная присутствием свинца-210, снижается очень медленно и через пять лет остается такой же, как у активных курильщиков.

Самый опасный компонент радиации не свинец-210, испускающий относительно слабое бета-излучение, а его радиоактивный «внук» — полоний-210, опасность которого для живых существ в 20 раз выше по сравнению с бета-излучением. Полоний-210 излучает в высшей степени концентрированное ионизирующее альфа-излучение — такого же рода, как от плутониевой атомной бомбы. Альфа-частицы бомбардируют атомы, превращая их в ионы, а те, в свою очередь, могут повредить генетический код клеток, убить их или превратить в раковые.

Организм человека развивался на нашей планете при низких уровнях естественной радиации, поэтому обладает определенной способностью преодолевать поражения, вызванные радиоактивностью, но с каждой сигаретой курильщик вдыхает почти столько же полония-210, сколько получил бы от естественных источников за целые сутки.

Литература

1. Элементарный учебник физики.   Под ред. Г.С. Ландсберга
2. Волкова П.А., ЩипуновА.Б., Статистическая обработка данных в учебно-исследовательских работах, Москва 2008г
3. http://www.meding.ru