Поглощенная доза облучения
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

Урок-конференция в 11 классе

по теме:

        учитель: Добрикова Е.А.

        Тамбов.2005.

Урок-конференция по теме: «Поглощенная доза излучения и ее биологическое действие».

ЦЕЛЬ УРОКА: Дать научное разъяснение явлениям, связанным с радиацией,      рассмотреть воздействие радиоактивного излучения на вещество, механизм биологического действия радиации, генетические последствия облучения.

ПЛАН УРОКА:

Ведущий: Радиация – один из многих естественных факторов окружающей среды, радиоактивность – неотъемлемый элемент нашего бытия, который в условиях научно-технического прогресса, эксплуатации различных ядерных установок (в том числе реакторов АЭС) приобрел важное значение в проблеме безопасности жизни и здоровья людей. Сегодня у нас в гостях ученые, которые дадут научное разъяснение явлениям, связанным с радиацией, ответят на ваши вопросы. Вы же, представители разных редакций, должны полученную от них информацию осмыслить, обобщить и представить (к следующему уроку) в виде статьи (заметки) для широкого круга читателей. Каждый из вас может задать любой вопрос гостям, высказать свою точку зрения. А сейчас слово представляется физику-теоретику.

Физик-теоретик: Я хочу напомнить вам некоторые события из истории изучения радиоактивных излучений и их свойств. Вы знаете, что радиоактивность открыл Беккерель в 1896 году, когда он обнаружил собственное излучение (а не люминесцентное) солей урана, интенсивность которого: а) растет с увеличением концентрации урана в соединении; б) не зависит от давления и температуры; в) не изменяется под действием электрического и магнитного полей; г) не зависит от вида химического соединения, в которое входит уран.

     В 1898 году Мария Склодовская-Кюри доказала наличие подобного излучения у тория, а затем она и Пьер Кюри открыли новые излучающие элементы: полоний и радий, после чего она ввела в физику понятие «радиоактивность».

     На следующий год Э. Резерфорд установил, что радиоактивное излучение неоднородно и состоит из двух компонент, имеющих разную проницаемость. Лучи с малой проницаемостью он назвал α-лучами, с большой – γ-лучами. Еще через год (в 1900 г.) была обнаружена третья компонента, позже названная β-лучами. После исследования этих компонент в электрическом и магнитном полях оказалось, что α-лучи – это дважды ионизированные атомы (ядра) гелия, β-лучи – поток быстрых электронов, а γ-лучи – электромагнитные волны высокой частоты.

     В 1902-1903 гг. Э. Резерфорд и Ф. Содди установили закон радиоактивного распада: N=N0 ·2-t/T, говорящий о том, что если радиоактивное вещество имеет N0 радиоактивных атомов в начальный момент времени, то через время t таких атомов в нем останется N (остальные распадутся); Т – период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина всего количества радиоактивных атомов. Для радиоактивного изотопа йода Т=8,05 сут; для изотопов цезия Т=30,2 лет и Т=2,062 лет; для стронция Т=29,6 лет. Вот почему при ядерной аварии (в частности Чернобыльской) период «йодной опасности» невелик, «цезиевой» продолжителен. Облучение людей происходит при этом не только извне (непосредственно от рассеянных вокруг радиоактивных веществ), но и изнутри – в результате поглощения пищи, содержащей эти вещества (например, молока, овощей и т.д.). Обследование населения, эвакуированного из чернобыльской зоны, показало концентрацию радиоактивного йода в щитовидной железе и ее массовое увеличение.

     Во время распада ядер цезия излучаются быстрые электроны (β-лучи) и короткие электромагнитные волны (γ-лучи), которые ионизируют атомы вещества и изменяют функционирование клеток в тканях организма.

   Ведущий: С физико-дозиметрическими аспектами ионизирующих излучений вас познакомит представитель радиометрического центра исследований.

Ученик-«радиометрист»: Для оценки действия на организм разных радиоактивных веществ важно знать значение такой величины, как активность радиоактивного изотопа – характерного для него количества распадов атомов в 1с, т.е. активность А=N/t.

     В СИ активность измеряется в беккерелях: 1Бк =1 распад/с; 1Бк= 2,7 ·10-11 Ки или 1Ки= 3,7 ·1010Бк.

     Таким образом, при радиоактивности вещества, равной 1Ки, в нем за 1с происходит 3,7 ·1010 распадов ядер атомов. (Единица активности «кюри» определяется как активность 1г радия, находящегося в равновесии с продуктами его распада; согласно закону радиоактивного распада число распадающихся за 1с ядер в 1г радия равно 3,7·1010).

     На территориях, подвергшихся загрязнению радиоактивными изотопами, допускались следующие дозы активности в расчете на 1 км2 (такие значения плотности загрязнения): до 1Ки – нет ограничений, разрешалось даже строительство санаториев, домов отдыха, пионерских лагерей; до 5Ки – практически нет ограничений; до 15Ки – вводится систематический контроль за сельскохозяйственной продукцией, продуктами питания; до 40Ки – прекращается какое-либо сельскохозяйственное производство, население эвакуируется.

     С учетом внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм человека с продуктами питания и через органы дыхания эти критерии плотности загрязнения почв были уточнены; ограничения вводятся при 15 Ки/км2 в случае цезия-137,   3Ки/км2 – стронция-90,   0,1Ки/км2 – плутония-239 и 240. После Чернобыльской аварии территории с плотностью загрязнения цезием-137 выше 15Ки/км2 были обнаружены в Киевской, Житомирской, Могилевской, Гомельской и Брянской областях.

Ведущий: Слово предоставляется специалисту метеорологической службы.

Ученик-метеоролог: Сотрудники нашей службы изучают состояние земной атмосферы и происходящие в ней процессы. Под действием радиации воздух ионизируется. Степень его ионизации под действием излучения характеризуется Экспозиционной дозой: Д=∑q/m, где ∑q – суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в воздухе массой т. Экспозиционная доза измеряется в рентгенах.

     1Р= 2,58·10-4 Кл/кг – это такая доза, когда в 1см3 воздуха образуется столько ионов, что их суммарный заряд равен 1ед.заряда СГСЕ или 3, 34·10-10Кл.

     1Р соответствует 2,083·109 пар ионов в 1см3 воздуха или 1,63·1012 пар ионов в 1г воздуха.

1Кл/кг=3,88·103Р

     Природным γ-фоном считается излучение, создающее ионизацию 10мкР/ч, хотя в некоторых районах Индии, Франции, Бразилии средний гамма-фон соответствует 200 и даже 5000мкР/ч. Со временем под влиянием разных факторов (например, солнечной активности) природный гамма-фон может изменяться. В 60-е годы гамма-фон в Ленинграде был 13-15мкР/ч, в Москве – 10-12мкР/ч, в Пятигорске – 16-18мкР/ч. Среднеевропейский фон составлял 8мкР/ч.

     После Чернобыльской катастрофы в бывшем СССР была составлена карта с изолиниями, приведенными к одной дате – 10 мая 1986 г. и соответствующими:

20мР/ч (определена территория с уровнем загрязнения выше 20мР/ч – это зона отчуждения);

5мР/ч (территория с уровнем загрязнения 20-5мР/ч – зона эвакуации);

3мР/ч (5-3мР/ч – зона жесткого контроля и временного отселения детей и беременных женщин).

     Эти зоны определялись, исходя из установленного тогда Минздравом Союза норматива аварийного облучения 10 бэр на первый год после аварии (10 бэр/год человек получал при 5мР/ч).

Ведущий: Предоставляю слово радиологу.

Ученик-радиолог: Я хочу познакомить вас с понятием «поглощенная доза излучения», которое играет большую роль в состоянии здоровья облученного радиацией человека. Поглощенная доза излучения – это отношение поглощенной энергии Е ионизирующих лучей к массе облученного тела: Д=Е/т; она измеряется в грэях: 1Гр=1Дж/кг.

     В случае наличия лишь природного фона излучений поглощенная доза за год составляет 2мГр. При однократном кратковременном облучении всего тела, когда поглощенная доза равна 1Гр, не возникает никаких серьезных отклонений в состоянии здоровья человека. Эта доза представляет собой тот порог, выше которого проявляются эффекты облучения: при дозах 1-2,5Гр организм становится перед выбором: «заболеть-не заболеть»; при дозах 2,5-6Гр – «выздороветь-умереть», причем при дозе 3Гр достигается предел индивидуальных различий и шанс «заболеть» одинаков для всех облученных. Чем больше доза, тем тяжелее протекает лучевая болезнь и скорее наступает смерть.

     Кроме индивидуальных различий на степень поражения радиацией влияет радиочувствительность, характерная для разных возрастных групп – детей, людей среднего возраста и стариков. В тканях детского организма концентрация радиочувствительных молекул и клеток выше, чем у взрослых людей, поэтому воздействие радиации на детей сильнее, однако в их организме более высока эффективность восстановительных процессов. У пожилых же людей восстановительные процессы протекают плохо, что и определяет их повышенную поражаемость радиацией.

Ведущий: О механизме биологического действия радиации расскажет нам сотрудник института биофизики.

Биофизик: Клетка – основная структурная и функциональная единица живого организма; каждый ее структурный компонент в свою очередь состоит из молекул и атомов. В этом – одно из проявлений единства живой и неживой природы. Альфа-, бета- и гамма-лучи ионизируют или возбуждают атомы и молекулы биоткани, причем, затрагивая ничтожно малую их долю, они производят косвенное действие, связанное с разложением воды в организме, что существенно повышает в нем количество свободных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью (служащих катализаторами многих вредных реакций). Как при прямом, так и косвенном действии радиация в основном поражает крупные белковые молекулы и нарушает связанные с ними механизмы биосинтеза. Наиболее высокой радиочувствительностью (радиопоражаемостью) отличаются клетки костного мозга, лимфоидной ткани, половые клетки, эпителий желудочно-кишечного тракта.

     Следует заметить, что одинаковые поглощенные дозы излучений разного типа вызывают неравнозначный биологический эффект; он определяется коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ), который представляет собой отношение поглощенной дозы рентгеновского излучения к поглощенной дозе излучения другого типа, вызывающего такой же биологический эффект. В качестве образца используют рентгеновское излучение, генерируемое при напряжении 200кВ. В этом случае биологическая эффективность альфа-частиц и ядер тяжелых атомов примерно в 20 раз выше, чем рентгеновского излучения, а нейтронов и протонов (при их энергии, меньшей 10МэВ) – в 10 раз выше. Таким образом, коэффициент ОБЭ рентгеновского, а также гамма- и бета-излучения считается равным единице, протонов, нейтронов – равным 10, альфа-частиц и ядер отдачи – 20.

     Кроме того, полезно знать, что существует еще так называемая эквивалентная доза облучения, измеряемая в «зивертах» вместо «бэров» (биологического эквивалента рентгена): 1Зв=100бэр. Эквивалентная доза учитывает вредное действие радиации при хроническом облучении человека малыми дозами, не превышающими 250мЗв в год (25бэр/год).

     Поскольку дозы облучения, которому подвергаются различные участки тела человека или его органы, могут быть неодинаковы, особенно при внутреннем облучении, чтобы обеспечить сравнимость этих доз и провести оценку их последствий, как и при равномерном облучении, пользуются понятием «эффективная эквивалентная доза» (ЭЭД). Для ее расчетов приняты так называемые взвешивающие коэффициенты, позволяющие «выровнять» риск последствий облучения независимо от того, равномерно или неравномерно действует оно на тело человека. Так, взвешивающий коэффициент для костного мозга и легких составляет 0,12, для щитовидной железы – 0,03. Это значит, что, например, доза облучения щитовидной железы 1Зв (100бэр) соответствует ЭЭД=0,03Зв (3бэра), т.е. при равномерном облучении всего тела дозой 0,03Зв вероятность вреда организму такая же, как и при облучении дозой 1Зв только щитовидной железы.

     Колебания годовой дозы облучения, которому подвергается население, весьма значительны и зависят от местных геологических, почвенных, атмосферных, промышленных и иных условий. В среднем в районах с нормальным фоном годовая ЭЭД внутреннего облучения почти вдвое больше дозы внешнего облучения и составляет соответственно 1,35мЗв (135мбэр) и 0,65мЗв (65бэр); из них 0,3мЗв (30мбэр) приходится на космические излучения.

     Почти все страны, производящие и использующие атомную энергию, имеют национальные нормы и правила радиационной безопасности, основанные на рекомендациях Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ). Их цель – предупредить неблагоприятные последствия облучения людей в процессе применения, хранения и транспортировки радиоактивных веществ. У нас для всего населения страны специальных предельно допустимых  доз облучения не существует, нормативом является соответствие радиации естественному природному фону, а для персонала «радиационных объектов» (радиологи, рентгенологи, работники АЭС и др.) предельно допустимая доза облучения не должна превышать природный фон более, чем в 10 раз.

 Ведущий: Сейчас врач-исследователь, представитель центра радиационной медицины расскажет нам о генетических последствиях облучения.

«Медик-генетик»: Ионизирующее излучение – достаточно интенсивный мутагенный фактор, который может влиять на генетические свойства организма. Если какая-то часть популяции живых организмов подвержена действию мутагенного фактора и увеличивается частота мутаций генов, то в популяции могут появляться особи с признаками патологии.

     Как известно, в каждой соматической (телесной) клетке человека 46 хромосом, каждая из которых представлена молекулой ДНК, связанной с белком. Гены, каждый из которых представляет собой участок ДНК, несут информацию о структуре белковой молекулы; они – материальные носители наследственной информации. В хромосомном наборе наличествуют пары гомологичных (сходных) хромосом .

     В одних и тех же локусах (местах расположения) гомологичных хромосом находятся так называемые аллельные гены, которые контролируют альтернативные признаки. Если, например, ген А (отца) – контролирует карий цвет глаз, а ген а (матери) – голубой, то у ребенка, согласно законам классической генетики, будут присутствовать в генотипе оба гена, но проявит свое действие ген доминантного (преобладающего) признака.

     При образовании половых клеток (гамет) из каждой пары гомологичных хромосом в гамету попадает 1 хромосома. При нормальном процессе у человека в каждую из гамет уходит по 23 хромосомы; при нарушении – хромосомы какой-либо пары не расходятся, так что в одной из гамет оказывается 22, а в другой 24 хромосомы. Если такая яйцеклетка оплодотворена нормальным спермием, то возникает организм, клетки которого содержат 47 или 45 хромосом.  Нерасхождение может произойти в любой паре хромосом. Но каждая хромосома несет так много наследственной информации, что потеря одной из хромосом или появление добавочной большей частью ведет к внутриутробной гибели организма. Жизнеспособные организмы возникают лишь в случае нерасхожднения некоторых хромосом, но тогда рождаются дети с определенными болезнями. Одно из наиболее распространенных хромосомных заболеваний – синдром Дауна, характеризующийся неустойчивостью детей к инфекционным заболеваниям, пониженной жизнеспособностью (доживают в основном до 16 лет) и значительной умственной отсталостью.

     Воздействие радиации способствует мутации генов, нарушает нормальный процесс образования гамет и вызывает аномалию хромосомного набора, что ведет к увеличению мертворожденных и частоты появления врожденных пороков у детей, а также к нарушению иммунитета их организма.

Ведущий: Итак, ученые, специалисты в области радиационных явлений, кратко ознакомили вас с основными сведениями о радиационной опасности и готовы ответить на ваши вопросы.

Вопрос 1: В первые дни после аварии на Чернобыльской АЭС руководители здравоохранения убеждали всех, что ничего страшного не произошло. Между тем, некоторые средства массовой информации называли тогда Киев «советской Хиросимой». Конечно, это была метафора. И все же, насколько она соответствует действительности?

Ответ 1: В Киеве не было ни взрывной волны, ни массового лучевого поражения, ни огромных дозовых нагрузок. Тем не менее при взрыве реактора было выброшено топлива (причем с большим разнообразием радионуклидов) в десятки раз больше того ядерного материала, который находился в бомбах, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Так что по выброшенной в окружающую среду радиоактивности чернобыльская катастрофа на несколько порядков перекрывает японскую. По последствиям в здоровье людей, которые могут проявляться на протяжении нескольких десятилетий, она не уступает японской трагедии.

Вопрос 2: Со дня аварии на ЧАЭС минуло уже 19 лет. Какие сделаны статистические выводы о влиянии малых доз радиации на здоровье людей, которых в свое время упрекали в «радиофобии».

Ответ 2: Если радиофобия и наблюдалась, то, по-видимому, лишь потому, что в первый период после аварии люди были лишены необходимой информации. А неизвестность и страх – родные сестры. Хотя далеко не обо всех последствиях чернобыльской катастрофы можно уверенно судить и сегодня. Тем не менее некоторые выводы сделаны. Для человека вредна любая доза радиации. В результате аварии на ЧАЭС выросло количество онкологических заболеваний среди населения, подвергшегося облучению, отмечены рост болезней крови у детей, существенное снижение противовирусного и противоракового иммунитета. Важно знать такой факт: из-за отсутствия информации о распространении радиоактивных выбросов («облаков») жители не укрывались в закрытых помещениях, а затем лишь немногие из них подверглись йодотерапии. Это усугубило вредное воздействие произошедшего на здоровье людей. Во избежание подобного в будущем необходимо не только ужесточить меры безопасности АЭС, но и преодолеть невежество в отношении к радиоактивности, ввести обязательный радиометрический контроль продуктов питания (овощей, мяса, молока и пр.), окружающей среды.

Вопрос 3: Если в силу каких-либо причин произошло радиоактивное загрязнение нашей территории, то какие советы и рекомендации вы можете дать, чтобы уменьшить опасность сильного поражения?

Ответ 3: Желательно меньше потреблять воды; пить только кипяченую воду, т.к. кипение уменьшает количество радионуклидов в ней. После 5-10 мин кипения вода должна остыть до комнатной температуры и отстояться. Образующаяся на ее поверхности пленка содержит больше всего радионуклидов – ее необходимо убрать, положив на пленку фильтровальную бумагу. Затем воду следует аккуратно слить, оставив на дне сосуда осадок («накипь») солей кальция и кремния, где концентрируются радиоактивный стронций и другие радионуклиды.

     Полезно систематически посещать баню, сауну: с потом из организма выводятся радионуклиды. При купании в открытых водоемах нужно помнить, что основное их количество находится в иле и на берегу в песке.

     Как правило, повышенную радиоактивность имеют ягоды – их перед употреблением необходимо длительное время мыть в проточной воде, а грибы рекомендуется вообще не собирать! Фрукты лучше всего очищать от кожицы и есть только их мякоть (а еще лучше выжимать из них сок). Овощи также нужно тщательно мыть и очищать от кожуры. Следует иметь ввиду, что картофель хорошо поглощает цезий, поэтому не варите его в «мундире», не пеките его в костре. Но самый главный совет: используйте в пищу только те продукты, которые прошли радиологический контроль.

Вопрос 4: Чернобыльская катастрофа – крупномасштабная радиационная авария; она нанесла сильную психологическую травму значительной части населения.  Каково в связи с этим будущее атомной энергетики?

Ответ 4: необходимо ликвидировать все последствия аварии, всеми возможными средствами восстанавливать и поддерживать здоровье людей, подвергшихся радиации. Однако нужно жить дальше и думать о будущем. К сожалению, экономически выгодных и экологически чистых источников электроэнергии пока нет. Работа же тепловых станций (наиболее распространенных сегодня) сопровождается выпадением кислотных дождей, усилением «парникового эффекта», что может привести к мировой катастрофе. Между тем мировой опыт таков: в США примерно 20% энергии вырабатывают атомные станции, в Германии – 30%, в Японии – 60%, во Франции – 75%, а в полукилометре от АЭС выращивают экологически чистые овощи. Так что атомная энергетика способна наилучшим на сегодня (и, вероятно, на ближайшие десятилетия) способом обеспечить человечество электричеством, но непременным условием ее развития должно стать обеспечение ее безопасности и максимальной надежности эксплуатации АЭС.