Индивидуальный проект по теме «Радиоактивность в повседневной жизни и способы защиты от неё»

Разделы: Физика, Внеклассная работа

Введение

Влияние радиации на окружающую среду и живые организмы является важнейшей глобальной экологической проблемой. В наше время источников радиоактивного загрязнения огромное множество: разработка радиоактивных руд, ядерные взрывы, испытание ядерного оружия, аварии на АЭС и даже солнечное излучение. Проникая в живые организмы, радиоактивные частицы нарушают генетический код особей. Радиоактивное заражение может привести к бесплодию, мутации, смене кровяного состава и другим опасным последствиям. Обеспечив для себя максимально возможную защиту от радиации, мы сможем продлить свою жизнь и улучшить её качество.

Проблема: Несмотря на многочисленные доказательства пагубного и смертельно опасного воздействия радиации на организм человека, достаточно большой процент людей не знает, что сталкивается с радиацией почти ежедневно. По результатам опроса учащихся МОБУ СОШ №1 можно сделать следующие выводы об их осведомленности в данной теме:

  • 35,4% опрошенных не опасаются радиоактивного излучения.
  • Более 60% опрошенных не знают об источниках радиации в повседневной жизни, быту.
  • Более 70% участников опроса ответили отрицательно, либо дали неверный ответ на вопрос о знании приборов, с помощью которых измеряют уровень радиации.
  • Более 62% опрошенных не знают о степени отрицательного воздействия радиоактивного излучения на организм человека.
  • Более 78% участников опроса не знают о способах защиты от радиоактивного излучения.

Актуальность: Данная тема является актуальной для любого современного человека, так как радиоактивное загрязнение влияет на каждого из нас в большей или меньшей степени. Особенно актуальна она будет для тех людей, которые работают в местах с высоким показателем радиоактивного излучения, проживают в населённых пунктах, находящихся рядом с АЭС, химическими комбинатами и различными техническими базами.

Цель: Выявление способов снижения уровня радиации с целью уменьшения её влияния на окружающую среду и живые организмы.

Задачи:

  • Выяснить, что такое «радиоактивность» и какими физическими величинами она характеризуется.
  • Найти информацию о воздействии радиации на организм человека и её источниках.
  • Выяснить осведомленность учеников нашей школы о влиянии радиации на организм человека.
  • Выявить причины, повышающие уровень радиации в нашем учебном заведении, с помощью эксперимента по обнаружению наиболее радиоактивно загрязненной территории школы.
  • Составить памятку о способах, которые помогут уменьшить влияние радиации на живые организмы.
  • Ознакомить целевую группу данного проекта со способами снижения влияния радиации на организм человека.

Методы исследования:

  1. Провести сравнительный анализ видов радиоактивного излучения для выявления излучения, наиболее пагубно влияющего на организм человека.
  2. С помощью дозиметра-радиометра (МКС-01СА1М) провести эксперимент по обнаружению наиболее радиоактивно загрязненной территории школы.
  3. Провести анкетирование среди учеников МОБУ СОШ №1 для выявления степени осведомленности учащихся о влиянии радиации на организм человека.

1. Радиоактивность и её особенность

Радиоактивность - это способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению. [1]

Рис.1. Ионизация

Радиоактивное излучение часто называют ионизирующим. Ионизация - это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул. Значит, радиоактивное излучение обладает способностью выбивать отрицательно заряженные электроны из нейтрально заряженных атомов, образовывая при этом огромное количество отрицательных и положительных ионов. [2]

Корпускулярное (альфа-, бета-, нейтронное) излучение представляет собой поток частиц - элементарных частиц и ионов, в том числе частиц ядер атомов - и априори является ионизирующим.

Электромагнитное излучение становится ионизирующим, когда энергия кванта (фотона) излучения превышает 13 электронвольт (эВ) - столько нужно для ионизации атома водорода. Энергии квантов ультрафиолета недостаточно, чтобы серьезно ионизировать глубокие слои вещества, поэтому к ионизирующему излучению относят рентгеновские фотоны и гамма-кванты. [3]

Таким образом, проникая в тело человека, радиоактивные излучения вызывают ионизацию среды, в результате которой в тканях организма развиваются химические реакции, не свойственные обычному состоянию организма, что ведет к нарушению его нормальных функций. [4]

1.1. Дозы ионизирующего излучения

Когда было открыто рентгеновское излучение, человечество столкнулось с необходимостью оценки воздействия ионизирующего излучения на вещества, ткани и живые организмы. Так появилось понятие доза излучения, которая численно характеризует влияние ионизирующего излучения. [5]

Но с развитием науки появилось несколько подходов измерения доз излучения:

  • Экспозиционная доза - исторически первая характеристика, показывающая количество излучения, вызывающего ионизацию. Это мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении. Она определяется отношением суммарного заряда всех ионов одного знака в некотором объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме. Измеряется в рентгенах или Кл/кг (Кулон на килограмм). [5]
  • Поглощенная доза - это энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу массы. Она показывает какое количество энергии поглощено единицей массы вещества. Измеряется в Дж/кг (Джоуль на килограмм) или Греях. [1,5]
  • Эквивалентная доза - доза, определяемая произведением поглощенной дозы на коэффициент качества (коэффициент относительной биологической эффективности).

Коэффициент качества показывает во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия гамма-излучения при одинаковых поглощенных дозах. Он определён для каждого вида частиц.

Таким образом, данная характеристика учитывает биологическое воздействие разных заряженных частиц на организмы. Измеряют такую дозу в Зивертах (Зв) или Бэрах. [1,5]

  • Эффективная доза - величина, учитывающая влияние излучения на определённые органы. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты. Для каждого органа существует свой взвешивающий коэффициент и их сумма для всего организма равна единице. Данная доза также измеряется в Зивертах и Бэрах. [5]
  • Мощность дозы - это приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Это основная характеристика влияния излучения на организмы. Мощность дозы определяется для любого типа доз: экспозиционной, эквивалентной или поглощённой и равна соответствующей дозе, делённой на 1 секунду. [5]

1.2. Величины, характеризующие ионизирующее излучение

Кроме таких величин, которые способны оценить влияние ионизирующего излучения на живые организмы, существуют и иные физические величины, с помощью которых можно узнать количество определённого вида корпускулярного радиоактивного излучения (альфа- и бетта- излучения) на данной территории и дать оценку этого количества относительно времени:

  • Поток ионизирующих частиц - отношение числа ионизирующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал времени, к этому интервалу. Единица измерения- секунда в минус первой степени [c-1]. [8]
  • Перенос (флюенс) ионизирующих частиц - отношение числа ионизирующих частиц, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения этой сферы. Единица измерения - метр в минус второй степени [м-2]. [8]
  • Плотность потока ионизирующих частиц - отношение потока ионизирующих частиц, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения этой сферы. Единица измерения - секунда в минус первой степени на метр в минус второй степени [c-1×м-2]. [8]
  • Поток энергии ионизирующего излучения - отношение энергии ионизирующего излучения, проходящего через данную поверхность за интервал времени, к этому интервалу, где энергия ионизирующего излучения - суммарная энергия ионизирующих частиц (без учета энергии покоя), испущенная, переданная или поглощенная, измеряемая в Джоулях. Поток энергии ионизирующего излучения измеряется в Ваттах.[8]
  • Перенос (флюенс) энергии ионизирующего излучения - отношение энергии ионизирующего излучения, проникающего в элементарную сферу, к площади центрального сечения этой сферы. Единица измерения - Джоуль на квадратный метр [Дж/м2]. [8]
  • Плотность потока энергии ионизирующего излучения - отношение потока энергии ионизирующего излучения, проникающего в элементарную сферу, к площади центрального сечения этой сферы. Единица измерения - Ватт на квадратный метр [Вт/м2]. [8]

1.3. Виды радиоактивного излучения

Радиоактивное излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействием на вещество, разной способностью проникать сквозь него и, как следствие, различным биологическим действием радиации. [2]

рис.2. Радиоактивное излучение

Виды радиоактивного излучения:

  • Альфа-излучение - это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа-частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория. [2]
  • Нейтронное излучение - это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Данное излучение возникает вследствие бомбардировки ядер радиоактивных элементов нейтронами. Разрыв каждого атомного ядра приводит к образованию 2-3 свободных нейтронов, которые в свою очередь продолжат реакцию деления атомных ядер данного элемента. [1, 2]
  • Бета-излучение - это поток быстрых электронов, скорость которых сравнима со скоростью света. При бета-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон (позитрон) и антинейтрино. Электрон и антинейтрино вылетают из ядра, а протон увеличивает заряд ядра, оставшись в нем. [1]
  • Гамма-излучение - это энергетическое электромагнитное излучение. Гамма-радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света. [2]
  • Рентгеновское излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую. [2]

Проведем сравнительный анализ альфа-, бета- и гамма-излучений для выявления наиболее опасного вида излучения (см. таб.1):

Таблица 1. Анализ видов радиоактивного излучения

Анализ данных таблицы показал, альфа-излучение имеет самую низкую проникающую способность, а гамма-излучение - самую высокую. Самый опасный характер воздействия на организм человека носят альфа-частицы, так как они оседают в организме человека и более никогда не покидают его, в отличие от рентгеновского излучения, которое используется в медицине. Наибольшую массу имеют также альфа-частицы, за счет чего и вызывают патогенные изменения тканей организма человека. Коэффициент качества наибольший у альфа-излучения, за счет чего оно имеет наибольшую эквивалентную дозу, что означает наиболее пагубное воздействие на человека, по сравнению с другими видами излучения.

Следовательно, сопоставив все данные таблицы, приходим к выводу о том, что самым опасным излучением является альфа-излучение. [16,17,18,19,20]

2. Радиоактивное излучение: его источники и способы защиты от него

Источники радиоактивных излучений по природе своего происхождения, можно разделить на две основные группы: естественные и техногенные, созданные человеком или спровоцированные его деятельностью.

Естественные источники радиации - это объекты окружающий среды и среды обитания человека, которые содержат природные радиоактивные изотопы и излучают радиацию. К естественным источникам радиации относятся:

  • Космическое излучение и солнечная радиация.
  • Излучение от радиоактивных изотопов, находящихся в Земной коре и в окружающих нас объектах.

2.1. Естественные источники. Космическое излучение

рис.3. Космическое излучение

Космическое излучение - это поток элементарных частиц, излучаемых космическими объектами в результате их жизни или при взрывах звезд. Источником космического излучения в основном являются взрывы "сверхновых" звёзд, а также различные пульсары - космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма- излучений, черные дыры и другие объекты вселенной, в недрах которых идут термоядерные реакции. Благодаря непостижимо большим расстояниям до ближайших звезд, которые являются источниками космического излучения, происходит рассеивание космического излучения в пространстве и поэтому падает интенсивность (плотность) космического излучения. Несмотря на это, до нашей планеты все равно со всех сторон доходит космическое излучений невероятно высоких энергий. [2]

Космическое излучение состоит из:

  • На 87% из протонов (протонное излучение) - вид корпускулярного излучения, представляющего собой поток частиц с положительным зарядом - протонов.
  • На 12% из альфа-излучения.
  • Оставшийся 1 % - это различные ядра атомов более тяжелых элементов, которые образовались при взрыве звезд, в ее недрах, за мгновение до взрыва.
  • Присутствует небольшой объём электронов, позитронов, фотонов и нейтрино. [2]

Свой вклад в космическое излучение вносит и ближайшая к нам звезда - Солнце. Энергия излучения от Солнца на несколько порядков ниже, чем энергия космического излучения, приходящего к нам из глубин космоса. Но плотность солнечной радиации выше плотности космического излучения из глубин космоса. [2]

Состав солнечной радиации:

  • 99% протонного излучения.
  • 1 % альфа излучения. [2]

Как мы видим, космическое излучение состоит из наиболее опасных видов радиоактивного излучения - это протонное и альфаизлучение. Но благодаря магнитному полю Земли, большая часть космического излучения отклоняется магнитным полем и просто огибает Земную атмосферу проходя мимо. Оставшаяся часть космического излучения, проходя сквозь атмосферу Земли, взаимодействует с атомами газов атмосферы и теряет свою энергию. В результате множественных атомных взаимодействий и превращений до поверхности Земли вместо космического излучения, состоящего из протонного и альфа излучения, доходят потоки менее опасных частиц, обладающих на порядки меньшими энергиями - это потоки электронов, фотонов и мюонов. Нормативное значение эквивалентной дозы радиации получаемой человеком от космическогоизлучения: 0,4 мЗв/год или 0,046 мкЗв/час. [2]

2.2. Естественные источники. Излучение от радиоактивных изотопов

Изотопы - это разновидности атомных ядер одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. [10]

На нашей планете можно выделить 23 радиоактивных изотопа, которые обладают периодами полураспада от 107 лет и выше и которые наиболее часто встречаются в земной коре. В трех радиоактивных семействах: урана (238U), тория (232Th) и актиния (235Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов (см. таб.2). Большая часть радиоактивных изотопов содержится в породе в очень малых количествах и концентрациях, и доля создаваемого ими облучения пренебрежимо мала. Но есть несколько природных радиоактивных элементов, которые оказывают влияние на человека. [2,12]

Радиоактивные изотопы, облучения от которых нельзя избежать:

  • Калий (40К) (бета- и гамма-излучение). Усваивается вместе с продуктами питания и питьевой водой. Содержится в нашем организме. Годовая нормативная доза - 0,17 мЗв/год.
  • Углерод (14С). Усваивается вместе с продуктами питания. Содержится в нашем организме. Годовая нормативная доза - 0,012 мЗв/год. [2]

рис.4. Радон

Радиоактивные изотопы, облучения от которых можно избежать организационными мероприятиями - газ радон (222Rn) (альфа излучение), Торон (220Rn) (альфа излучение) и их продукты радиоактивного распада.

одержится в газах, поднимающихся из недр земли. Может содержаться в водопроводной воде, если она берется из источников, расположенных глубоко под землей (артезианские источники). Годовая нормативная допустимая доза 0,2 мЗв/час = 1,752 мЗв/год. [2]

Если суммировать действие всех рассмотренных природных источников излучения, и взять за основу допустимые нормативные дозы радиации от каждого из них, то получим допустимое нормативное значение общего радиационного фона от природных источников радиации. В соответствии с нормативными документами, общий радиационный фон от природных источников радиации составляет - 2,346 мЗв/год или 0,268 мкЗв/час. [2]

Но если не учитывать действие радона и торона, так как это источники природной радиации, действие которых можно избежать, то получаем, что нормальный радиационный фон от природных источников радиации не должен превышать 0,594 мЗв/год или 0,07 мкЗв/час. Это значение и есть безопасный естественный радиационный фон, который действовал до начала освоения человеком атома и загрязнения им окружающей среды радиоактивными отходами, которые рассредоточены по всему миру в результате испытания атомных бомб, внедрением атомной энергетики и других техногенных действий человека. Техногенное действия человека, привели к тому, что радиоактивные элементы стали массово применяться в технике, строительстве, минеральных удобрениях, АЭС, аварии и сбросы которых очень опасны для нашей планеты. В результате, мы сами себе создали среду, в которой нас окружают радиоактивные изотопы с периодом полураспада до нескольких тысяч лет. [2]

2.3. Техногенные источники радиоактивного излучения в повседневной жизни

Искусственными (техногенными) источниками ионизирующих излучений (ИИИ) являются любые источники излучения, созданные человеком. Источник ионизирующего излучения - объект, содержащий радиоактивный материал (радионуклид), или техническое устройство, испускающее или способное в определенных условиях испускать ионизирующее излучение. [13,14]

Техногенные источники основаны на естественных и искусственных радиоактивных изотопах. Их разделяют на открытые и закрытые источники излучения. [14]

  1. Открытый радионуклидный источник ионизирующего излучения - источник, при использовании которого возможно поступление содержащихся в нём радиоактивных веществ в окружающую среду. Открытые источники могут быть причиной как внешнего, так и внутреннего облучение работников и населения. Такое облучение возможно при попадании радионуклидов в окружающую среду в виде радиоактивных отходов. Такие отходы могут быть твердыми и жидкими, в виде газов и аэрозолей. Наибольшее значение имеют технологические процессы, в которых образуются радиоактивные аэрозоли. [14,17]
  2. Закрытый радионуклидный источник ионизирующего излучения - источник, в котором радиоактивный материал заключён в оболочку (ампула или защитное покрытие), предотвращающую контакт персонала с радиоактивным материалом и его поступление в окружающую среду свыше допустимых уровней в условиях применения и износа, на которые он рассчитан. [14,17]

рис.5. γ-установка в медицине (гамма-нож)

По характеру действия закрытые источники ионизирующего излучения условно подразделяются на 2 группы: источники непрерывного действия и источники периодической генерации излучения. К группе непрерывного действия относятся γ-установки различного назначения, а к группе периодической генерации - рентгеновские аппараты и ускорители заряженных частиц, которые при ускорении более 10 МэВ, приводят к образованию искусственных радионуклидов, что, с большой вероятностью, может привести к попаданию в организм человека радиоактивных изотопов. Применение закрытых источников излучения весьма разнообразно. В металлургии применяются ускорители заряженных частиц, рентгеновские аппараты, аппараты для γ-дефектоскопии, радиоизотопные приборы (уровнемеры). Весьма большой потенциал применения закрытых источников излучения в медицине и биологии. В данных отраслях применяются ускорители заряженных частиц, рентгеновские и γ-аппараты, γ- и β-источники. [17]

За несколько последних десятилетий человечество создало сотни искусственных радионуклидов и научилось использовать энергию атома как в военных целях, так и в мирных. Все это приводит к увеличению дозы облучения населения Земли. Индивидуальные дозы, которые получают разные люди от искусственных источников ионизирующих излучений, сильно отличаются. В большинстве случаев эти дозы незначительны, но иногда облучение за счет техногенных источников во многие тысячи раз интенсивнее, чем за счет естественных. [13]

См. продолжение материала

Приложения