Біологічна дія радіації. Закон радіоактивного розпаду. Фізика 9 клас. Перишкін

ГЛАВА 4. Будова атома і атомного ядра. Використання енергії атомних ядер

Відомо, що радіоактивні випромінювання при певних умовах можуть становити небезпеку для здоров'я живих організмів. У чому причина негативного впливу радіації на живі істоти?

Справа в тому, що α-, β- і γ-частинки, проходячи через речовину, іонізують його, вибиваючи електрони з молекул і атомів. Іонізація живої тканини порушує життєдіяльність клітин, з яких ця тканина складається, що негативно позначається на здоров'я всього організму. Чим більше енергії отримує людина від чинного на нього потоку частинок і чим менше при цьому маса людини (т. Е. Чим більша енергія припадає на кожну одиницю маси), тим до більш серйозних порушень в його організмі це призведе.

• Енергія іонізуючого випромінювання, поглинена опромінюється речовиною (зокрема, тканинами організму) і розрахована на одиницю маси, називається поглиненої дозою випромінювання.

Поглинена доза випромінювання D дорівнює відношенню поглиненої тілом енергії Е до його масі m:

В СІ одиницею поглиненої дози випромінювання є грей (Гр).

З цієї формули випливає, що

Це означає, що поглинена доза випромінювання буде дорівнює 1 Гр, якщо речовини масою 1 кг передається енергія випромінювання в 1 Дж.

У певних випадках (наприклад, при опроміненні м'яких тканин живих істот рентгенівським або γ-випромінюванням) поглинену дозу можна вимірювати в рентгенах (Р): 1 Гр відповідає приблизно 100 Р.

Чим більше поглинена доза випромінювання, тим більшої шкоди (при інших рівних умовах) може завдати організму це випромінювання.

Але для достовірної оцінки тяжкості наслідків, до яких може привести дію іонізуючих випромінювань, необхідно враховувати також, що при однаковій поглиненої дози різні види випромінювань викликають різні за величиною біологічні ефекти.

Біологічні ефекти, викликані будь-якими іонізуючими випромінюваннями, прийнято оцінювати в порівнянні з ефектом від рентгенівського або від γ-випромінювання. Наприклад, при одній і тій же поглиненої дози біологічний ефект від дії a-випромінювання буде в 20 разів більше, ніж від γ-випромінювання, від дії швидких нейтронів ефект може бути в 10 разів більше, ніж від γ-випромінювання, від дії β- випромінювання - такий же, як від γ-випромінювання.

У зв'язку з цим прийнято говорити, що коефіцієнт якості α-випромінювання дорівнює 20, вищезазначених швидких нейтронів - 10, при тому що коефіцієнт якості γ-випромінювання (так само як рентгенівського і β-випромінювання) вважається рівним одиниці. Таким чином,

• коефіцієнт якості К показує, у скільки разів радіаційна небезпека від впливу на живий організм даного виду випромінювання більше, ніж від впливу у-випромінювання (при однакових поглинених дозах).

Для оцінки біологічних ефектів була введена величина, яка називається еквівалентною дозою.

Еквівалентна доза Н визначається як добуток поглиненої дози D і коефіцієнта якості К:

Еквівалентна доза може вимірюватися в тих же одиницях, що і поглинена, проте для її вимірювання існують і спеціальні одиниці.

В СІ одиницею еквівалентної дози є зіверт (Зв). Застосовуються також частинні одиниці: мілізіверт (мЗв), мікрозіверта (мкЗв) та ін.

З цієї формули випливає, що для рентгенівського, γ- і β-випромінювань (для яких К = 1) 1 Зв відповідає поглиненої дози в 1 Гр, а для всіх інших видів випромінювання - дозі в 1 Гр, помноженої на відповідний даному випромінювання коефіцієнт якості .

При оцінці впливів іонізуючих випромінювань на живий організм враховують і те, що одні частини тіла (органи, тканини) більш чутливі, ніж інші. Наприклад, при однаковій еквівалентній дозі виникнення раку у легенях більш ймовірно, ніж у щитовидній залозі. Іншими словами, кожен орган і тканину мають певний коефіцієнт радіаційного ризику (для легких, наприклад, він дорівнює 0,12, а для щитовидної залози - 0,03).

Поглинена і еквівалентна дози залежать і від часу опромінення (т. Е. Від часу взаємодії випромінювання з середовищем). За інших рівних умов ці дози тим більше, чим більше час опромінення, т. Е. Дози накопичуються з часом.

При оцінці ступеня небезпеки, яку радіоактивні ізотопи представляють для живих істот, важливо враховувати і те, що число радіоактивних (т. Е. Ще не розпалися) атомів в речовині зменшується з плином часу. При цьому пропорційно зменшується число радіоактивних розпадів в одиницю часу і яку випромінює енергія.

Енергія, як ви вже знаєте, є одним з факторів, що визначають ступінь негативного впливу випромінювання на людину. Тому так важливо знайти кількісну залежність (т. Е. Формулу), по якій можна було б розрахувати, скільки радіоактивних атомів залишається в речовині до будь-якого заданого моменту часу.

Для виведення цієї залежності необхідно знати, що швидкість зменшення кількості радіоактивних ядер у різних речовин різна і залежить від фізичної величини, званої періодом напіврозпаду.

• Період напіврозпаду Т - це проміжок часу, протягом якого вихідне число радіоактивних ядер в середньому зменшується вдвічі.

Виведемо залежність числа N радіоактивних атомів від часу t і періоду напіврозпаду Т. Час будемо відраховувати від моменту початку спостереження t0 = 0, коли число радіоактивних атомів в джерелі випромінювання дорівнювало N0. Тоді через проміжок часу t1 = Т число радіоактивних атомів буде

Формула називається законом радіоактивного розпаду. Її можна записати і в іншому вигляді, наприклад З останньої формули випливає, що чим більше Т, тим менше 2t / T і тим більше N (при заданих значеннях N0 і t). Виходить, чим більше період напіврозпаду елемента, тим довше він «живе» і випромінює, створивши небезпеку для живих організмів. У цьому переконують і представлені на малюнку 165 графіки залежності N від t, побудовані для ізотопів йоду (131I, ТI = 8 діб) і селену (75Se, TSe = 120 діб).

Слід знати способи захисту від радіації. Радіоактивні препарати ні в якому разі не можна брати в руки - їх беруть спеціальними щипцями з довгими ручками.

Найлегше захиститися від α-випромінювання, так як воно має низьку проникаючу здатність і тому затримується, наприклад, аркушем паперу, одягом, шкірою людини. У той же час α-частинки, що потрапили всередину організму (з їжею, повітрям, через відкриті рани), становлять велику небезпеку.

β-Випромінювання має набагато більшу проникаючу здатність, тому від його впливу важче захиститися. β-Випромінювання може проходити в повітрі відстань до 5 м; воно здатне проникати і в тканини організму (приблизно на 1-2 см). Захистом від β-випромінювання може служити, наприклад, шар алюмінію товщиною в кілька міліметрів.

Ще більшу проникаючу здатність володіє γ-випромінювання, воно затримується товстим шаром свинцю або бетону. Тому γ-радіоактивні препарати зберігають в товстостінних свинцевих контейнерах. З цієї ж причини в ядерних реакторах використовують товстий бетонний шар, що захищає людей від γ-променів і різних частинок (α-частинок, нейтронів, уламків ділення ядер і ін.).

1. У чому причина негативного впливу радіації на живі істоти?
2. Що називається поглиненої дозою випромінювання? При більшій чи меншій дозі випромінювання завдає організму більшої шкоди, якщо всі інші умови однакові?
3. Однаковий або різний за величиною біологічний ефект викликають в живому організмі різні види іонізуючих випромінювань? Наведіть приклади.
4. Що показує коефіцієнт якості випромінювання? Яка величина називається еквівалентною дозою випромінювання?
5. Який ще фактор (крім енергії, виду випромінювання і маси тіла) слід враховувати при оцінці впливів іонізуючих випромінювань на живий організм?
6. Який відсоток атомів радіоактивної речовини залишиться через 6 діб, якщо період його напіврозпаду дорівнює 2 діб?
7. Розкажіть про способи захисту від впливу радіоактивних частинок і випромінювань.