Колледж

Лекция 8

Защита от ионизирующих излучений

1. Виды ионизирующих излучений, их физическая природа

Ионизирующим излучением называют любой вид излучения, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Ионизирующие излучения, проникая в организм человека и проходя через биологическую ткань, вызывают в ней появление заряженных частиц – свободных электронов, в свою очередь, свободные электроны, взаимодействуя с соседними атомами, ионизируют их, что сопровождается изменением структуры молекул, разрушением межмолекулярных связей и гибелью клеток. Изменение биохимического состава клеток и обменных процессов нарушает функции центральной нервной системы, что, в свою очередь, вызывает нарушение функций желез внутренней секреции, изменение сосудистой проницаемости.

28 декабря 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильге́льм Ко́нрад Рентге́н (нем. произн. Рёнтген) (нем. Wilhelm Conrad Röntgen; 27 марта 1845 года – 10 февраля 1923 года) – выдающийся немецкий физик, первый в истории физики лауреат Нобелевской премии (1901 год), направил свою статью «О новом роде лучей» со снимком кисти своей жены председателю Физико-медицинского общества университета.

20 января 1896 г. А. Пуанкаре Жюль Анри́ Пуанкаре́ (фр. Jules Henri Poincaré; 29 апреля 1854, Нанси, Франция – 17 июля 1912, Париж) – французский математик, механик, физик, астроном и философ сделал сообщение об открытии Рентгена, высказав при этом гипотезу о том, что Х-лучи испускаются при фосфоресценции.

Фосфоресценция – это процесс, в котором энергия, поглощенная веществом, высвобождается относительно медленно в виде света. В некоторых случаях это механизм, описывающий «светящиеся в темноте» материалы, которые «заряжаются» на свету.

Антуан Анри Беккерель (фр. Antoine Henri Becquerel; 15 декабря 1852 – 25 августа 1908) – французский физик, решил проверить эту гипотезу. Вначале многочисленные опыты как будто подтверждали гипотезу А. Пуанкаре, о чём 24 февраля 1896 г. А. Беккерель и доложил на заседании академии.

Однако свои опыты он не прекратил. Исследуя работу Рентгена, он завернул флюоресцирующий материал – уранилсульфат калия в непрозрачный материал вместе с фотопластинками, с тем, чтобы приготовиться к эксперименту, требующему яркого солнечного света для вызывания фосфоресценции. Но 26 февраля в Париже была пасмурная погода, которая стояла над городом до 1 марта 1896 г. Всё это время препараты лежали в темном ящике. Беккерель не вынес пластинки на солнце, появления которого собственно и дожидался, пряча препараты в темном ящике. Однако ещё до осуществления эксперимента Беккерель решил прежде проявить их и обнаружил, что фотопластинки были полностью засвечены. Это открытие побудило Беккереля к исследованию спонтанного испускания ядерного излучения. И вот тут-то гипотеза Пуанкаре и рухнула. Осенью 1896 года Беккерель сообщил о своих результатах на очередном заседании академии, назвав невидимые лучи урановыми. После этого многие ученые окрестили их беккерелевскими. Но, ни первое, ни второе название почему-то не прижилось. Явление вошло в науку и жизнь как радиоактивность. Этот термин принадлежит Марии Кюри-Склодовской.

А. Беккерель был знаком с её мужем – Пьером Кюри (Пьер Кюри́ (фр. Pierre Curie; родился в 1859 г., в 1906 г. погиб под колесами почтовой кареты) – французский учёный-физик, один из первых исследователей радиоактивности, тогда уже известным физиком, и как-то, демонстрируя ему свои эксперименты, предложил проверить, нет ли в исследуемых образцах каких-либо специфических примесей, продуцирующих излучение. В 1897 г. Пьер Кюри поставил эту задачу перед своей молодой женой как тему её будущей докторской диссертации.

Мари́я Склодо́вская (фр. Marie Curie, польск. Maria Skłodowska-Curie; урождённая Мария Саломея Склодовская, польск. Maria Salomea Skłodowska; 7 ноября 1867 года, Варшава, Царство Польское, Российская империя – 4 июля 1934 года, близ Санселльмоза, Франция), после замужества Мари́я Склодо́вская-Кюри́ – польский учёный-экспериментатор (физик, химик), педагог, общественный деятель.

Работая с многочисленными образцами минералов, Мария обнаружила, что так называемые урановые лучи испускают и другие элементы, и потому им лучше дать иное название. Она предложила понятие «радиоактивность» (англ. слово radiation – излучение, лучеиспускание).

Радиоактивность – это природное явление, когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения. Эти излучения имеют большую энергию и способны ионизировать в той или иной степени любое вещество.

В ноябре 1903 г. супруги Кюри разделили с Беккерелем лавры Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности, а в 1911 г. Мари́я Склодо́вская-Кюри́ стала дважды лауреатом Нобелевской премии: по физике (1903 г.) и по химии в 1911 г. – открытие элементов радия и полония полоний – элемент, названный в честь Польши, родины Марии Кюри, и на сегодняшний день, единственной в мире женщиной – дважды лауреатом Нобелевской премии (хотя по условию Нобелевская премия может быть присуждена отдельным лицам всего один раз).

У Мари́и Склодо́вской-Кюри́ и Пьера Кюри родилась дочь Ире́н (девичья фамилия – Кюри; родилась 12 сентября 1897 г., Париж – 17 марта 1956 г., там же похоронена). Муж Ирен – Фредерик Жолио (Фредерик Жолио-Кюри (фр. Jean Frédéric Joliot-Curie, до брака – Фредерик Жолио; родился 19 марта 1900, Париж – 14 августа 1958, похоронен там же). После замужества Ире́н Кюри́ добавила фамилию мужа (фр. Irène Joliot-Curie), а Фредерик Жолио добавил к своей собственной фамилии фамилию жены (Фредерик Жолио-Кюри). Этим ученным совместно была присуждена Нобелевская премия по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов» (1935 г.)

После открытия радиоактивных элементов началось активное изучение физической природы их излучения.

Эрне́ст Ре́зерфорд (англ. Ernest Rutherford; родился 30 августа 1871 г., Спринг Грув, Новая Зеландия, умер 19 октября 1937, Кембридж) британский физик новозеландского происхождения, лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года экспериментально установил (1899 г.), что соли урана испускают лучи

удалось обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. Э. Резерфордом.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и некоторые более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, например индия, калия или кальция, одни природные изотопы стабильны, другие же радиоактивны).

Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер.

Было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета- и гамма-лучи).

Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи – потоком электронов, а гамма-лучи – потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов[1]. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие ядра (нуклиды, изотопы и химические элементы) радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

испус

лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;

лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);

лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал.

Радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в свинцовом контейнере. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное к лучу. Вся установка размещалась в вакууме.

Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис. 6.7.1 изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Рисунок 6.7.1.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, – магнитное поле

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия , β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10–10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Записать в тетради “радиоактивность” – (лат) radio – излучаю, aсtivus – действенный.

Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

В 1899 году под руководством английского ученого Э. Резерфорда, был проведен опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В результате опыта, проведенного под руководством английского физика Эрнеста Резерфорда, было обнаружено, что радиоактивное излучение радия неоднородно, т.е. оно имеет сложный состав. Рассмотрим, как проводился этот опыт.

В толстостенный свинцовый сосуд помещалась крупица радия на дне. Пучок радиоактивного излучения радия выходит сквозь узкое отверстие и попадает на фотопластинку (излучение радия направлено во все стороны, но сквозь толстый слой свинца оно пройти не может). После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно темное пятно – как раз в том месте, куда попадал пучок.

Потом опыт изменяли, создали сильное магнитное поле, действовавшее на пучок. В этом случае на проявленной пластинке возникало три пятна: одно, центральное, было на том же месте, что и раньше, а два других – по разные стороны от центрального. Если два потока отклонились в магнитном поле от прежнего направления, значит, они представляют собой потоки заряженных частиц. Отклонение в разные стороны свидетельствовало о разных знаках электрических зарядов частиц. В одном потоке присутствовали только положительно заряженные частицы, в другом – отрицательно заряженные. А центральный поток представлял собой излучение, не имеющее электрического заряда.

Положительно заряженные частицы назвали альфа-частицами, отрицательно заряженные – бета-частицами, а нейтральные – гамма квантами.

Некоторое время спустя в результате исследования некоторых физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы, проникающей способности) удалось установить, что гамма – кванты или лучи – это коротковолновое электромагнитное излучение, скорость распространения электромагнитного излучения такая же, как и у всех электромагнитных волн – 300000 км/с. Гамма – лучи обладают самой большой проникающей способностью.

Бета – частицы представляют собой поток быстрых электронов, летящих со скоростями близкими к скорости света. При этом пучок бета-лучей расширяется при отклонении, что свидетельствует о разных скоростях частиц в пучке. Проникающая способность больше, чем у альфа-лучей. Они проникают в воздух до 20 м.

Альфа частицы – это потоки ядер атомов гелия. Скорость этих частиц 20000 км/с, что превышает скорость современного самолета (1000 км/ч) в 72000 раз. Обладают наименьшей проникающей способностью (они полностью поглощаются поставленным на их пути листком бумаги). Альфа – лучи проникают в воздух до 10 см.

Итак, явление радиоактивности, т.е. самопроизвольного излучения веществом -, - и - частиц, наряду с другими экспериментальными фактами, послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав.

3. Закрепление знаний. 5 мин (фронтальный опрос устно)

1. Первичное закрепление.

1. В чем заключается открытие, сделанное Беккерелем в 1896г? (Беккерель обнаружил, что химический элемент уран самопроизвольно, без внешних воздействий излучает неизвестные невидимые лучи)

2. Кто из ученых занимался исследованием данных лучей? (А. Беккерель, М. и П. Кюри, Э.Резерфорд)

3. Как и кем было названо явление самопроизвольного излучения некоторыми атомами? (М. и П. Кюри, “радиоактивность”)

4. В ходе исследования явления радиоактивности, какие неизвестные ранее химические элементы были открыты? (полоний и радий)

5. Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения? ( - частицы)

6. Что представляют собой эти частицы? (Гамма-кванты или лучи – это коротковолновое электромагнитное излучение. Бета – частицы представляют собой поток быстрых электронов, летящих со скоростями близкими к скорости света. Альфа частицы – это потоки ядер атомов гелия. Скорость этих частиц 20000км/с)

7. О чем свидетельствует явление радиоактивности? (Явление радиоактивности, т.е. самопроизвольного излучения веществом - частиц, наряду с другими экспериментальными фактами, послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав).

1. Кто впервые наблюдал радиоактивное излучение урана?

2. Как были названы новые химические элементы, способные к самопроизвольному излучению, обнаруженные супругами Кюри?

3. Что такое радиоактивность?

4. Кто впервые ввел термин “радиоактивность”?

5. Что представляет собой -излучение, -излучение, -излучение?

В 1903 г. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди выдвинули теорию, согласно которой радиоактивные излучения возникают при распаде атомных ядер.

В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы -, -, - излучениями.

Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившие из канала излучения действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка размещалась в вакууме

В отсутствии магнитного поля на фотопластинки после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название α- лучей, отрицательно заряженный - β- лучей и нейтральный – - лучей.

Свойства радиоактивных излучений.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер атома гелия, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна: длина пробега в воздухе составляет 3—11 см, а в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека.

Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно.

Бета-излучение — поток электронов, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше, а скорость больше, чем у альфа-частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до 20 м, воде и живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см. На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц.

При внешнем облучении организма на глубину около 1 мм проникает 20—25 % бета-частиц. Поэтому внешнее бета-облучение представляет серьезную опасность лишь при попадании радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма.

Гамма-излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже альфа-распад. По своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное поле с длиной волны 10~8—10~и см. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц.

Гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества (слой половинного ослабления) толщиной: воды — 23 см, стали — около 3см, бетона — 10см, дерева — 30 см.

Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении.

Хорошей защитой от гамма-излучений являются тяжелые металлы, например свинец, который для этих целей используется наиболее часто.

• Значение открытия радиоактивности.

Слайды 31.

Явление радиоактивности т.е. самопроизвольное излучение веществом a-, b-, g - частиц послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав.

4.

Закрепление учебного материала.

Цель учителя:

• проверить степень усвоения нового материала;

• формирование навыка применения знаний.

Цель обучающихся:

• уметь применять знания, полученные при изучении нового материала.

Методы: тестирование, словесный.

Критерий достижения цели:

ответына вопросы теста.

Учитель на закрепление нового материала предлагает учащимсясесть за компьютеры и ответить на вопросы теста

Учащиеся самостоятельно работают с текстовым тренажером (практический курс ЭОР Ресурс 1).

Правильность ответов на вопросы фиксируется в журнале тренажера и выводится в печать.

Учитель для устранения пробелов и систематизации полученных знаний предлагает учащимся ответить на вопросы по теме (слайды 32-34):

1. В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896г?

2. Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?

3. Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке. Что выяснилось в результате данного опыта?

4. Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения?

5. Что представляют эти частицы?

6. О чем свидетельствовало явление радиоактивности?

Радиоактивные вещества широко применяются в различных отраслях промышленности, а также в научно-исследовательских работах. Так, ионизирующие излучения широко применяются в машино- и приборостроении, в горнорудной и угольной промышленности, металлургии и в других отраслях народного хозяйства для автоматического контроля технологических операций и управления ими, выявления дефектов (дефектоскопия) в отливках, поковках, сварных швах, для контроля качества изделий. Применяются они также при структурном анализе кристаллических веществ. Источниками ионизирующих излучении, кроме радиоактивных веществ, могут быть электровакуумные приборы, работающие при высоких напряжениях (рентгеновские аппараты). Широко используются радиоактивные вещества и другие источники ионизирующего излучения в медицине, атомной энергетике и др.

К ионизирующим излучениям относятся альфа-, бета -, гамма-излучение, рентгеновское излучение, потоки нейтронов и других ядерных частиц, космические лучи.

Альфа-излучение представляет собой поток -частиц положительно заряженных ядер атомов гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Альфа-излучение характеризуется большой ионизирующей и малой проникающей способностями. Вследствие этих свойств -частицы не проникают через внешний слой кожи. Вредное воздействие на организм человека проявляется при нахождении его в зоне действия вещества, излучающего -частицы.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов, излучаемых ядрами атомов радиоактивных веществ при радиоактивном распаде. Максимальный пробег в воздухе составляет 1800 см, а в живых тканях 2,5 см. Ионизирующая способность -частиц ниже, а проникающая способность выше, чем -частиц, так как они обладают значительно меньшей массой и при одинаковой с -частицами энергии имеют меньший заряд.

Гамма-излучение – электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Это высокочастотное электромагнитное излучение, возникающее в процессе ядерных реакций или радиоактивного распада.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма- квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов большая.

Рентгеновское излучение, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов, является также электромагнитным излучением. Оно может возникнуть в любых электровакуумных установках, обладающих малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

При оценке возможной радиационной опасности необходимо учитывать загрязнение воздуха при работах с радиоактивными веществами. Оно происходит не только при механическом измельчении твердого вещества, разбрызгивании жидкого вещества или конденсации паров, но и в результате образования радиоактивных аэрозолей самопроизвольным путем.

Источники излучения могут быть закрытыми, когда при эксплуатации исключается попадание радиоактивных веществ в окружающую среду, и открытыми, когда возможно попадание радиоактивных веществ в окружающую среду.