laboratornye_raboty / №30 Естественная радиоактивность воздуха. Изучение закона радиоактивного распада

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания студентам по теме лабораторного занятия

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ ВОЗДУХА ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Воронеж 2009

РАЗДЕЛ: ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

ТЕМА: Естественная радиоактивность воздуха. Изучение закона радиоактивного распада.

ЦЕЛЬ: Рассмотреть законы радиоактивного распада и основные свойства радиоактивных излу-

чений, проанализировать источники радиоактивного фона. Познакомить студентов с ос-

новными проблемами экологии в области защиты природы и человека от действия ра-

диоактивного излучения.

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ: Научиться определять естественный радиоактивный фон, ис-

пользуя радиометрическую лабораторную установку.

Приготовить радиоактивный источник из изотопов атмосферного воздуха и исследовать изменение его активности с течением времени. Определить период полураспада данного источника.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ: Знание законов радиоактивного излучения, понимание сложности про-

блем хранения и использования радиоактивных изотопов, элементарные практические навыки работы с источниками излучения помогут будущим врачам не только решать во-

просы использования радиоактивных излучений для диагностики и лечения, но и зани-

маться проблемами защиты от радиационного излучения.

I. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ

Задание 0.

Повторить теоретический материал школьного курса физики, раздел "Радиоактивность" по сле-

дующей схеме:

1.Явление радиоактивности.

2.Понятие о радиоактивном распаде.

3.Принципы действия приборов для регистрации элементарных частиц.

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендованную литературу и настоя-

щую методическую разработку, по следующей логической структуре учебного материала:

1.Основные характеристики трех видов радиоактивного излучения: , и .

2.Основной закон радиоактивного распада и основные параметры распада:

–постоянная распада;

–период полураспада.

3.Активность радиоактивного изотопа:

–понятие активности;

2

–единицы измерения активности;

–изменение активности с течением времени;

–вычисление активности изотопа на указанный момент времени.

4.Естественная радиоактивность воздуха:

–источники радиоактивности;

–краткая характеристика радиоактивного радона.

5.Дозиметрия:

–поглощенная доза, единицы измерения;

–экспозиционная доза, единицы измерения;

–предельно допустимая доза для населения.

Проанализировать вопросы:

– Как изменится ядро атома радиоактивного изотопа, если его распад сопровождается -

излучением?

–Как смещается элемент по периодической системе при -распаде его ядра?

–Каковы особенности изменения ядра при -излучении?

Средства для самоподготовки студентов во внеурочное время

1. Учебная и методическая литература а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я.

Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 516-542.

–Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 139179, 408-428.

–Лекционный материал по разделу "Ионизирующие излучения".

б) дополнительная

–Федорова В.Н., Степанова Л.А. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. Лекции и семинары. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005. – С. 402435.

–Артюхов В.Г. Биофизика / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, В.П. Шмелев. – Воронеж: Изд-

во ВГУ, 1994. – С. 303-329.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ

Основные характеристики -, -, -излучений

Радиоактивность – самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других

3

ядер или элементарных частиц.

Выделяют 3 типа радиоактивного распада:

1.-распад сопровождается испусканием ядра атома гелия (42Не).

2.-распад сопровождается испусканием -частиц (электроны или позитроны).

3.-излучение – электромагнитное излучение с длиной волны λ = (4-0,1) 10–12 м.

Основные характеристики радиоактивных излучений приведены в таблице 1.

Основной закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад ядер является вероятностным процессом. Указать конкретное время распада определенного ядра невозможно, поэтому необходимо оперировать интервалом

времени и вероятностью распада определенного количества ядер изотопа за это время.

Радиоактивный распад подчиняется основному закону распада – число нераспавшихся

радиоактивных ядер убывает со временем по экспоненциальному закону:

N N0 e t ,

где N0 и N – число исходных и оставшихся ядер, t – время, λ – постоянная распада – величина

пропорциональная вероятности распада ядра (различна для разных радиоактивных веществ).

На практике обычно используют период полураспада (Т) – время, в течение которого

распадается половина радиоактивных ядер:

Активность радиоактивного изотопа

Под активностью (А) радиоактивного изотопа понимают число распадов ядер (N) в еди-

ницу времени (t):

4

то есть активность убывает со временем по экспоненциальному закону.

A(t) A0 ,

2t/T

где A0 ln2 N0 – активность препарата в начальный момент времени t=0. T

Единица измерения активности в СИ – беккерель (Бк) – один акт распада в секунду. Так же используют внесистемные единицы:

–Кюри – 1 Ku = 3,77 1010 Бк = 3,77 1010 с–1;

–Резерфорд – 1 Рд = 106 Бк = 106 с–1.

Впаспорте радиоактивного источника указывается, активность на определенный момент времени. При использовании радиоактивного вещества в целях диагностики или лечения необ-

ходимо вычислить активность на данный момент времени или другими словами решить вопрос о том, какое количество радиоактивного вещества необходимо взять для работы, исходя из его активности.

Естественная радиоактивность воздуха

Радиоактивность воздуха составляет до 50% от естественного радиоактивного фона и обусловлена в основном наличием радона (Rn) и продуктов его распада.

В природе встречаются три радиоактивных изотопа радона:

219Rn с периодом полураспада 3,9 с;

220Rn с периодом полураспада 54,5 с;

222Rn с периодом полураспада 3,8 суток.

Радон относится к инертным газам, не имеет цвета, запаха и вкуса. Образуется в радио-

активных рудах и минералах земли, откуда поступает в атмосферу. Является источником высо-

коэнергетичных -частиц (5,40 МэВ) и -излучения (0,51 МэВ).

В единице объема воды при 0 С растворяется 0,5 объема радона. Химически радон не активен, но может образовывать клатраты с водой, фенолом, толуолом. Продукты распада ра-

дона (радий А, радий В радий С, изотопы полония, висмута и свинца) – радиоактивные твердые вещества которые хорошо сорбируются в пористых телах.

На определении концентрации радона в приповерхностном слое воздуха основаны эма-

национные методы геологической разведки, позволяющие оценить содержание урана и тория в земной коре на глубине до 1,5 км.

Радон используется в медицине: при применении радоновых ванн изотоп легко проника-

ет в организм и, циркулируя в крови, оказывает комплексное действие на организм. Рекомен-

5

дуются радоновые ванны при лечении заболеваний нервной и сердечно-сосудистой систем, ор-

ганов дыхания и пищеварения, костей, суставов и мышц, гинекологических заболеваний, бо-

лезней обмена веществ и др.

Дозиметрия

Действие радиоактивного излучения на вещество определяется поглощенной дозой (D)

– количество энергии излучения, поглощенной единицей массы вещества за время облучения:

D E

m

Единица измерения в СИ – грей (Гр) – доза излучения, при которой 1 кг вещества пере-

дается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемная единица – рад – 1 рад = 10–2 Гр.

Практически измеряют дозу, поглощенную окружающим воздухом, а затем пересчиты-

вают на данное вещество или организм человека. Дозу, поглощенную воздухом, называют экс-

позиционной (X).

В СИ экспозиционная доза измеряется в Кл/кг – такая доза излучения, при действии ко-

торой на 1 кг воздуха образуются ионы с суммарным зарядом равным 1 кулону. Внесистемной единицей является рентген – 1 Р = 2,58 10–4 Кл/кг (при дозе в 1 рентген в 1 см3 воздуха образу-

ется 2 109 пар ионов). Для воды и мягких тканей человека поглощенная доза в радах численно равна экспозиционной дозе в рентгенах.

Для оценки биологического действия различных видов излучений вводится коэффици-

ент качества (К). Для рентгеновского и -излучения К=1, для -излучения К=20. Произведение поглощенной дозы на коэффициент качества называют эквивалентной дозой (Н)

Н= К D

ВСИ эквивалентная доза измеряется В Зивертах (Зв). Внесистемная единица – бэр – 1 бэр = 10–2 Зв.

Внашей стране установлена предельно допустимая доза для населения равная 0,5 бэр в год (5 мЗв в год).

Смертельной считается доза в 400 рад, полученная за короткое время. При лучевой тера-

пии раковых больных доза облучения составляет 60-80 рад.

В среднем за год от естественного радиационного фона человек получает дозу порядка

1-2 мЗв. Она соответствует 10-20 мкР/ч. К такой дозе организм человека адаптирован и одной из задач экологической службы является обеспечение условий труда и жизни человека, при ко-

торых лучевая нагрузка не превышала бы допустимые нормы.

6

II. РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВРЕМЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ.

Задание 1.

Получить допуск к занятию. Для этого необходимо:

– иметь конспект в рабочей тетради, содержащий название работы, основные теоретические понятия изучаемой темы, задачи эксперимента, таблицу по образцу для внесения экспери-

ментальных результатов;

–успешно пройти контроль по методике проведения эксперимента;

–получить у преподавателя разрешение выполнять экспериментальную часть работы.

Задание 2.

Выполнение лабораторной работы, обсуждение полученных результатов, оформление конспек-

та.

Приборы и принадлежности

1.Радиометрическая лабораторная установка (радиометр).

2.ЦУИП.

3.Пылесос.

4.Фильтр.

5.Часы.

Внастоящем эксперименте необходимо, используя свойства радиоактивных изотопов воздуха оседать на твердых частицах, пропустить некоторый объем воздуха через фильтр и сконцентрировать в нем естественные радиоактивные изотопы. Активность такого препарата

214 214

будет определяться в основном радиоактивностью изотопов 82 Pb и 84 Bi .

Следующий этап работы – измерение активности полученного источника с помощью ра-

диометра и построение кривой распада.

Радиометрическая лабораторная установка включает в себя следующие элементы:

Блок питания Счетчик импульсов

Счетная трубка Усилитель импульсов импульсы

Звуковой индикатор излучения

В качестве детектора -излучений используется счетчик Гейгера-Мюллера на счётной трубке СМ-4. При появлении ионизирующих частиц в газовом объеме трубки развивается элек-

трический разряд, формирующий на выходе электрической схемы импульсы напряжения, кото-

7

рые после усиления поступают на регистраторы для восприятия на слух и для подсчета числа импульсов за определенное время счетчиком. В качестве счетчика использован цифровой уни-

версальный прибор ЦУИП, работающий в режиме счета.

В качестве источника излучения используется войлочный фильтр, концентрирующий в себе указанные ранее изотопы воздуха, продуваемого через фильтр пылесосом.

Полученные данные внести в таблицу 1.

Меры безопасности

1.К работе с аппаратом допускаются лица, изучившие описание и сдавшие допуск к занятию.

2.ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

–работать без заземления радиометра, ЦУИП;

–работать с неисправными сетевых кабелями, вилками, розетками.

3.Не включать аппарат без разрешения преподавателя.

Подготовка лабораторной установки к работе

1. С разрешения преподавателя включить лабораторную установку в сетевую розетку. При этом исправность радиометра обнаруживается на слух по характерным тихим щелчкам, соответст-

вующим фону.

2.Подготовить ЦУИП в режиме счета, для чего нажать кнопки:

–калибровка – измер.;

–ёмкость фильтра – 0,1.

–род работы – f; ручн. зап.;

–вход частотомера I – +;

–вход частотомера II – 0;

–ручку "частота измерений" (без усилий) по движению часовой стрелки до конца;

–остальные кнопки отжаты.

ЦУИП включается тумблером – "сеть".

Выполнение работы

1.Определение естественного фона Nф (имп./мин.).

1.1.Аккуратно, без усилий, снять алюминиевый цилиндр-держатель фильтра со счетной трубки, отложить в сторону.

1.2.Произвести измерение числа импульсов радиоактивного фона в течение t = 3 мин. Для этого нажать кнопку – сброс (обнулить показания), затем нажать кнопку старт и одно-

временно пустить секундомер или засечь время по собственным часам. По истечении 3

минут нажать кнопку – стоп, показания счета разделить на 3 и занести в протокол (При-

8

мечание: число регистрируемых импульсов за один и тот же промежуток времени – слу-

чайная величина. При малых временах счета импульсов, когда t = 1 мин., для нахожде-

ния средних значений требовалось бы применение статистики. В данной работе исполь-

зуем усреднение по времени, что удобнее. Чем больше время счета, тем меньше будет относительная погрешность оценки среднего значения. Будем считать, что в нашем слу-

чае t = 3 мин. приемлемо для получения достаточно точных результатов).

2.Подготовка источника естественной радиоактивности.

2.1.Изъять фильтр из цилиндра и приложить его плотно без зазоров к входному отверстию предварительно включенного пылесоса. Фильтр притянется потоком воздуха и будет держаться самостоятельно. Произвести продувку 5-7 минут.

2.2.Выключить пылесос. Вставить фильтр в цилиндр внешней стороной (при продувке) к

оси цилиндра и надвинуть его на трубку до упора без усилий.

3.Проведение измерений с источником.

3.1.Работа с источником проводится аналогично определению естественного фона. Время пуска счетчика занести в таблицу 1. Оно принимается в дальнейшем за t = 0. Показание счета ровно через 3 мин. разделить на 3 и вычесть Nф. Полученное значение N0 занести в таблицу 1.

3.2.Повторить измерения (Ni) 5-7 раз, чередуя 3 мин. счета и 5-10 мин. перерыва. Следует помнить, что длительность перерыва не критична, но начало каждого интервала ti долж-

но быть точно определено и занесено в таблицу. Длительность счета t = 3 мин., критична

идолжна точно выдерживаться.

4.Оформление результатов измерений в тетради.

4.1.Построить график Ni(ti) = f(t). Определить по графику N0/2 – период полураспада Т

(мин).

4.2.Построить график ln(N0/Ni) = f(t). Определить по графику постоянную распада λ, равную тангенсу угла наклона прямой, проходящей через начало координат, к оси абсцисс:

λ ln(N0/Ni) , [мин–1] t

Рассчитать Т по формуле Т = ln2/λ и сравнить с ранее полученным значением.

Полученные данные внести в таблицу 1.

5. Подготовить письменный отчет по работе, который должен содержать формулы и результаты измерений, занесенные в таблицы, графики с анализом исследуемых процессов.

9

Таблица 1.

Nф(имп./мин.) =

Время счета t = 3 мин. Примечание: данные подставлять свои.

Задание 3.

Контроль конечного уровня знаний: устно-речевой отчет по выполненной лабораторной работе.

Задание 4.

Задание на следующее занятие: раздел и тема занятия.

10