35

Министерство образования Республики Беларусь Государственное учреждение высшего профессионального образования «БЕЛОРУССКО – РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

Радиационная безопасность

Методические указания к индивидуальному заданию № 1 для студентов всех специальностей по дисциплине “Защита населения и объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность.”

Могилёв 2008

Составители: доц., канд. техн. наук Мирончик А.Ф.,

ст. преподаватель Поляков А.Г.

Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуаци­ях. Радиационная безопасность. Методические указания для выполнения индивидуального задания № 1 студентами для всех специальностей - Могилев: Белорусско-Российский университет, 2008, - 32 с.

Рассмотрены теоретические вопросы для выполнения индивидуального задания № 1 по курсу «Защита населения и объектов в чрезвы­чайных ситуациях. Радиационная безопасность» студентами. Могут быть использованы в качестве дополнительного пособия для самостоятельного изучения дисциплины.

Одобрено кафедрой «БЖД» «­­­­­____»_________2008 г., протокол №

Рецензент доц., канд. техн. наук Галюжин С.Д.

Редактор Червинская А.Т.

Рекомендовано к опубликованию комиссией методического совета БРУ

Ответственный за выпуск Мирончик А.Ф.

ЗАЩИТА НАСЕЛЕНИЯ И ОБЪЕКТОВ В ЧЕРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ. РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ.

© Составление А.Ф.Мирончик, Л.Г.Поляков, 2008

Содержание

Введение …………………………………………………………………………… 4

1 Основные положения, определения, формулы ……………………….. ……. 5

2 Примеры решения задач………………………………………………… 13

3 Порядок выбора варианта индивидуального задания ……………………….17

4 Содержание заданий ………………………………………………………….. 18

Список литературы …………………………………………………………. 23

Приложение А ………………………………………………………………. 24

Введение

Авария - всегда неожиданность, всегда беда, но иногда ее последствия многократно увеличиваются из-за преступной беспечности и безответственности. К сожалению, именно эти причины привели к аварии на Чернобыль­ской АЭС. Она повлияла на судьбы миллионов людей нашей страны и оказа­лась столь губительной для окружающей природы. Эта авария - самая круп­ная и тяжелая катастрофа в мире за весь период использования атомной энергетики. Территории, подвергшиеся воздействию чернобыльских радиа­ционных осадков, являются зоной национального бедствия.

Радиация на несколько сотен лет пришла на нашу землю. Её никак нельзя уничтожить, на ее фоне придется жить нашему и следующим поколе­ниям. Чернобыльская трагедия сотворена человеческими руками, и ее масштабы можно уменьшить только общечеловеческими усилиями, основанны­ми на знании проблемы.

Курс «Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность» носит характер научно-практической учебной дисциплины. Он предполагает закрепление теоретической части посредством решения конкретных задач. По результатам выполнения студентами индивидуального задания проверяется качество практического использования ими знаний по части дисциплины, изучающей вопросы радиационной безопасности.

1. Основные положения, определения, формулы

Явление радиоактивности было открыто французским физиком А.Беккерелем (1896 г.). В начале XX в. английский ученый Э.Резерфорд, ис­следуя рассеяние -частиц тонкой металлической фольгой, установил суще­ствование атомного ядра и выдвинул планетарную модель атома. Исполь­зуя эту модель, датский физик И.Бор в 1913 г. разработал первую количест­венную теорию атома, теорию простейшего атома - атома водорода.

В 1932 г. английский физик Д.Чейдвик открыл нейтрон, а немецкий ученый В.Гейзенберг и независимо от него советский физик Д.Иваненко вы­двинули протонно-нейтронную модель строения атомного ядра.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер имеют порядок 10^-10 — 10^-15 м, в то время как линейные размеры атомов порядка 10^-10 м.

Ядра состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтро­нов. Ядро любого элемента, которое имеет определенное строение и состав, называется нуклидом. Нуклид обозначается символом химического элемента с указанием атомного номера и массового числа в качестве нижнего и верх­него индекса соответственно.

Ядра с одним и тем же зарядом, но с разными массовыми числами на­зывают изотопами.

Нестабильные изотопы наряду с тяжелыми элементами с атомным но­мером выше 83 составляют многочисленное семейство нестабильных ядер нуклидов, претерпевающих радиоактивный распад и объединяемых единым понятием радионуклидов.

Масса протона кг, масса электрона кг, . Массы нейтрона и протона в углеродной шкале атомных масс (а.е.м.): = 1,00865017а.е.м., = 1,007276470 а.е.м. Массовые числа протона и нейтрона одинаковы и равны единице. Заряд электрона равен эле­ментарному заряду е. Положительный заряд протона равен по абсолютному значению элементарному заряду. Заряд ядра атома, выраженный в элемен­тарных зарядах, равен порядковому номеру Z элемента в периодической сис­теме Д.И.Менделеева, количество электронов в атоме также равно порядко­вому номеру Z.

Частицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными, принято называть элементарными частицами. Помимо электрона, протона и нейтрона известны и другие элементарные частицы.

При образования ядра ядерными силами производится работа, вследст­вие чего энергия покоя Е образовавшегося ядра будет меньше суммы энергий покоя Е (Z, А) невзаимодействующих нуклонов:

где - масса покоя протона;

- масса покоя нейтрона.

Величина

называется энергией связи ядра.

Дефект масс характеризует разность, между массами невзаимодейст­вующих нуклонов и массой образовавшегося из них ядра:

где Z - количество протонов;

- масса протона, кг;

N - количество нейтронов;

- масса нейтрона, кг;

- масса ядра, кг.

Массовое число ядра А представляет собой общее количество нукло­нов:

А=Z+N

Если - энергия связи ядра, выделяющаяся при его образовании, то соответствующая ей масса характеризует уменьшение сум­марной массы всех нуклонов при образовании ядра.

В результате радиоактивного распада нестабильным ядром испускают­ся различные ядерные частицы и энергия в виде фотонов, Различают радио­нуклиды, испускающие - и -частицы, такие радиоактивные превращения называют - и - распадами.

Альфа-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на -частицу (ядро атома гелия ) и ядро-продукт. Вылетающие из ядер -частицы имеют высокую скорость порядка 10⁷ м/с и кинетическую энер­гию в пределах 2...9 МэВ. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп - частиц близкой, но различной энергии, т.е. группы имеют спектр энергии. При - распаде атомных ядер довольно часто часть энергии - распада идет на возбуждения ядра-продукта. Ядро-продукт спустя короткое время после вылета -частицы испускает один или несколь­ко -квантов и переходит в нормальное состояние. Таким образом, -распад радиоактивных ядер может сопровождаться испусканием -квантов.

Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный (), позитроппьш () распад и электронный захват, или К-захват. Первые два вида превращений состоят в том, что ядро испускает электрон и антиней­трино (при распаде) или позитрон и нейтрино (при распаде). Электрон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) не существуют в атомных ядрах. Они образуются в момент вылета из ядра в результате превращения одного вида нуклона в ядре в другой - нейтрона в протон или протона в нейтрон. Элек­трон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) имеют в точности равные массы, а электрический заряд античастицы но абсолютному значению равен заряду частицы и противоположен ему по знаку.

Поскольку при -распаде из ядра вылетают две частицы, а распреде­ление между ними общей энергии происходит статистически, то спектр энер­гии электронов (позитронов) является непрерывным от нуля до максималь­ной величины E_max, называемой верхней границей -спектра. Для -радиоактивных ядер величина E_max заключена в области энергии от 15 кэВ до 15МэВ.

Ядра, в которых происходят превращения нейтрона в протон, называют -радиоактивными. -распад может сопровождаться гамма-излучением в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта. Возбужденное ядро через малый промежуток времени освобожда­ется от избытка энергии путем испускания одного или нескольких -квантов.

Гамма-излучением называется жесткое электромагнитное излучение, энергия которого высвобождается при переходе ядер из возбужденного в ос­новное или в менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях. В первом случае энергия -квантов равна разности энергий начального и ко­нечного уровней ядра. Эта величина имеет порядок 0,1 МэВ. Длина волны -лучей не превышает 10^-11 м.

Процесс -излучения не является самостоятельным типом радиоактив­ности, так как он происходит без изменения массового и зарядового чисел ядра.

Искусственная радиоактивность - это радиоактивность ядра, кото­рая возникает в результате ядерных реакций. В этом случае ядра испускают в основном -частицы и -излучение.

Для радиоактивности установлены следующие законы:

1) радиоактивный распад не зависит от внешних условий (температу­ры, давления, химических взаимодействий);

2) -частицы и -излучение имеют дискретные значения энергии, -частицы - различные; -распад сопровождается излучением нейтрино и ан­тинейтрино;

3) изменение числа радиоактивных ядер подчиняется закону радиоак­тивного распада:

,

где – число нераспавшихся радиоактивных атомов;

- число атомов в напольный момент времени;

t - время, прошедшее с начала распада, с;

- период полураспада, с;

- вероятность распада одного ядра за 1 с (постоянная распада для данного вида ядер), причем .

Период полураспада (таблица А.3) - период, за который активность радиоактивного вещества убывает в два раза. Распадающееся ядро называет­ся материнским, а ядро продукта распада - дочерним. Средним временем или средней продолжительностью жизни ядра называется величина .

Время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит и пределах от 10^-8 до 10^-15 с;

4) новые ядра, получившиеся после радиоактивного распада, занимают в периодической системе элементов другие места (закон смещения).

Правила смещения ядер при радиоактивных распадах:

при -распаде

при -распаде (электронном)

при -распаде (позитронном)

где Х - символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру;

Y - символ химического элемента, соответствующего дочернему ядру;

- соответственно, ядро изотопа гелия и электрон.

Делением ядра называется ядерная реакция распада тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на дне приблизительно равные части, называемые осколками.

Если каждый из нейтронов деления взаимодействует с соседними ядрами делящегося вещества и в свою очередь вызывает в них реакцию деле­ния, причем возникает лавинообразное нарастание числа актов деления, то такая реакция называется цепной ядерной реакцией.

Активная зона - область пространства, где происходит цепная реакция.

Минимальная масса делящихся веществ, находящихся в активной зоне критических размеров, называется критической массой

Ядерными реакторами называют устройства, в которых осуществля­ются управляемые цепные ядерные реакции

Для синтеза одноименно заряженных протонов необходимо преодоле­ние кулоновских сил отталкивания, что возможно при достаточно высоких скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.

Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации среды. Радиация будет ионизирующей в том случае, если она способна разрывать химические связи молекул и тем самым вызывать биологически важные изменения. Ионизирующее излучение может состоять из заряженных и незаряженных частиц. Энергию частиц ионизи­рующего излучения измеряют в электрон-вольтах (эВ):

Поток ионизирующих частиц - число частиц, проходящих через данную повер-хность за единицу времени. Измеряется числом частиц в еди­ницу времени (с^-1 ). Плотность потока ионизирующих частиц - отношение числа частиц, проникающих в элементарную сферу за единицу времени, к площади поперечногосечения этой сферы. Единица измерения - число частиц/см²мин.

Взаимодействие ядерных излучений с веществом. При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами из которых оно состоит, т.е. с электронами и атомными ядрами. Причем это взаимодействие можно разделить на два вида:

а) взаимодействие частиц с атомными электронами, в результате кото­рого энергия частицы передается одному из электронов атома, что приводит к возбуждению (ионизации) атома. Этот случай взаимодействия является неупругим столкновением (рассеянием), так как в результате его внутренняя энергия атома изменяется. В неупругом процессе имеет место выделение или поглощение энергии;

б) взаимодействие частиц с ядрами атомов приводит к изменению на­правления движения заряженных частиц, при этом траектория движения их искривляется. Такое взаимодействие не приводит к изменению внутренней энергии атома, и этот случай взаимодействия является упругим столкновени­ем (рассеянием). При упругом рассеянии частицы не претерпевают превращения, а изменяют состояние своего движения.

Все процессы рассеяния и распадов подчиняются законам сохранения энергии, электрического заряда, импульса и др.

Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. Длина пробега увеличивается с возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды. При одинаковой начальной энергии тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие.

Бета-частицы, вылетающие из атомных ядер со всевозможными на­чальными энергиями (от нулевой до некоторой максимальной), обладают различными величинами пробега в веществе (таблица А.1). Проникающую способность (-частиц различных радиоактивных изотопов обычно характе­ризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все -частицы.

Поглощение электронов описывается законом:

где - начальная интенсивность пучка электронов;

- интенсивность пучка после прохождения слоя вещества тол­щиной d;

- линейный коэффициент поглощения, см^-1;

где - массовый коэффициент поглощения, который имеет приблизи­тельно одинаковое значение в различных веществах (для одного и того же излучения);

- плотность вещества.

Альфа-частицы, обладающие значительно большей массой, чем -частипы, при столкновениях с электронами атомных оболочек испытывают очень небольшие отклонения от первоначального направления и движутся почти прямолинейно. Пробеги -частиц в веществе очень малы (таблица А.1).

Благодаря небольшой проникающей способности - и -излучения обычно не представляют опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть -частиц и совсем не пропускает -частицы. Однако при попаданий внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивным веществом поверхности тела - и -излучения могут причинить человеку серьезный вред.

Гамма-лучи но своим свойствам сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, -лучи представ­ляют собой электромагнитные волны. Скорость их распространения такая же, как и у всех электромагнитных волн - около 3x10⁸ м/с. Гамма-кванты и нейтроны не обладают электрическими зарядами и поэтому свободно прохо­дят сквозь большинство встречающихся на их пути атомов. Проникающая способность -лучей увеличивается с ростом энергии -кванюв и уменьша­ется с увеличением плотности вещества поглотителя. Они являются наиболее проникающим видом излучения и поэтому при внешнем облучении пред­ставляю: для человека ощутимую опасность.

Ослабление интенсивности пучка -лучей I определяется соотноше­нием:

где - интенсивность пучка при входе в слой вещества. МэВ/cм² с;

- линейный коэффициент ослабления, см^-1;

d - толщина слоя, см.

Таким образом, конечными результатами взаимодействия с веществом любого вида ядерного излучения являются ионизация и возбуждение атомов среды, а иногда, при осуществлении ядерных реакций, и образование новых элементов или изотопов.

Активность - мера радиоактивности. Представляет собой число рас­падов радиоактивных ядер в единицу времени:

A=N/t,

где N - количество распадов;

t - время, за которое произошло N распадов ядер, с.

В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превраще­ние в секунду, которое называется беккерель (Бк). Внесистемной единицей является кюри (Ки).

Величина активности характеризует лишь наличие радиоактивного элемента и интенсивность испускаемого им излучения, не определяя ни тип элемента, ни тип самого излучения.

Активность радионуклида связана с числом радиоактивных атомов в источнике в данный момент времени соотношением

Число радиоактивных атомов N в массе радионуклида m можно опре­делить по уравнению

N=mN_A/K

где N_A - постоянная Авогадро ( моль^-1);

К - массовое число (365x24x60x60xX, для радия-226, например, X=226).

Связь массы радионуклида с его активностью имеет вид

где - константа, зависящая от единицы измерения активности (если активность выражается в беккерелях, то c).

Удельная активность (А_уд=[Бк/кг, Кu/кг]) - это отношение активности радионуклида, содержащегося в образце, к массе образца М:

А_уд=А/М.

Объемная активность (А_об=[Бк/м³, Бк/л, Ku/л]) - это отношение активности радионуклида, содержащегося в образце, к объему образца V:

А_об=А/V

Поверхностном активность (А_пов=[Бк/м², Ku/км²]) - это отношение активности радионуклида, содержащеюся на поверхности образца, к площа­ди ею поверхности S:

А_пов=А/S

Мерой воздействия любого вида ядерного излучения на вещество явля­ется поглощенная доза излучения D (таблица А.4). Доза излучения есть от­ношение средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме:

Единица поглощенной дозы получила название грэй (Гр):

1 Гр=1 Дж/кг.

Используется внесистемная единица - рад: 1 рад=10^-2 Гр.

Разные виды излучения обладают различными ионизационными свойствами, поэтому даже при одной и той же поглощенной дозе они оказываю не одинаковое поражающее действие на организм. Эквивалентная доза H - дозиметрическая величина, введенная для оценки возможного ущерба здоро­вью человека от хронического воздействия ионизирующего изучения про­извольного состава, которая равна произведению поглощенной дозы в дан­ном элементе объема биологической ткани на средний коэффициент каче­ства ионизирующего излучения в этом элементе объема:

H=Dk

В системе СИ единицей измерения эквивалентной лозы является зиверт (Зв), внесистемной - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр=10^-2 Зв.

Значение коэффициента качества излучения для некоторых излучений: -излучение, рентгеновское излучение, -частицы (электроны, позитроны) - 1, протоны и нейтроны с энергией меньше 10 МэВ - 10, -частицы с энерги­ей меньше 10 МэВ - 20.

Мощность эквивалентной дозы Р - отношение приращения эквива­лентной дозы за интервал времени к этому интервалу времени. Единица из­мерения Зв/с, внесистемная единица - бэр/с: 1 Зв/с=100 бэр/с.

Эффективная эквивалентная доза H_эф - сумма произведений дозы, полученной каждым органом, на соответствующий весовой (взвешенный) коэффициент, учитывающий различную чувствительность различных орга­нов и тканей организма к излучению:

Эффективную эквивалентную дозу, полученную органами и тканями, оценивают по коэффициенту радиационного риска . Она отражает сум­марный эффект облучения различных органов организма. Измеряется в зивертах (Зв).

Экспозиционная доза G - это количественная характеристика рентге­новского и гамма-излучения, которая выражает энергию фотонного излуче­ния, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в едини­це массы атмосферного воздуха (Кл/кг; 1 Кл/кг=3876 Р; 1 Р=2,58x10^-4 Кл/кг):

Мощность экспозиционной дозы (Х) - отношение приращения экспозиционной дозы за интервал времени к этому интервалу времени. Едини­ца измерения - мкР/ч (микрорентген в час) и мР/ч (миллирентген в час).

Предел дозы — наибольшее среднее значение индивидуальной эквива­лентной дозы за календарный год у критической группы лиц, при котором равномерное облучение в течение 70 лет не может вызвать в состоянии здо­ровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными метода­ми (таблица А.6).

Прежде чем попасть в организм человека, радиоактивные вещества проходят по сложным маршрутам в окружающей среде. Это приходится учи­тывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника (рисунок 1).

Внешнее облучение - облучение тела от находящихся вне его источ­ников ионизирующего излучения.

Внутреннее облучение - облучение тела от находящихся внутри его источников ионизирующего излучения.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Физическое воз­действие ионизирующей радиации любого вида на ткани живого организма заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают высокой химической активностью, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чу­ждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разру­шаются отдельные сложные молекулы и элементы клеточных структур. Лу­чевое поражение, нанесенное при небольшой дозе обучения, живой орга­низм может перенести легко, без каких-либо болезненных симптомов; боль­шие дозы облучения могут привести к серьезному заболеванию или деталь­ному исходу (таблица А.6).

сток

подпахотный слой почвы

Рисунок 1- Возможные пути распространения радионуклидов в окружающей среде

Хотя малые дозы облучения не вызывают в человеческом организме каких-либо изменений, обнаруживаемых современными методами, их действие не является совершенно безвредным. В результате действия ионизирую­щих излучений на организм человека увеличивается вероятность некоторых заболеваний, возрастает вероятность повреждения клеток, несущих генети­ческую информацию (таблица А.7). Поэтому общим правилом при работе с радиоактивными изотопами и другими источниками ионизирующей радиа­ции является сведение уровня облучения человека к возможному минимуму.