Физика. Орієнтовний розподіл навчального часу
 Скачать 3.21 Mb.
|
|
Тема. Біологічна дія радіоактивних випромінювань Мета уроку: ознайомити учнів з біологічною дією радіоактивних випромінювань і правилами захисту від радіоактивних випромінювань.  Тип уроку: комбінований урок.ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 1. Активність радіоактивної речовини Радіоактивність — це дивне явище природи, відкрите Беккере-лем наприкінці XIX століття, суть якого полягає в мимовільному спонтанному перетворенні атомних ядер деяких елементів на інші, що супроводжується виділенням трьох видів «променів». Елементи, здатні до таких перетворень, стали називатися радіоактивними, тобто здатними до цього перетворення. Наприкінці ХХ століття було рекомендовано термін «ізотоп» замінити на «нуклід» і, відповідно, «радіоактивний ізотоп» на «радіонуклід». Кількісна характеристика радіоактивності одержала у фізиків назву «активність». Основна фізична величина, що характеризує радіоактивне джерело,— це число розпадів, що відбуваються в ньому, за одиницю часу. Така величина була названа активністю. Активність тієї чи іншої речовини, наприклад, радіоактивного ізотопу, визначається кількістю атомів, що розпадаються за одиницю часу (скажімо, за одну секунду), отже, число радіоактивних части нок, що випускаються речовиною, прямо пропорційно її активності. ^ Активністю α радіоактивного джерела називають фізичну величину, що характеризує кількість радіоактивних розпадів за одиницю часу. Як одиницю активності в СІ обрано беккерель (Бк): активність у 1 Бк відповідає одному розпаду в секунду. > 1 Бк — це активність такого джерела, у якому за 1 с відбувається 1 розпад (одне ядерне перетворення). У практичній дозиметрії й радіаційній фізиці частіше використовується інша одиниця — кюрі (позначається Кі). Кюрі в 37 мільярдів раз більше одного беккерель: 1 Кі = 3,7 · 1010 Бк. З чим пов'язаний такий, здавалося б, дивний і довільний вибір одиниці? Справа в тому, що саме таке число розпадів відбувається в одному грамі Радію-226 — історично першої речовини, у якій були вивчені закони радіоактивного розпаду. Оскільки активність одного грама чистого радію близька до 1 Кі, то її часто виражають у грамах. У цьому (і тільки в цьому) випадку одиниця маси речовини має одиничну активність. Радіоактивний розпад — статистичний процес. Кожне радіоактивне ядро може розпастися в будь-який момент, і закономірність спостерігається тільки в середньому, у випадку розпаду досить великої кількості ядер. Стала розпаду λ характеризує ймовірність розпаду ядра в одиницю часу. Вона являє собою відносне зменшення числа ядер, що піддаються розпаду за одиницю часу. Активність певної радіоактивної речовини пов'язана зі сталою розпаду цієї речовини співвідношенням: A = λΝ, де N — кількість атомів радіоактивної речовини в цьому радіоактивному препараті. Стала розпаду λ має розмірність с-1 і характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Величина τ = 1/λ називається середньою тривалістю життя радіоактивного ізотопу (середній час життя). Значення λ і τ не залежать від зовнішніх умов і визначаються лише властивостями атомного ядра.  КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас» У фізиці й техніці часто використовують ще одну фізичну величину — питому активність радіоактивного джерела. Ця величина характеризує активність одиниці маси α /m і вимірюється Бк/кг. 2. Доза поглиненого випромінювання Виявилося, що ступінь впливу йонізуючого випромінювання на речовину не піддається простому визначенню через складність і різноманітність процесів, що протікають при цьому. Важливим з того, що дає початок фізико-хімічним змінам у речовині, що опромінюється, і призводить до визначеного радіаційного ефекту, є поглинання енергії йонізуючого випромінювання речовиною. У результаті цього виникло поняття поглинена доза. ^ Доза поглиненого випромінювання — це фізична величина, що чисельно дорівнює енергії випромінювання, поглиненій одиницею маси речовини.  ,де W — енергія йонізуючого випромінювання, переданого речовині, m — маса цієї речовини. За одиницю виміру поглиненої дози в СІ прийнятий грей (Гр). ^ 1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого випромінювання 1 Дж.  Природне тло радіації (космічні промені, радіоактивність навколишнього середовища й людського тіла) складає за рік дозу випромінювання близько 2 · 10-3 Гр на людину. Міжнародна комісія з радіаційного захисту установила для осіб, що працюють з випромінюванням, гранично допустиму за рік дозу 0,05 Гр. Доза випромінювання в 3-10 Гр, отримана за короткий час, смертельна. Електрони й атоми різних речовин по-різному взаємодіють з радіаційним випромінюванням. Поглинена доза випромінювання залежить від роду речовини, що опромінюється, і від виду джерела випромінювання, енергії його частинок. Крім цих причин, погли-  257 Ядерна фізика. Атомне ядро. Ядерна енергетика нена доза залежить від часу. Чим більший час випромінювання, тим більша доза поглинання. ^ Потужність поглиненої дози випромінювання — відношення збільшення поглиненої дози випромінювання за інтервал часу до тривалості цього інтервалу.  де D — доза поглиненого випромінювання, t — час випромінювання. Розвиток дозиметрії визначався необхідністю захисту від впливу рентгенівського і γ-випромінювань природних радіоактивних речовин. Іонізація середовища під впливом цих випромінювань виявилася одним з фізичних ефектів, що був пов'язаний з біологічною дією випромінювання. Для оцінювання випромінювання в повітрі застосовують величину експозиційної дози. ^ Експозиційна доза — міра йонізації повітря, що дорівнює відношенню сумарного електричного заряду йонів одного знака, утвореного йонізуючим випромінюванням, до маси 1 кг повітря. У СІ експозиційну дозу вимірюють у 1 Кл/кг. ^ 1 Кл/кг — експозиційна доза випромінювання, за якої сумарний заряд всіх іонів одного знака, що утворився в 1 кг повітря, дорівнює 1 Кл. Іноді використовують позасистемну одиницю експозиційної дози — рентген (Р). Рентген розглядається як одиниця, що визначає іонізуючу здатність рентгенівського і гамма-випромінювань у 1 см3 повітря. 1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг. 3. Вплив радіації на живий організм Вивчення впливу радіоактивного випромінювання на живі організми стає актуальною задачею сучасної цивілізації. Навіть порівняно слабке випромінювання, що при повному поглинанні підвищує температуру тіла на 0,001 °С, порушує життєдіяльність клітин. За великої інтенсивності випромінювання живі організми гинуть. Небезпека випромінювання збільшується тим, що воно не викликає ніяких болісних відчуттів навіть при смертельних дозах. Механізм дії, що уражає біологічні об'єкти, ще недостатньо вивчений. Але зрозуміло, що він зводиться до йонізації атомів і молекул, і це призводить до зміни їхньої хімічної активності. Найбільш чутливі до опромінення ядра клітин, особливо клітин, що швидко діляться. Тому в першу чергу випромінювання уражають кістковий мозок, через що порушується процес утворення крові. Далі настає ураження клітин травного тракту й інших органів. 4. Коефіцієнт якості іонізуючого випромінювання За однієї й тієї ж дози поглиненого випромінювання різні види випромінювання викликають неоднаковий біологічний ефект. Біологічні ефекти, зумовлені будь-якими йонізуючими випромінюваннями, прийнято оцінювати порівняно з ефектом від рентгенівського й гамма-випромінювання. Наприклад, за однієї й тієї ж поглиненої дози біологічний ефект від дії α-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 — таким самим, як від γ-випромінювання. У зв'язку з цим прийнято відмінності у біологічній дії різних видів випромінювання характеризувати коефіцієнтом якості К. Коефіцієнт якості рентгенівського й гамма-випромінювання прийнято вважати рівним одиниці, а альфа-випромінювання — 20. У зв'язку з тим, що за однієї і тієї ж дози поглинання різні випромінювання спричиняють різні біологічні ефекти, для оцінки цих ефектів була уведена величина, названа еквівалентною дозою випромінювання (DfJ. ^ Еквівалентна доза поглиненого випромінювання визначається як добуток дози поглиненого випромінювання на коефіцієнт якості. De = K ■ D. Оскільки коефіцієнт якості безрозмірна величина, то еквівалентна доза випромінювання виміряється в тих же одиницях, що й поглинена. Але існує й спеціальна одиниця. У СІ одиниця еквівалентної дози — зиверт (1 Зв). ^ 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, за якої доза поглиненого γ-випромінювання дорівнює 1 Гр. Величина еквівалентної дози визначає відносно безпечні й дуже небезпечні для живого організму дози опромінення. Поглинена й еквівалентна дози залежать від часу опромінення. За інших рівних умов ці дози тим більше, чим більше час опромінення. Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу ? Чим визначається активність того чи іншого радіоактивного ізотопу? ? Який вплив чинить випромінювання на речовину? ? Що характеризує доза поглиненого випромінювання? ? Які фактори слід враховувати під час оцінювання впливів іонізуючих випромінювань на живий організм? ? У чому причина негативного впливу радіації на живі організми? ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ 1. Якісні питання Який вид радіоактивного випромінювання найбільш небезпечний для опромінення людини: а) α-випромінювання; б) β-випромінювання; в) γ-випромінювання? У чому полягає уражаюча дія випромінювань на біологічні об'єкти? До яких наслідків може призвести опромінення людини радіоактивними променями? Що характеризує коефіцієнт якості? Як буде змінюватися природний радіоактивний фон по мірі піднімання у повітря на повітряній кулі? 2. Навчаємося розв'язувати задачі 1. Після Чорнобильської аварії окремі ділянки електростанції мали радіоактивне забруднення з потужністю поглиненої дози 7,5 Гр/год. За який час перебування у небезпечній зоні людина КирикЛ. А. · «Усі уроки фізики. 9 клас» могла одержати на цих ділянках смертельну експозиційну дозу в 5 Зв? Вважайте, що коефіцієнт якості радіаційного випромінювання дорівнює 1. 2. Під час роботи з радіоактивними препаратами лаборант піддається дії опромінення з потужністю поглиненої дози 0,02 мкГр/с. Яку дозу опромінення одержує лаборант протягом робочої зміни тривалістю 4 години? Що ми дізналися на уроці Активністю α радіоактивного джерела називають фізичну величину, що характеризує кількість радіоактивних розпадів за одиницю часу. 1 Бк — це активність такого джерела, у якому за 1 с відбувається 1 розпад (одне ядерне перетворення). Доза поглиненого випромінювання — це фізична величина, що чисельно дорівнює енергії випромінювання, поглиненої одиницею маси речовини.  • 1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого випромінювання 1 Дж.  • Потужність поглиненої дози випромінювання — відношення збільшення поглиненої дози випромінювання за інтервал часу до тривалості цього інтервалу.  • Експозиційна доза — міра йонізації повітря, що дорівнює відношенню сумарного електричного заряду йонів одного знака, утвореного йонізуючим випромінюванням, до маси 1 кг повітря. 1 Кл/кг — експозиційна доза випромінювання, за якої сумарний заряд всіх іонів одного знака, що утворився в 1 кг повітря, дорівнює 1 Кл. Еквівалентна доза поглиненого випромінювання визначається як добуток дози поглиненого випромінювання на коефіцієнт якості. 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, за якої доза поглиненого γ-випромінювання дорівнює 1 Гр. Домашнє завдання Підр.: § 34. Зб.: рів1 — № 18.12; 18.13; 18.14. рів2 — № 18.15; 18.16; 18.17; 18.18, 18.19. рів3 — № 18.20, 18.21; 18.22; 18.32; 18.24.     Урок 10/57 Тема. Лабораторна робота № 11 «Вивчення будови побутового дозиметра й проведення дозиметричних вимірів на місцевості» Мета уроку: вивчити будову побутового дозиметра й інших приладів для реєстрації заряджених частинок; навчитися проводити дозиметричні виміри на місцевості. Тип уроку: урок контролю й оцінювання знань. Устаткування:дозиметр. РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ Перш ніж стати до роботи, повторіть: а) властивості радіоактивного випромінювання; б) будову побутового дозиметра; в) правила проведення дозиметричних вимірів. Ознайомтеся з принципом дії індивідуального термолюмінесцентного дозиметра. У дозиметрі люмінофор запаяний у скляний балон разом з нагрівальною спіраллю, електроди якої виведені назовні. Для того, щоб виміряти дозу, скляний балон вставляють електродами в спеціальний вимірювальний пристрій, у якому при пропущенні електричного струму через спіраль нагрівається люмінофор. Дозиметр вимірює інтенсивність термолюмінесценції. Ознайомтеся з принципом дії індивідуального дозиметра ІД-02. В ІД-02 використовується як детектор іонізаційна камера конденсаторного типу. Принцип дії приладу базується на вимірюванні зміни напруги в іонізаційній камері під дією йонізуючого випромінювання, що дозволяє використовувати прилад для індивідуального дозиметричного контролю персоналу. Значення накопиченої дози зчитується на шкалі дозиметра через окуляр убудованого в дозиметр мікроскопа. За допомогою двох дозиметрів проведіть виміри в кабінеті фізики й інформатики. Запишіть у зошит для лабораторних робіт висновок: що ви вимірювали і який отриманий результат. Урок 11/58 Тема. Екологічні проблеми атомної енергетики Мета уроку: ознайомити учнів із ситуацією в атомній енергетиці України; розповісти про ядерний паливний цикл і природний радіаційний фон. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План уроку
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 1. Атомна енергетика України В основі виробництва теплової й електричної енергії лежить процес спалювання викопних енергоресурсів — вугілля, нафти, газу. В атомній же енергетиці вироблення енергії базується на поділі ядер атомів урану й плутонію під час поглинання нейтронів. Тому використання енергії атомного ядра, розвиток атомної енергетики дозволяє знаходити альтернативні шляхи розв'язання цієї проблеми. Відкриття поділу важких ядер під час захоплення нейтронів, яке перетворило наше століття на атомне, зробило помітний внесок до запасів енергетичного викопного палива у вигляді ядерного пального. Попри обмежене використання таких видів енергетичних ресурсів, як нафта, природничий газ, ядерне паливо й вугілля, потреба в різних видах енергії й палива постійно збільшується. Електроенергетичний комплекс України — це основа функціонування й розвитку національної економіки, забезпечення цивілізованих умов життя суспільства, тому його технічний, технологічний та інтелектуальний потенціал перебуває на досить високому рівні. Будівництво потужних ліній електропередач дає можливість освоєння паливних ресурсів незалежно від віддалення районів споживання. Розміщення підприємств важкої індустрії, де витрати на паливо складають значну частину собівартості готової продукції, значною мірою залежать від паливного фактора. На територіальну організацію продуктивних сил і на розвиток усього народного господарства помітний вплив чинить електроенергетика, що є складовою частиною паливно-енергетичного комплексу України. Енергетика має велике районоутворювальне значення. У ряді районів України (Донбас, Наддніпрянщин) вона визначає виробничу спеціалізацію, є основою формування територіально-виробничого комплексу. Усі електростанції України поділяються на 4 види: теплові електростанції, що працюють на твердому, рідкому й газоподібному паливі. Серед них розрізняють конденсаційні й теплоелектроцентралі; гідравлічні, що використовують відповідно гідроресурси й поділяються на гідроелектростанції, гідростимуляційні й припливні; атомні, що у вигляді палива використовують збагачений уран або інші радіоактивні елементи; електростанції, що використовують нетрадиційні джерела енергії. Серед них перспективними є вітрові й сонячні. До складу енергетичної області України входять: 8 гідроелектростанцій (ГЕС); 44 теплові електростанції (ТЕС); 5 атомних електростанцій (АЕС) — Запорізька, Південноукраїнська, Рівненська, Хмельницька, Чорнобильська. На п'ятьох атомних станціях України знаходиться 17 енергоблоків, у тому числі: діючих — 14; знятих з експлуатації (№ 1,2 Чорнобильської АЕС) — 2; зруйнований внаслідок аварії четвертий блок ЧАЕС — 1. Програма розвитку атомної енергетики до 2010 року визначена в Національній енергетичній програмі України, затвердженій Вер ховною Радою України. Згідно з постановою Верховної Ради України, в цю програму вносяться зміни й доповнення на основі сформованої на сьогодні фінансово-економічної ситуації в країні. Ядерний паливний цикл Використання атомної енергії вимагає використання різних підприємств. ^ Ядерний паливний цикл — це послідовність технологічних процесів, спрямованих на одержання електроенергії за допомогою ядерних реакцій. Ядерний паливний цикл (ЯПЦ) починається з видобутку уранової руди й закінчується утилізацією ядерних відходів. Крім видобутку й переробки уранової руди, ЯПЦ включає збагачення природного урану, виготовлення тепловидільних зборок, виробництво електроенергії на АЕС, поводження з опроміненим ядерним паливом, включаючи його переробку, поводження з радіоактивними відходами (кондиціонування, поховання). Кожний з цих об'єктів становить небезпеку. Це і радіоактивний пил у шахтах з видобутку урану, і нещасні випадки, як з персоналом, що обслуговує ядерні установки, так і з людьми, що живуть поблизу, і можливість забруднення ґрунтової води у сховищі для радіоактивних відходів. Кожне підприємство зі збагачення руди виробляє кілька тисяч тонн цього матеріалу на рік. Можливо, лише мала його частина буде використана, а від іншого потрібно буде позбутися. Радіоактивні відходи виробляються в кожній ядерній установці. Якщо місце поховання буде обране й спроектоване правильно, то сховища здатні зменшити небезпеку радіоактивного зараження місцевості. Природний радіаційний фон На населення земної кулі постійно впливає природний радіаційний фон. ^ Радіаційний фон — радіоактивне випромінювання, чия поява на Землі зумовлена дією природних і техногенних джерел, в умовах якого постійно перебуває людина. Уникнути радіоактивного опромінення неможливо. Життя на Землі виникло й розвивається в умовах постійного опро мінення. Це необхідний компонент проживання в біосфері. Він базується на трьох складових. Це космічна радіація (протони, альфа-частинки, гамма-промені), випромінювання природних радіоактивних речовин, що присутні у ґрунті, і випромінювання тих радіоактивних речовин (також природних), що потрапляють до нас в організм із повітрям, їжею, водою. Космічне випромінювання досягає Землі у вигляді протонів і більш важких ядерних частинок, що мають величезну енергію. Частина цієї енергії витрачається на зіткнення з ядрами атмосферного азоту, кисню, аргону, у результаті чого на висотах до 20 км виникає вторинне високоенергетичне випромінювання. Кожен житель нашої планети в середньому від випромінювання з космосу одержує протягом року дозу в 300 мкЗв. Земними джерелами випромінювань є понад 60 природних радіонуклідів, у тому числі 32 радіонукліди урано-радієвого й торієвого сімейств, близько 11 довгоживучих радіонуклідів, що не входять у ці сімейства (Калій-40, Рубідій-87 й інші), що мають періоди напіврозпаду від 107 до 1015 років. Зрозуміло, рівні земної радіації неоднакові для різних місць земної кулі і залежать від концентрації радіонуклідів у тій чи іншій ділянці земної кори. У місцях проживання основної маси населення вони приблизно однакові. У середньому близько 2/3 дози опромінення, яке людина одержує від природних джерел радіації, надходить від радіоактивних речовин, що потрапили в організм із їжею, водою і повітрям. Особливо небезпечні для людини радіонукліди, що потрапили усередину організму, оскільки в цьому випадку ні одяг, ні шкіра не виконують своїх захисних функцій. В організмі радіонукліди опромінюють різні органи й тканини, визначаючи дозу внутрішнього опромінення людини. Надходження радіоактивних продуктів до організму людини протікає за такими харчовими ланцюжками: ґрунт -— продукти рослинного походження (хліб, овочі, фрукти) -— людина; ґрунт - рослинність - молочна худоба - молоко - людина; ґрунт — рослинність — тварина — м'ясні продукти — людина; водойма - риба (і інші мешканці водойми) - людина. Якщо не вживати ніяких заходів, що обмежують надходження радіонуклідів у харчові ланцюги, протягом кількох наступних десятиліть деякі види харчових продуктів залишаться забрудненими Цезієм-137 понад припустимий рівень. Особливо це стосується лісових грибів і ягід, а також риби непроточних водойм. У зв'язку з можливістю потрапляння до організму людини через їжу радіоактивних речовин, особливо радіонуклідів Цезію-137 і Стронцію-90, в Україні нормативно введений граничний уміст цих елементів у харчових продуктах. 4. Граничні дози опромінення Наявність природного радіаційного фону — необхідна умова еволюції життя на Землі. Обов'язковою умовою еволюції є мінливість як наслідок мутації генів. За відсутності природного радіаційного фону, імовірно, не було б і життя на Землі таким, яким воно зараз є. Якщо процес опромінення відбувається протягом тривалого часу, то, накопичуючись, поглинена організмом доза стає дедалі більшою. Доза, яку одержує організм за одиницю часу, називається потужністю дози. Потужність еквівалентної дози природного фону йонізуючих випромінювань, утвореного космічними променями, а також радіоактивністю ґрунту, води, повітря і самої людини, складає в середньому 1,25 мЗв/рік. Для людини, що безупинно піддається опроміненню протягом трудової діяльності (50 років), безпечною вважається потужність дози 50 мЗв/рік. Якщо тіло людини протягом короткого часу піддається опроміненню з еквівалентною дозою 3-5 Зв, то в 50 % випадків через 1-2 місяці настає смерть. Доза в 10-50 Зв, отримана за таких умов, призводить до смерті через 1-2 тижні. Отримавши дозу 200-250 Зв, людина помирає майже миттєво. Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу ? Які випромінювання називають іонізуючими? Наведіть приклади. ? Охарактеризуйте вплив різних джерел іонізуючого випромінювання на природний радіаційний фон. ? Чи є на Землі місця, де немає природного радіоактивного фону? ? Які атомні електростанції працюють в Україні? ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ 1. Якісні питання Перелічіть переваги й недоліки використання ядерного пального? Яка послідовність операцій ядерного циклу? Як утилізують радіоактивні відходи? Як випромінювання використовують під час стерилізації медичних інструментів? Навіщо продукти харчування перед упакуванням у герметичну тару опромінюють? Що ми дізналися на уроці Ядерний паливний цикл — це послідовність технологічних процесів, спрямованих на одержання електроенергії за допомогою ядерних реакцій. Радіаційний фон — радіоактивне випромінювання, чия поява на Землі спричинена дією природних і техногенних джерел, в умовах якого постійно перебуває людина. Домашнє завдання Підр.: § 37. Урок 12/59 |