Страница 223 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Как определяют дозу поглощённого излучения? В каких единицах она измеряется?

Как определяют дозу поглощённого излучения? В каких единицах она измеряется?

Доза поглощённого излучения (или поглощённая доза) — это физическая величина, которая показывает количество энергии ионизирующего излучения, поглощённой единицей массы облучаемого вещества. Её определяют как отношение энергии $E$, которую ионизирующее излучение передало веществу, к массе $m$ этого вещества.

Формула для расчёта поглощённой дозы $D$ выглядит следующим образом: $D = \frac{E}{m}$

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения поглощённой дозы является грэй (Гр). Один грэй равен поглощённой дозе излучения, при которой облучаемому веществу массой 1 кг сообщается энергия 1 Дж.

$1 \text{ Гр} = 1 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$

Кроме того, используется внесистемная единица — рад (rad, radiation absorbed dose). Соотношение между грэем и радом следующее:

$1 \text{ Гр} = 100 \text{ рад}$

Соответственно, $1 \text{ рад} = 0.01 \text{ Гр} = 0.01 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$.

Ответ: Поглощённую дозу излучения определяют как отношение энергии ионизирующего излучения, поглощённой веществом, к массе этого вещества ($D = E/m$). В системе СИ она измеряется в греях (Гр), где $1 \text{ Гр} = 1 \text{ Дж/кг}$. Также используется внесистемная единица рад ($1 \text{ Гр} = 100 \text{ рад}$).

2. Что характеризует коэффициент относительной биологической активности (коэффициент качества)?

Коэффициент относительной биологической активности (ОБЭ), также известный как коэффициент качества (K), — это безразмерный поправочный коэффициент, который используется в радиологии и дозиметрии для оценки биологического эффекта ионизирующего излучения. Он характеризует способность различных видов излучения вызывать биологические повреждения в живых тканях при одинаковой поглощенной дозе.

Суть в том, что при одной и той же энергии, поглощенной единицей массы ткани (измеряется в греях, Гр), разные виды излучения (например, альфа-частицы, бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны) наносят разный по степени тяжести ущерб. Это связано с различной плотностью ионизации, которую они создают в веществе.

• Излучения с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ), такие как альфа-частицы и тяжелые ионы, создают очень плотную ионизацию в малом объеме ткани. Это приводит к более серьезным и трудно восстанавливаемым повреждениям на клеточном уровне (например, к множественным разрывам обеих цепей ДНК).
• Излучения с низкой ЛПЭ, такие как рентгеновское и гамма-излучение, распределяют свою энергию более равномерно и на большем пути, создавая менее концентрированные повреждения, которые клетки могут легче восстановить.

В качестве эталонного излучения, с которым производится сравнение, принято рентгеновское или гамма-излучение. Для него коэффициент качества принимается равным 1. Коэффициенты для других видов излучения показывают, во сколько раз их биологическая эффективность выше, чем у эталонного.

Примеры значений коэффициента качества (K), рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите:

• Рентгеновское, гамма- и бета-излучение: $K = 1$
• Тепловые нейтроны: $K \approx 5$
• Протоны и быстрые нейтроны (с энергией до 10 МэВ): $K \approx 10$
• Альфа-частицы и тяжелые ядра отдачи: $K = 20$

Коэффициент качества является ключевым для расчета эквивалентной дозы ($H$), которая лучше отражает биологический риск для организма, чем просто поглощенная доза ($D$). Эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв) и рассчитывается по формуле: $H = K \cdot D$

Использование эквивалентной дозы позволяет сравнивать и суммировать биологические эффекты от облучения разными видами радиации на единой шкале риска.

Ответ: Коэффициент относительной биологической активности (коэффициент качества) характеризует степень биологической опасности различных видов ионизирующего излучения. Он показывает, во сколько раз повреждающий эффект данного вида излучения больше, чем у эталонного (рентгеновского или гамма-) излучения при одинаковой поглощенной дозе.

3. Дайте определение эквивалентной дозы поглощённого излучения. В каких единицах она измеряется?

Дайте определение эквивалентной дозы поглощённого излучения.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения — это физическая величина, используемая для оценки биологического эффекта, производимого излучением на живые организмы, в частности на человека. В отличие от поглощённой дозы, которая измеряет только количество энергии, поглощённой единицей массы вещества, эквивалентная доза учитывает, что различные виды излучения (например, альфа-, бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны) при одинаковой поглощённой энергии вызывают разную степень биологического повреждения тканей.

Эквивалентная доза $H_T$ для органа или ткани $T$ определяется как произведение средней поглощённой дозы $D_T$ в этом органе на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения $W_R$. Если облучение происходит несколькими видами излучения, то эквивалентная доза является суммой доз от каждого вида: $$H_T = \sum_R W_R \cdot D_{T,R}$$ В этой формуле $D_{T,R}$ — это средняя поглощённая доза в органе $T$ от излучения вида $R$, измеряемая в Греях (Гр), а $W_R$ — это безразмерный взвешивающий коэффициент излучения (ранее назывался коэффициентом качества $Q$). Коэффициент $W_R$ показывает, во сколько раз биологическая эффективность данного вида излучения выше, чем у рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощённой дозе. Например, для фотонов и электронов $W_R = 1$, для протонов $W_R = 2$, а для альфа-частиц $W_R = 20$. Таким образом, эквивалентная доза позволяет сравнивать и суммировать биологические эффекты от разных видов ионизирующих излучений.

В каких единицах она измеряется?

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Один зиверт ($1$ Зв) равен эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощённой одним килограммом биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощённая доза в один грей ($1$ Гр) фотонного излучения. Таким образом, размерность зиверта такая же, как у грея — джоуль на килограмм ($1 \text{ Зв} = 1 \text{ Дж/кг}$).

Поскольку на практике дозы облучения часто бывают малы, используются дольные единицы: миллизиверт (мЗв), где $1 \text{ мЗв} = 10^{-3} \text{ Зв}$, и микрозиверт (мкЗв), где $1 \text{ мкЗв} = 10^{-6} \text{ Зв}$.

Также применяется внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рентгена, англ. rem). Соотношение между зивертом и бэром следующее: $1 \text{ Зв} = 100 \text{ бэр}$.

Ответ: Эквивалентная доза — это величина, характеризующая биологическое воздействие ионизирующего излучения на организм и равная произведению поглощённой дозы на взвешивающий коэффициент, зависящий от вида излучения ($H = D \cdot W_R$). Она измеряется в зивертах (Зв) в системе СИ, а также во внесистемных единицах — бэрах (1 Зв = 100 бэр).

4. Какое ионизирующее излучение представляет естественный радиационный фон? Чему равно среднее значение эквивалентной дозы поглощённого излучения, обусловленной естественным радиационным фоном?

Решение

Естественный радиационный фон — это постоянно действующее ионизирующее излучение, которое создается природными источниками и которому подвергаются все живые организмы на Земле. Он представляет собой сложную совокупность излучений разного вида и происхождения. Основными его составляющими являются:

1. Космическое излучение. Это поток высокоэнергетических частиц (в основном протонов и ядер гелия), приходящих из космоса. При взаимодействии с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы они создают вторичное космическое излучение (нейтроны, мюоны, электроны, гамма-кванты), которое достигает поверхности Земли. Интенсивность космического излучения зависит от высоты над уровнем моря (увеличивается с высотой) и от географической широты (выше у полюсов).

2. Земное излучение (терригенное). Это излучение от естественных радионуклидов, которые содержатся в земной коре, почве, горных породах, воде и строительных материалах. Наибольший вклад вносят радиоактивные семейства урана-238, тория-232, а также долгоживущий изотоп калий-40.

3. Внутреннее облучение. Это излучение от радионуклидов, которые попадают в организм человека с вдыхаемым воздухом, пищей и водой. Главный вклад (около половины дозы от естественных источников) вносит ингаляция радиоактивного газа радона ($^{222}Rn$) и его короткоживущих дочерних продуктов распада. Также значимыми являются калий-40 ($^{40}K$) и углерод-14 ($^{14}C$), которые являются естественными компонентами человеческого тела.

Таким образом, естественный радиационный фон — это суммарное излучение от космических, земных и инкорпорированных (находящихся внутри организма) источников.

Эквивалентная доза — это величина, используемая для оценки биологического воздействия ионизирующего излучения на организм человека. Она учитывает, что разные виды излучения при одинаковой поглощенной дозе вызывают разный биологический эффект. Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт ($Зв$).

Среднее значение годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой человеком от всех естественных источников радиации, по данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН), составляет приблизительно $2,4$ миллизиверта в год ($2,4 \ мЗв/год$). Эта величина является усредненной для всего населения Земли. В зависимости от конкретного места проживания (геологических особенностей, высоты над уровнем моря) и образа жизни, реальные значения могут варьироваться в диапазоне от $1$ до $10 \ мЗв/год$ и даже выше в некоторых регионах мира с высоким естественным радиационным фоном.

Ответ: Естественный радиационный фон представляет собой ионизирующее излучение от трех основных групп природных источников: космического излучения, земного излучения (от радионуклидов в земной коре) и внутреннего облучения (от радионуклидов, попавших в организм). Среднее значение эквивалентной дозы, обусловленной естественным радиационным фоном, составляет около $2,4 \ мЗв/год$.

5. Охарактеризуйте процентный вклад различных источников ионизирующего излучения в естественный радиационный фон.

Естественный радиационный фон — это ионизирующее излучение, которое создается природными источниками и постоянно воздействует на все живые организмы на Земле. Среднегодовая эффективная доза облучения, получаемая человеком от этих источников, составляет около 2.4 миллизиверта (мЗв), однако это значение может варьироваться в зависимости от географического положения, геологических особенностей местности и образа жизни. Процентный вклад различных источников в формирование естественного радиационного фона распределяется следующим образом:

• Радон и продукты его распада: ~53%
• Внешнее гамма-излучение земного происхождения: ~20%
• Космическое излучение: ~16%
• Внутреннее облучение (кроме радона): ~12%

Радон и продукты его распада

Основной вклад в дозу облучения, получаемую человеком от естественных источников, вносит ингаляция радона-222 ($ ^{222}\text{Rn} $) и его дочерних продуктов распада. Радон — это инертный радиоактивный газ, образующийся в результате распада урана-238 ($ ^{238}\text{U} $), который в различных концентрациях присутствует в земной коре. Будучи газом, радон может выходить из почвы и накапливаться в закрытых, плохо проветриваемых помещениях, таких как подвалы и первые этажи зданий. Наибольшую опасность представляют не сам радон, а его короткоживущие дочерние продукты (изотопы полония, свинца, висмута), которые являются альфа-излучателями. Попадая в легкие с вдыхаемым воздухом, они оседают на эпителии дыхательных путей, вызывая локальное внутреннее облучение легочной ткани.

Ответ: Вклад радона и продуктов его распада в естественный радиационный фон составляет наибольшую долю, примерно 53%.

Внешнее гамма-излучение земного происхождения

Этот компонент радиационного фона обусловлен гамма-излучением от естественных радионуклидов, находящихся в почве, горных породах и строительных материалах, изготовленных из природного сырья (кирпич, бетон, гранит). Главными источниками этого излучения являются калий-40 ($ ^{40}\text{K} $), а также радионуклиды, входящие в радиоактивные семейства урана-238 ($ ^{238}\text{U} $) и тория-232 ($ ^{232}\text{Th} $). Уровень этого излучения напрямую зависит от геологических особенностей местности. Например, он значительно выше в регионах с залежами гранитных пород, которые богаты ураном и торием, по сравнению с регионами с осадочными породами.

Ответ: Вклад внешнего гамма-излучения от источников земного происхождения составляет около 20% от суммарной дозы облучения от естественного радиационного фона.

Космическое излучение

Земля постоянно подвергается воздействию ионизирующего излучения, приходящего из космоса. Это излучение состоит из двух основных компонентов: галактического космического излучения (потоки частиц высокой энергии, приходящие из-за пределов Солнечной системы) и солнечного космического излучения (связанного со спорадическими событиями, такими как солнечные вспышки). Атмосфера и магнитное поле Земли служат эффективным защитным экраном, ослабляющим это излучение. По этой причине его интенсивность сильно зависит от высоты над уровнем моря. Например, доза облучения во время полета на современном авиалайнере на высоте 10–12 км в десятки раз выше, чем на поверхности Земли. Также наблюдается зависимость от геомагнитной широты (вклад выше у полюсов).

Ответ: Вклад космического излучения в естественный радиационный фон составляет в среднем 16%.

Внутреннее облучение (за исключением радона)

Человек получает дозу внутреннего облучения от радионуклидов, которые попадают в его организм с пищей, водой и через органы дыхания (кроме радона). Оказавшись внутри, эти радионуклиды участвуют в обменных процессах и облучают ткани и органы. Основной вклад в эту компоненту вносит калий-40 ($ ^{40}\text{K} $), который является природным изотопом калия — жизненно важного химического элемента. $ ^{40}\text{K} $ содержится в организме каждого человека и поступает с такими продуктами, как бананы, картофель, бобовые, мясо. Его содержание в теле поддерживается гомеостазом на постоянном уровне. Меньший вклад вносят радионуклиды из рядов урана-238 и тория-232 (например, полоний-210, $ ^{210}\text{Po} $), которые также поступают в организм с едой и водой.

Ответ: Вклад внутреннего облучения от радионуклидов, поступающих в организм с пищей и водой (кроме радона), составляет около 12% от дозы, создаваемой естественным радиационным фоном.