Номер 3, страница 173, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 103. Влияние радиоактивного излучения на живые организмы. Дозиметрия. Вопросы и задания - номер 3, страница 173.

Условие.

3. Почему для хранения радиоактивных материалов используют толстостенные свинцовые контейнеры?

Решение.

Решение

Для хранения радиоактивных материалов используют толстостенные свинцовые контейнеры для обеспечения надежной защиты от ионизирующего излучения, которое испускают эти материалы. Эффективность такой защиты обусловлена двумя ключевыми факторами: выбором материала (свинца) и толщиной стенок контейнера.

1. Роль свинца в качестве защитного материала

Радиоактивные вещества являются источниками ионизирующего излучения, в основном альфа- ($ \alpha $), бета- ($ \beta $) и гамма-излучения ($ \gamma $). Альфа- и бета-частицы обладают относительно низкой проникающей способностью и могут быть остановлены тонкими слоями материала. Однако гамма-излучение представляет собой высокоэнергетические фотоны и обладает очень высокой проникающей способностью, представляя наибольшую опасность.

Свинец (Pb) является чрезвычайно эффективным материалом для защиты от гамма-излучения по нескольким причинам. Во-первых, он обладает высокой плотностью ($ \rho \approx 11,34 \, \text{г/см}^3 $). В большом количестве атомов, плотно упакованных в единице объема, увеличивается вероятность взаимодействия гамма-квантов с веществом, что приводит к их поглощению и рассеянию. Во-вторых, у свинца большой атомный номер ($ Z = 82 $). Атомы с большим количеством протонов в ядре и электронов на орбиталях значительно эффективнее поглощают энергию гамма-квантов. Основные механизмы взаимодействия — фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар — напрямую зависят от атомного номера материала. Чем выше $\text{Z}$, тем эффективнее поглощается излучение.

2. Значение толщины стенок контейнера

Процесс прохождения излучения через вещество описывается законом ослабления. Интенсивность излучения не падает до нуля мгновенно, а уменьшается экспоненциально по мере увеличения толщины защитного слоя. Этот закон можно выразить формулой:

$ I = I_0 e^{-\mu x} $

где $ I $ — интенсивность излучения, прошедшего через слой толщиной $ x $, $ I_0 $ — начальная интенсивность излучения, а $ \mu $ — линейный коэффициент ослабления, который зависит от энергии излучения и свойств материала (для свинца он велик).

Из этой формулы следует, что для ослабления мощного потока гамма-излучения до безопасного для человека и окружающей среды уровня требуется слой материала значительной толщины. Тонкий слой свинца лишь незначительно уменьшит интенсивность излучения, в то время как толстая стенка способна ослабить его в тысячи и миллионы раз. Поэтому контейнеры делают толстостенными, чтобы гарантировать, что уровень радиации на их внешней поверхности не превышает установленных норм безопасности.

Ответ:

Толстостенные свинцовые контейнеры используют для хранения радиоактивных материалов, потому что свинец обладает высокой плотностью и большим атомным номером, что делает его очень эффективным для поглощения проникающего гамма-излучения. Толстые стенки необходимы для того, чтобы ослабить интенсивность излучения до безопасного уровня в соответствии с экспоненциальным законом ослабления.