Номер 5, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. III. Практические приложения физических знаний - номер 5, страница 297.

Условие.

Влияние ионизирующего излучения на живые организмы и способы защиты от него.

Решение.

Влияние ионизирующего излучения на живые организмы

Ионизирующее излучение — это потоки частиц (альфа, бета, нейтроны) и электромагнитных квантов (гамма- и рентгеновское излучение), энергия которых достаточна для ионизации, то есть для отрыва электронов от атомов и молекул вещества. Проходя через живую ткань, такое излучение передает ей свою энергию, вызывая цепь сложных физико-химических и биологических процессов, которые приводят к повреждению клеток, тканей и всего организма.

Механизм биологического действия излучения можно разделить на два типа:

• Прямое действие: Ионизирующая частица непосредственно взаимодействует с жизненно важными макромолекулами клетки, такими как ДНК, РНК и белки. Это приводит к разрыву химических связей, образованию сшивок и другим повреждениям, нарушающим их нормальное функционирование. Повреждение ДНК является наиболее критичным, так как может привести к генетическим мутациям, нарушению клеточного деления, гибели клетки или ее злокачественному перерождению (канцерогенезу).
• Непрямое (косвенное) действие: Ионизирующее излучение взаимодействует с молекулами воды, которые составляют около 70-80% массы клетки. Этот процесс, называемый радиолизом воды, приводит к образованию высокоактивных свободных радикалов (например, гидроксильный радикал $•OH$, перекись водорода $H_2O_2$). Эти химически агрессивные частицы диффундируют по клетке и повреждают различные биологические молекулы, включая ДНК. Для рентгеновского и гамма-излучения вклад непрямого действия является доминирующим.

Последствия облучения для организма классифицируются следующим образом:

• Соматические эффекты: Проявляются у самого облученного индивида. Они бывают:
  • Детерминированными (пороговыми): Возникают только при превышении определенного порога дозы, и их тяжесть возрастает с увеличением дозы. К ним относятся острая лучевая болезнь, лучевые ожоги кожи, катаракта, стерильность.
  • Стохастическими (вероятностными): Не имеют дозового порога, то есть любая, даже самая малая доза, может вызвать эффект. С ростом дозы увеличивается не тяжесть, а вероятность возникновения эффекта. Основными стохастическими эффектами являются злокачественные новообразования (рак, лейкозы).
• Генетические (наследственные) эффекты: Вызваны повреждением ДНК в половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) и проявляются в виде наследственных болезней и мутаций у потомства облученного человека. Эти эффекты являются стохастическими.

Чувствительность различных клеток и тканей к облучению неодинакова. Согласно правилу Бергонье и Трибондо, наиболее радиочувствительными являются молодые, быстро делящиеся и слабодифференцированные клетки. К таким тканям относятся кроветворная ткань (костный мозг), эпителий желудочно-кишечного тракта, половые железы и эмбриональные ткани.

Ответ: Ионизирующее излучение оказывает разрушительное действие на живые организмы на клеточном уровне через прямые и косвенные механизмы, приводя к соматическим (лучевая болезнь, рак) и генетическим (наследственные мутации) последствиям, тяжесть которых зависит от дозы, типа излучения и чувствительности тканей.

Способы защиты от него

Защита от ионизирующего излучения направлена на максимальное снижение дозы облучения и основывается на нескольких фундаментальных принципах и организационно-технических мерах.

Основные принципы радиационной защиты:

• Защита временем: Сокращение до минимума времени нахождения в поле ионизирующего излучения. Полученная доза прямо пропорциональна времени облучения. Этот принцип особенно важен при работе с мощными источниками или в зонах с высоким уровнем радиации.
• Защита расстоянием: Увеличение расстояния от источника излучения. Для точечного источника интенсивность излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от него (закон обратных квадратов): $I \sim 1/r^2$. Увеличение расстояния вдвое снижает мощность дозы в четыре раза.
• Защита экранированием: Использование защитных экранов и барьеров из материалов, эффективно поглощающих или ослабляющих излучение. Выбор материала и его толщина зависят от вида и энергии излучения:
  • Альфа-излучение: Имеет очень низкую проникающую способность. Полностью задерживается листом бумаги, одеждой или внешним слоем эпидермиса кожи. Основную опасность представляет при попадании альфа-активных радионуклидов внутрь организма с воздухом, пищей или водой.
  • Бета-излучение: Обладает большей проникающей способностью. Для защиты используются экраны из материалов с низким атомным номером (Z), например, плексигласа, алюминия, стекла. Использование материалов с высоким Z (например, свинца) не рекомендуется, так как при торможении бета-частиц в них возникает вторичное, более проникающее тормозное рентгеновское излучение.
  • Гамма- и рентгеновское излучение: Это высокопроникающие виды излучения. Для защиты от них применяют материалы с высокой плотностью и высоким атомным номером: свинец, бетон, сталь, вольфрам, обедненный уран.
  • Нейтронное излучение: Нейтроны не имеют заряда, поэтому хорошо проникают через вещество. Защита от них многоступенчатая: сначала быстрые нейтроны замедляют с помощью материалов, богатых водородом (вода, парафин, полиэтилен, бетон), а затем поглощают медленные нейтроны материалами с большим сечением захвата (бор, кадмий, гадолиний).

Кроме основных принципов, применяются и другие меры защиты:

• Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ): специальная одежда, обувь, перчатки, респираторы, противогазы, защитные очки.
• Герметизация радиоактивных источников и оборудования для предотвращения распространения радиоактивных веществ в окружающую среду.
• Организация дозиметрического контроля для измерения индивидуальных доз, полученных персоналом и населением.
• Соблюдение норм радиационной безопасности (НРБ) и санитарных правил работы с источниками ионизирующего излучения.
• Применение радиопротекторов — медикаментозных препаратов, повышающих устойчивость организма к действию радиации (применяются в основном по специальным показаниям).

Ответ: Защита от ионизирующего излучения основывается на трех основных принципах — сокращении времени облучения ("защита временем"), увеличении расстояния до источника ("защита расстоянием") и использовании поглощающих материалов ("защита экранированием"), — а также на комплексе организационных, технических и медицинских мер.