Страница 287 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. В чём причина негативного воздействия радиации на живые существа?

1. Основная причина негативного воздействия ионизирующего излучения (радиации) на живые организмы заключается в его способности ионизировать атомы и молекулы, из которых состоят живые клетки. Процесс ионизации — это выбивание электронов из атомов, в результате чего образуются ионы и свободные радикалы.

Эти частицы обладают высокой химической активностью и, взаимодействуя с важнейшими биологическими макромолекулами, вызывают их повреждение. Наиболее чувствительной к такому воздействию является молекула ДНК, которая несёт генетическую информацию.

Повреждение ДНК может привести к различным последствиям:

• Нарушение клеточных функций и гибель клетки. Если повреждений слишком много, системы репарации (восстановления) клетки не справляются, и клетка погибает. Массовая гибель клеток приводит к нарушению работы тканей и органов, вызывая лучевую болезнь.
• Мутации. Если ДНК восстанавливается с ошибками, возникают мутации. Это может привести к развитию онкологических заболеваний (рака), так как нарушается контроль над клеточным делением.
• Генетические дефекты. Если мутации происходят в половых клетках, они могут передаваться по наследству, вызывая генетические заболевания у потомства.

Таким образом, негативное воздействие радиации — это каскадный процесс, который начинается с физического акта ионизации и заканчивается серьёзными биологическими нарушениями на клеточном, тканевом и организменном уровнях.

Ответ: Причина негативного воздействия радиации на живые существа заключается в ионизации атомов и молекул клеток. Этот процесс приводит к образованию химически активных свободных радикалов, которые повреждают жизненно важные молекулы, в первую очередь ДНК, что вызывает гибель клеток, мутации, раковые заболевания и генетические дефекты.

2.Поглощённой дозой излучения называют физическую величину, равную отношению энергии ионизирующего излучения, поглощённой веществом, к массе этого вещества. Эта величина показывает, какое количество энергии было передано единице массы облучаемого объекта (например, ткани живого организма).

Поглощённая доза (D) вычисляется по формуле:

$D = \frac{E}{m}$

где $E$ — энергия ионизирующего излучения, поглощённая веществом, а $m$ — масса этого вещества.

В Международной системе единиц (СИ) поглощённая доза измеряется в греях (Гр). 1 Гр равен поглощению энергии в 1 джоуль килограммом вещества ($1 \text{ Гр} = 1 \text{ Дж/кг}$).

При большей поглощённой дозе излучения в единице массы вещества поглощается больше энергии. Это приводит к большему числу актов ионизации, образованию большего количества свободных радикалов и, как следствие, к более значительным и тяжёлым повреждениям клеток и тканей организма. Таким образом, биологический эффект (степень вреда для здоровья) прямо зависит от величины поглощённой дозы.

Ответ: Поглощённая доза излучения — это энергия ионизирующего излучения, поглощённая единицей массы вещества ($D = E/m$), измеряемая в греях (Гр). При большей поглощённой дозе биологические повреждения организма становятся более серьёзными.

2. Что называют поглощённой дозой излучения? При большей или меньшей дозе излучение наносит организму больший вред, если все остальные условия одинаковы?

2. Решение

Поглощённой дозой ионизирующего излучения называют физическую величину, которая равна отношению средней энергии $E$, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе $m$ этого вещества. Она характеризует количество энергии, поглощённой единицей массы облучаемого объекта.

Формула для расчёта поглощённой дозы $D$ выглядит следующим образом:

где:

$D$ – поглощённая доза;

$E$ – энергия излучения, поглощённая веществом;

$m$ – масса облучаемого вещества.

В Международной системе единиц (СИ) поглощённая доза измеряется в греях (Гр). Один грей — это такая доза, при которой 1 килограмму вещества сообщается энергия в 1 джоуль. Таким образом, $1 \text{ Гр} = 1 \text{ Дж/кг}$.

Вред, наносимый организму ионизирующим излучением, напрямую зависит от величины поглощённой дозы. Если все остальные условия (тип излучения, вид ткани, продолжительность облучения и т.д.) одинаковы, то биологический эффект прямо пропорционален поглощённой энергии. Следовательно, чем больше поглощённая доза, тем больше повреждений получают клетки и ткани организма. Таким образом, при большей дозе излучение наносит организму больший вред.

Ответ: Поглощённая доза излучения — это отношение энергии ионизирующего излучения, поглощённой веществом, к массе этого вещества. При прочих равных условиях, излучение наносит организму больший вред при большей дозе.

3. Одинаковый или различный по величине биологический эффект вызывают в живом организме разные виды ионизирующих излучений? Приведите примеры.

3. Разные виды ионизирующих излучений вызывают в живом организме различный по величине биологический эффект даже при одинаковой поглощенной дозе энергии. Это связано с тем, что разные частицы по-разному взаимодействуют с веществом живой ткани, вызывая различную плотность ионизации на единицу длины своего пробега.

Для оценки биологического эффекта ионизирующего излучения используют понятие эквивалентной дозы ($H$), которая измеряется в зивертах (Зв). Она связана с поглощенной дозой ($D$), измеряемой в греях (Гр, $1 \text{ Гр} = 1 \text{ Дж/кг}$), через специальный коэффициент — взвешивающий коэффициент излучения $w_R$ (ранее назывался коэффициентом качества). Этот коэффициент показывает, во сколько раз биологическая эффективность данного вида излучения выше, чем у рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе.

Формула для расчета эквивалентной дозы: $H = D \cdot w_R$

Значения взвешивающего коэффициента $w_R$ для разных видов излучения различны:

• Для фотонов (рентгеновское и гамма-излучение) и электронов (бета-излучение) $w_R = 1$.
• Для протонов $w_R \approx 2-5$.
• Для нейтронов $w_R$ зависит от их энергии и варьируется от 5 до 20.
• Для альфа-частиц и тяжелых ионов $w_R = 20$.

Примеры:

1. Допустим, два органа получили одинаковую поглощенную дозу, равную $D = 0,1 \text{ Гр}$. Первый орган был облучен гамма-квантами, а второй — альфа-частицами.

Эквивалентная доза для первого органа составит: $H_γ = D \cdot w_{R,γ} = 0,1 \text{ Гр} \cdot 1 = 0,1 \text{ Зв}$.

Эквивалентная доза для второго органа составит: $H_α = D \cdot w_{R,α} = 0,1 \text{ Гр} \cdot 20 = 2 \text{ Зв}$.

Таким образом, при одинаковой поглощенной дозе биологический эффект от альфа-излучения будет в 20 раз сильнее, чем от гамма-излучения.

2. Нейтронное излучение, особенно быстрые нейтроны, также обладает высокой биологической эффективностью. При поглощенной дозе в 1 Гр от быстрых нейтронов ($w_R \approx 20$) эквивалентная доза будет 20 Зв, что соответствует очень тяжелому радиационному поражению, в то время как 1 Гр от бета-излучения ($w_R = 1$) даст эквивалентную дозу в 1 Зв, что соответствует легкой степени лучевой болезни.

Причиной таких различий является разная линейная передача энергии (ЛПЭ). Тяжелые частицы (альфа-частицы, нейтроны) теряют свою энергию на коротком участке пути, создавая очень высокую плотность ионизации и нанося значительные, часто невосстановимые, повреждения клеткам (например, множественные разрывы обеих цепей ДНК). Легкие частицы (электроны) и фотоны (гамма-кванты) имеют низкую ЛПЭ, их ионизирующий эффект распределен более равномерно по объему ткани, и у клеток есть больше шансов на восстановление.

Ответ: Разные виды ионизирующих излучений вызывают различный по величине биологический эффект при одинаковой поглощенной дозе. Например, альфа-излучение примерно в 20 раз биологически опаснее, чем гамма- или бета-излучение, при равной энергии, поглощенной тканью.

4. Что показывает коэффициент качества излучения? Какую величину называют эквивалентной дозой излучения?

Ионизирующим излучением называют любые виды излучений, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации её атомов и молекул, то есть к образованию ионов. Это происходит, когда энергия частиц или квантов излучения достаточна для выбивания электронов из атомных оболочек.

Различают два основных типа ионизирующих излучений: корпускулярное (состоящее из частиц) и электромагнитное (состоящее из фотонов).

К корпускулярному излучению относятся:

- Альфа-излучение ($ \alpha $-излучение): поток положительно заряженных частиц, являющихся ядрами атомов гелия ($ _2^4\text{He} $). Пример источника — радиоактивный распад урана-238.

- Бета-излучение ($ \beta $-излучение): поток электронов или позитронов, возникающий при ядерных реакциях. Пример источника — распад трития или углерода-14.

- Нейтронное излучение: поток электрически нейтральных частиц — нейтронов. Источником служат ядерные реакторы или некоторые ядерные реакции.

- Протонное излучение и потоки других тяжёлых ионов. Источниками могут быть ускорители заряженных частиц или космические лучи.

К электромагнитному излучению относятся:

- Гамма-излучение ($ \gamma $-излучение): высокоэнергетические фотоны, испускаемые атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в более стабильное. Пример источника — распад кобальта-60.

- Рентгеновское излучение: фотоны, возникающие при торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренние электронные оболочки атомов. Источник — рентгеновские трубки.

Ответ: Ионизирующее излучение — это излучение, которое ионизирует вещество. Основные виды: корпускулярное (альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны) и электромагнитное (гамма- и рентгеновское излучение). Примеры источников: радиоактивный распад (уран-238 для альфа-частиц, кобальт-60 для гамма-лучей), ядерные реакторы (нейтроны), рентгеновские аппараты (рентгеновское излучение).

4. Коэффициент качества излучения и эквивалентная доза — это величины, используемые в дозиметрии для оценки биологического воздействия ионизирующего излучения.

Коэффициент качества излучения (обозначается $K$, в англоязычной литературе $Q$) — это безразмерный множитель, который показывает, во сколько раз биологическая опасность данного вида излучения выше, чем у эталонного излучения (которым обычно считают рентгеновское или гамма-излучение) при одинаковой поглощённой дозе. Чем выше коэффициент качества, тем больший биологический вред наносит излучение при той же поглощённой энергии. Например, для гамма-квантов и бета-частиц $K=1$, для тепловых нейтронов $K=5$, для быстрых нейтронов и протонов $K=10$, а для альфа-частиц и тяжелых ионов $K=20$.

Эквивалентной дозой излучения (обозначается $H$) называют величину, которая учитывает как поглощённую энергию, так и биологическую опасность конкретного вида излучения. Она определяется как произведение поглощённой дозы ($D$) на коэффициент качества излучения ($K$):

$H = D \cdot K$

Поглощённая доза $D$ измеряется в греях (Гр), где 1 Гр равен 1 джоулю энергии, поглощённой килограммом вещества ($1 \text{ Гр} = 1 \text{ Дж/кг}$). Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв). Таким образом, эквивалентная доза позволяет сравнивать и суммировать биологические эффекты от разных видов излучений.

Ответ: Коэффициент качества показывает относительную биологическую опасность разных видов излучения. Эквивалентной дозой называют величину, равную произведению поглощённой дозы на коэффициент качества; она характеризует биологический эффект облучения и измеряется в зивертах (Зв).

5. Поскольку вопрос на изображении неполон ("Какой ещё фактор (по-..."), можно предположить, что он звучит так: "Какой ещё фактор, помимо поглощённой дозы и вида излучения, влияет на биологические последствия облучения?".

На биологические последствия облучения, помимо величины поглощённой дозы и вида излучения (который учитывается через коэффициент качества), влияет ряд других важных факторов.

Основные из них:

1. Распределение дозы во времени (мощность дозы). Одна и та же доза, полученная за короткое время (острое облучение), гораздо опаснее, чем та же доза, полученная небольшими порциями в течение длительного периода (хроническое или фракционированное облучение). Это связано с тем, что при низкой мощности дозы в клетках успевают частично проходить процессы восстановления (репарации) повреждений.

2. Пространственное распределение дозы. Общее (тотальное) облучение всего тела значительно опаснее, чем локальное облучение отдельных его частей или органов, даже если поглощённая доза в этих частях будет высокой.

3. Индивидуальная чувствительность организма. Последствия облучения зависят от биологических особенностей облучаемого организма: - Вид и радиочувствительность тканей и органов. Разные ткани имеют разную чувствительность к радиации. Наиболее уязвимы быстро делящиеся клетки: клетки костного мозга, эпителий кишечника, половые железы. Менее чувствительны мышечная и нервная ткани. Для учёта этого фактора введена величина "эффективная доза", которая использует взвешивающие коэффициенты для разных тканей. - Возраст. Дети и особенно эмбрионы в утробе матери гораздо более чувствительны к облучению, чем взрослые. - Состояние здоровья и индивидуальные особенности. Ослабленный организм, наличие заболеваний, генетическая предрасположенность могут усугубить последствия облучения.

Ответ: Помимо дозы и вида излучения, на последствия облучения влияют: распределение дозы во времени (мощность дозы), распределение дозы по телу (общее или локальное), а также индивидуальные факторы, такие как радиочувствительность разных органов, возраст и состояние здоровья организма.

5. Какой ещё фактор (помимо энергии, вида излучения и массы тела) следует учитывать при оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм?

5. При оценке биологического воздействия ионизирующих излучений, помимо энергии, вида излучения и массы тела, которые используются для расчета поглощенной и эквивалентной доз, необходимо учитывать ряд других важных факторов.

Основным из них является различная радиочувствительность отдельных органов и тканей организма. Дело в том, что разные части тела по-разному реагируют на облучение. Например, красный костный мозг, половые железы, легкие и хрусталик глаза более уязвимы, чем мышечная или костная ткань. Для учета этого фактора в радиационной безопасности используется понятие эффективной дозы, которая взвешивает эквивалентные дозы в разных органах в соответствии с их чувствительностью.

Эффективная доза ($E$) рассчитывается по формуле:

$E = \sum_T W_T \cdot H_T$

где $H_T$ — эквивалентная доза в органе или ткани T, а $W_T$ — взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани.

Другим важным фактором является время облучения и мощность дозы. Одна и та же доза, полученная за короткий промежуток времени (острое облучение), как правило, наносит больший вред, чем та же доза, полученная в течение длительного периода (хроническое облучение). Это связано с тем, что при малых мощностях дозы в организме успевают частично работать механизмы репарации (восстановления) клеток.

Также следует учитывать индивидуальные особенности организма, такие как возраст (дети и эмбрионы более чувствительны), пол и общее состояние здоровья, которые могут влиять на последствия облучения.

Ответ: Помимо энергии, вида излучения и массы тела, при оценке воздействий ионизирующих излучений следует учитывать следующие факторы: различную чувствительность органов и тканей организма к облучению, время, в течение которого была получена доза (мощность дозы), а также индивидуальные особенности организма (например, возраст).

6. Расскажите о способах защиты от воздействия радиоактивных частиц и излучений.

Защита от ионизирующего излучения — это комплекс мер, направленных на минимизацию вредного воздействия радиоактивных частиц и излучений на живые организмы и окружающую среду. Существует три основных принципа защиты, а также специфические методы, зависящие от типа излучения.

Защита временем

Принцип заключается в максимальном сокращении времени пребывания в зоне действия ионизирующего излучения. Получаемая доза облучения прямо пропорциональна времени воздействия. Это можно выразить формулой:

$D = P \cdot t$

где $D$ — это поглощенная доза, $P$ — мощность дозы (постоянная в данной точке), а $t$ — время нахождения в поле излучения. Следовательно, уменьшая время $t$ в два раза, мы в два раза уменьшаем и полученную дозу. Этот принцип является ключевым при планировании работ в условиях радиационной опасности, например, на атомных станциях или при ликвидации аварий.

Защита расстоянием

Интенсивность излучения от точечного источника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до него. Это известный физический закон обратных квадратов. Мощность дозы $P$ убывает с увеличением расстояния $r$ от источника по закону:

$P \propto \frac{1}{r^2}$

Это означает, что при увеличении расстояния от источника в 2 раза, мощность дозы излучения уменьшится в $2^2 = 4$ раза. При увеличении расстояния в 10 раз — мощность дозы упадет в $10^2 = 100$ раз. Поэтому удаление от источника радиации является очень эффективной мерой защиты.

Защита экранированием (материалами)

Этот способ основан на использовании специальных материалов (экранов), которые поглощают или ослабляют поток радиоактивных частиц и излучений. Эффективность и тип материала экрана напрямую зависят от вида и энергии излучения.

• От альфа-излучения ($\alpha$): Альфа-частицы (ядра гелия) имеют очень низкую проникающую способность. Их может полностью остановить лист бумаги, слой одежды или даже ороговевший слой кожи человека. Однако они очень опасны при попадании радиоактивного источника внутрь организма (внутреннее облучение) через органы дыхания, пищеварения или открытые раны.
• От бета-излучения ($\beta$): Бета-частицы (электроны или позитроны) более проникающие. Для защиты от них используют слой материала небольшой толщины, например, несколько миллиметров алюминия, плексигласа или толстого стекла. Применять тяжелые материалы (свинец) для защиты от бета-частиц нецелесообразно, так как при их торможении в таких материалах возникает вторичное тормозное рентгеновское излучение.
• От гамма-излучения ($\gamma$) и рентгеновского излучения: Это электромагнитное излучение с высокой проникающей способностью. Для защиты от него требуются плотные материалы с большим атомным номером. Чаще всего используют свинец, сталь, бетон, вольфрам. Толщина экрана подбирается таким образом, чтобы ослабить излучение до безопасного уровня.
• От нейтронного излучения: Нейтроны (нейтральные частицы) не имеют заряда и поэтому легко проникают через вещество. Защита от них — наиболее сложная задача. Она строится в несколько этапов: сначала быстрые нейтроны замедляют до тепловых энергий с помощью материалов, содержащих легкие ядра (особенно водород), — это вода, парафин, полиэтилен, бетон. Затем замедленные нейтроны поглощаются материалами с высоким сечением захвата нейтронов, такими как бор (в виде карбида бора), кадмий, гадолиний.

Дополнительные способы защиты

К ним относятся меры по предотвращению внутреннего облучения и контролю за радиационной обстановкой:

• Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ): специальная одежда (пневмокостюмы, комбинезоны), перчатки, спецобувь, а также средства защиты органов дыхания (респираторы, противогазы) для предотвращения попадания радиоактивных веществ на кожу и внутрь организма.
• Организационные мероприятия: правильное планирование работ, ограничение доступа в "грязные" зоны, использование манипуляторов для дистанционной работы с источниками.
• Дозиметрический контроль: индивидуальный и групповой контроль полученных доз с помощью дозиметров, а также постоянный мониторинг мощности дозы на рабочих местах и в окружающей среде.
• Дезактивация: очистка поверхностей, одежды, техники и людей от радиоактивных загрязнений.

Ответ:

Способы защиты от радиоактивных частиц и излучений основаны на трех главных принципах: 1) защита временем — минимизация продолжительности нахождения в поле излучения; 2) защита расстоянием — максимальное удаление от источника излучения, что приводит к резкому снижению его интенсивности; 3) защита экранированием — применение материалов для поглощения излучения, причем выбор материала зависит от типа частиц: для альфа-частиц достаточно листа бумаги, для бета-частиц — алюминия или пластика, для гамма-лучей — свинца или бетона, а для нейтронов — комбинации водородсодержащих материалов (вода, полиэтилен) и поглотителей (бор, кадмий). Дополнительно применяются средства индивидуальной защиты, дозиметрический контроль и дезактивация.