Страница 315 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

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

Негативное воздействие радиации на живые существа обусловлено процессом ионизации атомов и молекул, из которых состоят живые клетки. Ионизирующее излучение (например, альфа-, бета-частицы, гамма-кванты) обладает достаточной энергией, чтобы при прохождении через ткани организма выбивать электроны из атомов и молекул, превращая их в ионы. Эти ионы и свободные радикалы обладают высокой химической активностью и вступают в реакции, которые нарушают нормальные биохимические процессы в клетке.

Наиболее чувствительной к такому воздействию является молекула ДНК, которая несёт генетическую информацию. Повреждение ДНК может привести к различным последствиям:

• Гибель клетки, если повреждения слишком многочисленны и не могут быть устранены системами репарации.
• Мутации, если ДНК восстанавливается с ошибками. Эти мутации могут нарушить функции клетки или передаться потомству.
• Неконтролируемое деление клеток, что приводит к развитию онкологических заболеваний (рака).

Таким образом, основной вред радиации заключается в её способности повреждать на клеточном и молекулярном уровне жизненно важные структуры организма.

Ответ: Причина негативного воздействия радиации на живые существа заключается в ионизации атомов и молекул живой ткани, что приводит к нарушению химических связей в жизненно важных молекулах (особенно ДНК) и, как следствие, к гибели клеток, мутациям и развитию заболеваний.

2. Поглощённой дозой излучения называют физическую величину, которая определяет энергию ионизирующего излучения, поглощённую облучаемым веществом, в расчёте на единицу массы этого вещества. Она является основной дозиметрической величиной, характеризующей степень радиационного воздействия.

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 грей равен такой дозе излучения, при которой веществу массой 1 кг передаётся энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

1 Гр = 1 Дж/кг.

При большей поглощённой дозе в ткани выделяется больше энергии, что приводит к более значительным и тяжёлым биологическим повреждениям организма.

Ответ: Поглощённая доза излучения — это отношение энергии ионизирующего излучения, поглощённой веществом, к массе этого вещества. Формула: $D = E/m$. Единица измерения в СИ — грей (Гр).

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

Негативное воздействие ионизирующей радиации на живые существа проявляется на разных уровнях, начиная с молекулярного и заканчивая организменным.

Основной механизм повреждения — ионизация. Проходя через ткани живого организма, частицы или кванты излучения выбивают электроны из атомов и молекул, превращая их в ионы. Эти ионы, а также образующиеся свободные радикалы (особенно из молекул воды, составляющей основу клетки), обладают высокой химической активностью и вступают в реакции с важнейшими биологическими молекулами.

На молекулярном уровне происходит повреждение:

• ДНК: разрывы одной или обеих цепей, повреждение азотистых оснований, образование сшивок. Повреждение ДНК является наиболее критичным, так как может привести к мутациям.
• Белков и ферментов: нарушение их структуры и функции, что сбивает обмен веществ в клетке.
• Липидов: повреждение клеточных мембран, нарушение их проницаемости.

На клеточном уровне последствия зависят от степени повреждения и способности клетки к восстановлению. Возможны следующие исходы:

• Клетка полностью восстанавливает повреждения и продолжает нормально функционировать.
• Повреждения приводят к гибели клетки (апоптоз или некроз).
• Клетка выживает, но с измененным генетическим кодом (мутация). Если мутация затрагивает гены, контролирующие клеточное деление, это может привести к неконтролируемому росту — развитию злокачественной опухоли (рака).

На уровне организма различают два типа эффектов:

• Соматические эффекты: проявляются у самого облученного индивида. При высоких дозах, полученных за короткое время, развивается острая лучевая болезнь. При длительном воздействии малых доз возрастает риск развития отдаленных последствий, таких как раковые заболевания (лейкемия, рак щитовидной железы и др.), лучевые катаракты, снижение иммунитета и сокращение продолжительности жизни.
• Генетические (наследственные) эффекты: возникают в результате мутаций в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках) и проявляются у потомства облученного человека в виде наследственных заболеваний и врожденных аномалий.

Ответ: Негативное воздействие радиации проявляется в ионизации атомов и молекул живой ткани, что приводит к повреждению клеточных структур (в первую очередь ДНК). Это может вызвать гибель клеток, мутации, развитие рака, острую лучевую болезнь и генетические дефекты у потомства.

2. Поглощённой дозой излучения ($D$) называют физическую величину, равную отношению средней энергии ($E$), переданной ионизирующим излучением веществу, к массе этого вещества ($m$). Она характеризует количество энергии излучения, поглощенной единицей массы облучаемого объекта.

Формула для расчета поглощенной дозы: $D = \frac{E}{m}$

Единицей измерения поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) является грей (Гр). 1 Гр равен поглощению одного джоуля энергии веществом массой один килограмм (1 Гр = 1 Дж/кг).

При ответе на вторую часть вопроса, если все остальные условия (тип излучения, продолжительность облучения, тип ткани и т.д.) одинаковы, то биологический вред, наносимый организму, прямо зависит от величины поглощенной дозы. Следовательно, при большей дозе излучение наносит организму человека больший вред. Это фундаментальный принцип радиобиологии: чем больше энергии поглощено тканями, тем сильнее выражены повреждения на всех уровнях организации живой материи.

Ответ: Поглощенная доза излучения — это энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества ($D=E/m$), измеряется в греях (Гр). При прочих равных условиях, излучение наносит организму больший вред при большей поглощенной дозе.

3. Разные виды излучения (например, альфа-, бета-, гамма- и нейтронное) вызывают разный биологический эффект при одной и той же поглощенной дозе. Это связано с различной способностью излучений ионизировать вещество на единице длины своего пути.

Эффективность повреждения характеризуется величиной, называемой линейной передачей энергии (ЛПЭ).

• Гамма-кванты и бета-частицы (электроны) имеют низкую ЛПЭ. Они создают ионы редко и на большом расстоянии друг от друга. Такие единичные повреждения клетка способна относительно легко восстановить.
• Альфа-частицы и нейтроны имеют высокую ЛПЭ. Они создают очень высокую плотность ионизации на коротком участке своего пробега, вызывая множественные и сложные повреждения (например, двойные разрывы ДНК), которые клетке восстановить гораздо труднее или невозможно.

Для учета этой разницы в биологической эффективности введена специальная величина — эквивалентная доза ($H$). Она получается умножением поглощенной дозы ($D$) на специальный безразмерный коэффициент — взвешивающий коэффициент излучения ($w_R$), который отражает относительную биологическую опасность данного вида излучения.

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

Единица измерения эквивалентной дозы — зиверт (Зв). Например:

• Для гамма- и бета-излучения $w_R = 1$.
• Для альфа-излучения $w_R = 20$.

Это означает, что поглощенная доза в 1 Гр от альфа-частиц биологически в 20 раз опаснее, чем такая же поглощенная доза от гамма-излучения. Их эквивалентные дозы будут равны 20 Зв и 1 Зв соответственно.

Ответ: Разные виды излучения при одинаковой поглощенной дозе вызывают разный по степени тяжести биологический эффект. Наиболее опасны излучения с высокой плотностью ионизации, такие как альфа-излучение и нейтроны.

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

Разные виды ионизирующих излучений вызывают различный по величине биологический эффект даже при одинаковой поглощенной дозе. Это связано с разной плотностью ионизации, которую создает излучение в веществе. Чем плотнее ионизация, тем сильнее повреждаются биологические ткани и тем сложнее организму восстановить эти повреждения.

Биологический эффект характеризуется величиной, называемой относительной биологической эффективностью (ОБЭ). Она показывает, во сколько раз эффективность данного вида излучения больше, чем эффективность рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе.

Примеры:

• Альфа-излучение ($\alpha$-частицы) состоит из тяжелых положительно заряженных частиц (ядер гелия). Они имеют малый пробег в тканях, но создают очень высокую плотность ионизации на своем пути. Это приводит к серьезным, часто невосстановимым повреждениям клеток (например, к множественным разрывам обеих нитей ДНК). Поэтому альфа-излучение обладает высокой биологической эффективностью. Попадание альфа-активных изотопов внутрь организма (например, с пищей или при вдыхании) чрезвычайно опасно.
• Гамма-излучение ($\gamma$-кванты) и рентгеновское излучение являются электромагнитными волнами. Они обладают высокой проникающей способностью и создают ионизацию в тканях опосредованно, через выбитые электроны. Плотность ионизации при этом значительно ниже, чем у альфа-частиц. Повреждения, вызываемые гамма-квантами, чаще всего представляют собой одиночные разрывы нитей ДНК, которые клетки могут относительно легко восстановить.

Таким образом, поглощенная доза в 1 грей (Гр) от альфа-излучения нанесет организму примерно в 20 раз больший вред, чем доза в 1 Гр от гамма-излучения.

Ответ:Разные виды ионизирующих излучений вызывают различный по величине биологический эффект. При одинаковой поглощенной дозе альфа-частицы и нейтроны наносят значительно больший вред живому организму, чем гамма-кванты или бета-частицы, из-за более высокой плотности создаваемой ими ионизации.

4.Коэффициент качества излучения (в современной дозиметрии его аналогом является взвешивающий коэффициент излучения $W_R$) — это безразмерная величина, которая используется для учета различной биологической опасности разных видов ионизирующих излучений при одинаковой поглощенной дозе.

Он показывает, во сколько раз радиационная опасность от данного вида излучения выше, чем от рентгеновского или гамма-излучения, принятых за эталон. Коэффициент качества позволяет перейти от физической величины — поглощенной дозы ($D$), измеряемой в греях (Гр), — к биологически значимой величине — эквивалентной дозе ($H$), измеряемой в зивертах (Зв).

Расчет производится по формуле:

$H = K \cdot D$

где $H$ — эквивалентная доза, $K$ — коэффициент качества, $D$ — поглощенная доза.

Значения коэффициента качества для различных видов излучений:

• Для фотонов (рентгеновское и гамма-излучение) и электронов (бета-излучение): $K = 1$.
• Для протонов и быстрых нейтронов: $K$ может достигать 10.
• Для альфа-частиц и тяжелых ионов: $K = 20$.

Использование этого коэффициента позволяет суммировать дозы от разных видов излучения и оценивать их совокупное воздействие на организм.

Ответ:Коэффициент качества излучения показывает относительную биологическую эффективность данного вида излучения по сравнению с гамма-излучением. Он используется для расчета эквивалентной дозы, которая адекватно отражает потенциальный вред для здоровья от облучения.

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

Что показывает коэффициент качества излучения?

Коэффициент качества излучения ($K$) — это безразмерная величина, которая используется в дозиметрии для учёта различной биологической эффективности разных видов ионизирующих излучений. Он показывает, во сколько раз биологическая опасность данного вида излучения при одинаковой поглощённой дозе выше, чем опасность от эталонного излучения (которым обычно считают рентгеновское или гамма-излучение).

Разные виды излучения (альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, гамма-кванты) по-разному взаимодействуют с веществом живого организма. Излучения с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ), такие как альфа-частицы и тяжелые ионы, создают высокую плотность ионизации на своём пути, что приводит к более значительным и трудноустранимым повреждениям биологических макромолекул (например, ДНК). Излучения с низкой ЛПЭ (гамма- и бета-излучение) вызывают менее концентрированные повреждения. Коэффициент качества как раз и вводится для того, чтобы количественно оценить эти различия в биологическом воздействии.

Примеры значений коэффициента качества ($K$): для рентгеновского, гамма- и бета-излучения $K=1$; для протонов с энергией более 2 МэВ $K \approx 5$; для нейтронов (в зависимости от энергии) $K$ варьируется от 5 до 20; для альфа-частиц, осколков деления, тяжёлых ионов $K=20$.

Ответ: Коэффициент качества излучения показывает относительную биологическую эффективность (опасность) различных видов ионизирующего излучения по сравнению с рентгеновским или гамма-излучением при одинаковой поглощённой дозе.

Какую величину называют эквивалентной дозой излучения?

Эквивалентной дозой излучения ($H$) называют физическую величину, которая используется для оценки биологического эффекта, производимого ионизирующим излучением на конкретный орган или ткань. Она учитывает не только энергию, поглощённую единицей массы ткани (поглощённую дозу), но и тип самого излучения через коэффициент качества.

Эквивалентная доза определяется как произведение поглощённой дозы ($D$) на коэффициент качества ($K$) для данного вида излучения.

Формула для расчёта эквивалентной дозы: $H = D \cdot K$. В этой формуле $H$ — это эквивалентная доза, измеряемая в Зивертах (Зв, Sv); $D$ — поглощённая доза, измеряемая в Греях (Гр, Gy), где 1 Гр = 1 Дж/кг; $K$ — безразмерный коэффициент качества излучения.

Использование эквивалентной дозы позволяет суммировать дозы от разных видов излучений и оценивать общий радиационный риск для здоровья.

Ответ: Эквивалентной дозой излучения называют величину, равную произведению поглощённой дозы на коэффициент качества данного вида излучения. Она характеризует биологический эффект облучения.

5. Вопрос под номером 5 в предоставленном изображении является неполным ("Какой ещё..."). Исходя из контекста предыдущих вопросов, можно предположить, что он мог бы касаться других дозиметрических величин. Например, вопрос мог звучать как: "Какой ещё величиной, кроме эквивалентной дозы, пользуются для оценки риска для здоровья всего организма?". В таком случае ответом была бы эффективная доза. Эффективная доза является суммой эквивалентных доз для отдельных органов и тканей, умноженных на соответствующие взвешивающие коэффициенты, которые отражают различную чувствительность этих органов к облучению. Она позволяет оценить суммарный ущерб для здоровья всего организма в целом.

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

При оценке биологического воздействия ионизирующих излучений, помимо общей поглощенной энергии, вида излучения и массы облучаемого тела (которые вместе определяют эквивалентную дозу), критически важно учитывать и другие факторы. Основным из них является различная радиочувствительность органов и тканей живого организма. Некоторые органы, такие как красный костный мозг, половые железы, легкие, являются гораздо более уязвимыми к радиации, чем, например, мышечная или костная ткань. Чтобы оценить общий риск для здоровья, используют специальный тканевый взвешивающий коэффициент для каждого органа, что позволяет рассчитать эффективную дозу облучения.

Другой значимый фактор — это время воздействия или мощность дозы. Одна и та же доза излучения, полученная за короткий промежуток времени (острое облучение), наносит значительно больший вред, чем та же доза, распределенная на длительный период (хроническое облучение). Это связано с тем, что при низкой мощности дозы в организме успевают частично работать механизмы репарации (восстановления) клеточных повреждений.

Ответ: При оценке воздействия ионизирующих излучений на живой организм, помимо энергии, вида излучения и массы тела, следует учитывать различную чувствительность органов и тканей к облучению, а также время, в течение которого была получена доза (мощность дозы).

6. Для защиты от вредного воздействия радиоактивного излучения применяются три фундаментальных принципа, которые можно использовать как по отдельности, так и в комплексе для минимизации полученной дозы облучения.

1. Защита временем. Суть этого принципа заключается в максимальном сокращении времени нахождения в поле действия ионизирующего излучения. Полученная доза прямо пропорциональна времени облучения, поэтому чем меньше времени человек проводит рядом с источником, тем меньшую дозу он получит. На практике это означает строгое планирование работ и их выполнение в кратчайшие возможные сроки.

2. Защита расстоянием. Этот принцип основан на том, что интенсивность излучения от точечного источника быстро уменьшается с увеличением расстояния до него. Эта зависимость описывается законом обратных квадратов: $I \propto 1/r^2$, где $I$ — интенсивность излучения, а $r$ — расстояние до источника. Таким образом, увеличение расстояния от источника в 2 раза приводит к снижению мощности дозы в 4 раза, а увеличение в 10 раз — в 100 раз. Этот метод очень эффективен и реализуется с помощью дистанционного оборудования, манипуляторов и автоматизации процессов.

3. Защита экранированием. Этот принцип заключается в использовании поглощающих материалов (экранов), размещаемых между источником излучения и человеком. Эффективность и материал экрана зависят от типа и энергии излучения: • Альфа-излучение имеет очень низкую проникающую способность и полностью задерживается листом бумаги, одеждой или даже несколькими сантиметрами воздуха. • Бета-излучение более проникающее, для защиты от него используют легкие материалы, например, плексиглас, стекло или тонкий лист алюминия (несколько миллиметров). • Гамма- и рентгеновское излучение являются высокопроникающими, и для защиты от них требуются плотные материалы большой толщины, такие как свинец, сталь, бетон, вольфрам. • Для защиты от нейтронного излучения применяют материалы, содержащие легкие элементы (особенно водород), такие как вода, парафин, полиэтилен, которые эффективно замедляют нейтроны, после чего их поглощают добавками бора или кадмия.

Кроме внешнего облучения, важна защита и от внутреннего, то есть от попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Для этого применяют средства индивидуальной защиты (респираторы, защитные костюмы) и соблюдают строгие правила гигиены.

Ответ: Основные способы защиты от воздействия радиоактивного излучения — это защита временем (сокращение времени нахождения у источника), защита расстоянием (увеличение дистанции до источника) и защита экранированием (использование защитных барьеров из поглощающих материалов).

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

Защита от воздействия радиоактивных частиц и излучений основывается на нескольких фундаментальных принципах и комплексе методов, которые применяются в зависимости от типа излучения, его интенсивности и условий облучения (внешнее или внутреннее).

Основными принципами радиационной защиты, на которых строятся все практические меры, являются:

• Защита временем: Сокращение времени пребывания вблизи источника ионизирующего излучения. Полученная доза облучения прямо пропорциональна времени воздействия. Чем меньше времени человек находится в зоне с повышенным радиационным фоном, тем меньшую дозу он получит.
• Защита расстоянием: Увеличение расстояния от источника излучения. Интенсивность излучения от точечного источника убывает пропорционально квадрату расстояния до него. Поэтому даже небольшое увеличение дистанции может многократно снизить уровень облучения.
• Защита экранированием (барьерами): Использование защитных экранов из материалов, которые эффективно поглощают или ослабляют ионизирующее излучение. Выбор материала и его толщина зависят от вида и энергии излучения.

Способы защиты существенно различаются для разных видов радиоактивных частиц и излучений:

• Альфа-излучение (α-частицы): Это потоки тяжёлых положительно заряженных частиц (ядер гелия). Они обладают очень низкой проникающей способностью и могут быть полностью задержаны листом бумаги, одеждой или наружным ороговевшим слоем кожи. Основную опасность представляет внутреннее облучение, когда альфа-активные вещества попадают внутрь организма с вдыхаемым воздухом, пищей или водой. Для защиты от внутреннего облучения альфа-частицами применяют средства индивидуальной защиты органов дыхания (респираторы, противогазы) и кожи (спецодежда, перчатки), а также осуществляют строгий контроль за чистотой продуктов питания и воды.
• Бета-излучение (β-частицы): Это потоки электронов или позитронов. Они имеют большую проникающую способность, чем альфа-частицы, и могут проникать в ткани тела на глубину до 1-2 см. Для защиты от них используют экраны из лёгких материалов, таких как оргстекло, плексиглас, алюминий (толщиной в несколько миллиметров) или даже плотная одежда. Использование материалов с большим атомным номером (например, свинца) для защиты непосредственно от бета-излучения нежелательно, так как при торможении бета-частиц в таких материалах возникает вторичное, тормозное рентгеновское излучение, которое само по себе является проникающим. Бета-излучатели также очень опасны при попадании внутрь организма.
• Гамма-излучение (γ-кванты) и рентгеновское излучение: Это электромагнитное излучение высокой энергии. Оно обладает очень высокой проникающей способностью и может проходить через тело человека насквозь. Для защиты от него требуются толстые экраны из плотных материалов с высоким атомным номером. Наиболее эффективными материалами являются свинец, вольфрам, сталь, чугун, бетон. Например, в рентгеновских кабинетах используют просвинцованные фартуки, ширмы, а стены, пол и потолок содержат баритовый или свинцовый компонент.
• Нейтронное излучение: Это поток незаряженных частиц — нейтронов. Оно также обладает высокой проникающей способностью. Защита от нейтронов является наиболее сложной и, как правило, многоступенчатой. Сначала быстрые нейтроны необходимо замедлить. Для этого используют материалы, содержащие лёгкие ядра (особенно водород), такие как вода, парафин, полиэтилен. Затем замедленные (тепловые) нейтроны поглощаются материалами, эффективно захватывающими их, например, бором или кадмием. Часто используют композитные материалы, например, борированный полиэтилен или бетон с добавками бора.

Помимо этих методов, существует и другие важные меры защиты:

• Организационные меры: Правильное планирование работ, ограничивающее дозы облучения персонала, зонирование территорий на "чистые" и "грязные", установление контрольных уровней, обучение персонала правилам радиационной безопасности.
• Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Включают специальную одежду, спецобувь, перчатки, средства защиты органов дыхания (респираторы, противогазы) и глаз.
• Дозиметрический контроль: Постоянное измерение уровней излучения на местности и рабочих местах, а также индивидуальных доз облучения с помощью персональных дозиметров для контроля за полученной дозой и предотвращения её превышения над установленными нормами.
• Медико-профилактические средства: Применение специальных препаратов (радиопротекторов), которые снижают негативное воздействие радиации на организм, а также препаратов, способствующих ускоренному выведению радионуклидов из организма (например, проведение йодной профилактики препаратами стабильного йода при угрозе поступления радиоактивного йода).
• Дезактивация: Комплекс мер по удалению радиоактивных веществ с поверхностей зданий, техники, одежды, кожи человека, а также из окружающей среды.

Ответ:

Способы защиты от радиоактивных частиц и излучений основываются на трёх главных принципах: защита временем (минимизация времени нахождения у источника), защита расстоянием (максимальное удаление от источника) и защита экранированием (использование поглощающих материалов). Выбор конкретных методов защиты зависит от типа излучения. От альфа-частиц, имеющих низкую проникающую способность, защищает одежда и кожа, но главная опасность – их попадание внутрь организма, для предотвращения чего используются респираторы и СИЗ. От бета-частиц защищают экраны из лёгких материалов (алюминий, оргстекло). Для защиты от высокопроникающего гамма-излучения требуются массивные экраны из плотных материалов, таких как свинец, сталь или бетон. Защита от нейтронного излучения требует комбинированных барьеров: сначала из водородсодержащих материалов (вода, полиэтилен) для замедления нейтронов, а затем из материалов, поглощающих их (бор, кадмий). Общий комплекс мер также включает организационные мероприятия, дозиметрический контроль, дезактивацию заражённых объектов и применение специальных медико-профилактических средств.