Проектно-исследовательская работа по физике

Муниципальная общеобразовательная средняя школа №17

Введение

В связи с приближением третьего тысячелетия, двадцать первого века - века атомной энергетики и новейших технологии, вопросы о воздействий излучения на биологические организмы, а также вопросы защиты от

радиации стоит выделить в отдельную группу.

Актуальность исследования достижения научно - технического прогресса в сельском хозяйстве с целью повышения эффективности сельскохозяйственного производства диктует необходимость большего освещения в курсе физики вопросов, связанных с этой проблемой. Для углубления знаний по предмету, ознакомления с сельским хозяйством важен материал: использование достижений атомной физики в сфере растениеводства и животноводства.

На стыке ядерной физики и биологии возникла и развивается радиобиология, вносящая существенный вклад в практику использования ионизирующих излучений. Последнее хорошо применяется в народном хозяйстве и медицине: стерилизации материалов и инструментов, консервирование продовольствия, лучевую терапию.

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений небольшими дозами дозами γ- лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности.

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Гамма - излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Мы поставили перед собой задачу изучить материалы по воздействию

радиации на человека, т.к. в последнее время окружающая среда довольно

сильно загрязнена радиоактивными веществами, при этом усиливается ра-

дикционный фон, создаваемый Солнцем, а также продукты растениеводства накапливают в себе радиоактивные элементы, которые можно обнаружить в золе растений.

Цель исследования:

• обнаружить частицы образующиеся при радиоактивном распаде радионуклидов в продуктах растениеводства при сжигании и в обычном состоянии;

• сравнить интенсивность радиоактивного излучения различных продуктов растениеводства;

1

• расширить кругозор, задуматься над физико-биологическими связями;

• развивать экспериментальные навыки с использованием несложного оборудования.

С целью изучения и решения данной проблемы были выдвинуты следующие задачи:

1. изучить теоретический материал по данной теме;

2. произвести исследование естественной радиоактивности в некоторых растениях;

Методами решения данных задач является:

1. работа с литературой;

2. интернет, телевидение;

3. исследование;

4. беседа.

2

Основная часть

1. Что такое радиоактивность и радиация?

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем. В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших объемах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду, они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность. Для правильной оценки этой опасности необходимо четкое представление о масштабах загрязнения окружающей среды, о выгодах, которые приносят производства, основным или побочным продуктом которых являются радионуклиды, и потерях, связанных с отказом от этих производств, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и существующих мерах защиты.

Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиацией

Радиация, или ионизирующее излучение - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций.

Различают несколько видов радиации.

Альфа-частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия.

Бета-частицы - это просто электроны.

Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью. Нейтроны - электрически нейтральные частицы, возникают главным образом непосредственно вблизи работающего атомного реактора, куда доступ, естественно, регламентирован.

Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию. Кстати, наше Солнце - один из естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту.

Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от альфа- и бета-

3

излучения является любой, даже очень тонкий слой твердого или жидкого вещества - например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи).

Следует различать радиоактивность и радиацию. Источники радиации - радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.) - могут существовать значительное время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе.

4

2. Что такое облучение?

Воздействие радиации на человека называют облучением. Основу этого воздействия составляет передача энергии радиации клеткам организма.

Облучение может вызвать нарушения обмена веществ, инфекционные осложнения, лейкоз и злокачественные опухоли, лучевое бесплодие, лучевую катаракту, лучевой ожог, лучевую болезнь.

Последствия облучения сильнее сказываются на делящихся клетках, и поэтому для детей облучение гораздо опаснее, чем для взрослых

Следует помнить, что гораздо больший реальный ущерб здоровью людей приносят выбросы предприятий химической и сталелитейной промышленности, не говоря уже о том, что науке пока неизвестен механизм злокачественного перерождения тканей от внешних воздействий.

Организм человека реагирует на радиацию, а не на ее источник.

Те источники радиации, которыми являются радиоактивные вещества, могут проникать в организм с пищей и водой (через кишечник), через легкие (при дыхании) и, в незначительной степени, через кожу, а также при медицинской радиоизотопной диагностике. В этом случае говорят о внутреннем облучении.

Кроме того, человек может подвергнуться внешнему облучению от источника радиации, который находится вне его тела.

Внутреннее облучение значительно опаснее внешнего.

3. Передается ли радиация как болезнь?

Передается ли радиация как болезнь?

Радиацию создают радиоактивные вещества или специально сконструированное оборудование. Сама же радиация, воздействуя на организм, не образует в нем радиоактивных веществ, и не превращает его в новый источник радиации. Таким образом, человек не становится радиоактивным после рентгеновского или флюорографического обследования. Кстати, и рентгеновский снимок (пленка) также не несет в себе радиоактивности.

Исключением является ситуация, при которой в организм намеренно вводятся радиоактивные препараты (например, при радиоизотопном обследовании щитовидной железы), и человек на небольшое время становится источником радиации. Однако препараты такого рода специально выбираются так, чтобы быстро терять свою радиоактивность за счет распада, и интенсивность радиации быстро спадает.

4. В каких единицах измеряется радиоактивность?

Мерой радиоактивности служит активность. Измеряется в Беккерелях (Бк), что соответствует 1 распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или объема

5

(Бк/куб.м).

Также встречается еще такая единица активности, как Кюри (Ки). Это - огромная величина: 1 Ки = 37000000000 Бк.

Активность радиоактивного источника характеризует его мощность. Так, в источнике активностью 1 Кюри происходит 37000000000 распадов в секунду.

Как было сказано выше, при этих распадах источник испускает ионизирующее излучения. Мерой ионизационного воздействия этого излучения на вещество является экспозиционная доза. Часто измеряется в Рентгенах (Р). Поскольку 1 Рентген - довольно большая величина, на практике удобнее пользоваться миллионной (мкР) или тысячной (мР) долями Рентгена.

Действие распространенных бытовых дозиметров основано на измерении ионизации за определенное время, то есть мощности экспозиционной дозы. Единица измерения мощности экспозиционной дозы - микроРентген/час.

Мощность дозы, умноженная на время, называется дозой. Мощность дозы и доза соотносятся так же как скорость автомобиля и пройденное этим автомобилем расстояние (путь).

Для оценки воздействия на организм человека используются понятия эквивалентная доза и мощность эквивалентной дозы. Измеряются, соответственно, в Зивертах (Зв) и Зивертах/час. В быту можно считать, что 1 Зиверт = 100 Рентген. Необходимо указывать на какой орган, часть или все тело пришлась данная доза.

Можно показать, что упомянутый выше точечный источник активностью 1 Кюри (для определенности рассматриваем источник цезий-137) на расстоянии 1 метр от себя создает мощность экспозиционной дозы приблизительно 0,3 Рентгена/час, а на расстоянии 10 метров - приблизительно 0,003 Рентгена/час. Уменьшение мощности дозы с увеличением расстояния от источника происходит всегда и обусловлено законами распространения излучения.

От источника радиации защищаются временем, расстоянием и веществом.

Временем - вследствие того, что чем меньше время пребывания вблизи источника радиации, тем меньше полученная от него доза облучения.

Расстоянием - благодаря тому, что излучение уменьшается с удалением от компактного источника (пропорционально квадрату расстояния). Если на расстоянии 1 метр от источника радиации дозиметр фиксирует 1000 мкР/час, то уже на расстоянии 5 метров показания снизятся приблизительно до 40 мкР/час.

Веществом - необходимо стремиться, чтобы между Вами и источником радиации оказалось как можно больше вещества: чем его больше и чем оно

плотнее, тем большую часть радиации оно поглотит.

6

Что касается главного источника облучения в помещениях - радона и продуктов его распада, то регулярное проветривание позволяет значительно уменьшить их вклад в дозовую нагрузку.

Кроме того, если речь идет о строительстве или отделке собственного жилья, которое, вероятно, прослужит не одному поколению, следует постараться купить радиационно безопасные стройматериалы - благо их ассортимент ныне чрезвычайно богат.

5.Биологическое действие ионизирующих излучений

Существуют два вида воздействия радиоактивных частиц на живые объекты: внешнее облучение и внутреннее( с вдыхаемым воздухом, пищей, проникновением через кожу). Причины действия облучения на живые организмы:

1)Разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений при ионизации живой ткани, что приводит к гибели клеток.

2)радиолиз воды, составляющей около 70% массы ткани, с образованием свободных радикалов, а также сильных окислителей - гидропероксида и пероксида водорода.

Продукты радиолиза весьма активны. Они вступают в химические реакции с молекулами тканей и, образуя новые соединения, разрушают клетки. Изменение состава отдельных молекул клетки и её гибель выводят из строя многие сотни и тысячи других молекул погибшей клетки, несмотря на то, что они не подверглись излучению. Эта огромная, многократная поражающая способность является особенностью ионизирующего излучения на биологические объекты.

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов, которые клиническая медицина называет болезнями: детерминированные (определённые) пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода) и стожастические (вероятные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни и др.).

При воздействии на человека больших доз искусственного излучения возможно возникновение лучевой болезни в острой или хронической форме.

Единицы активности и дозы ионизирующих излучений

Активность (А) радиоактивного вещества - это число самопроизвольных ядерных превращений (dN) в единицу времени (dt) (скорость превращения)

A = dN/dt

Единица активности - беккерель (Бк). 1 Бк равен одному ядерному превращению в секунду. Активность чаще выражают в несистемных единицах кюри.

1 Ku = 3,7 x 10 (-4 степень) Бк

Основным параметром , характеризующим поражающие действие проникающей радиации, является доза излучений , т.е. количество энергии

7

ионизирующих излучений, поглощённой единицой массы облучаемой среды. Различают дозу излучения в воздухе (экспозиционную дозу)и поглощённую дозу.

Экспозиционная доза - это отношение полного заряда ионов одного знака, возникающих в сухом атмосферном воздухе малого объёма, к массе воздуха.

Экспозиционная доза характеризует потенциальную опасность радиации при общем и равномерном облучении тела.

Поглощённая доза излучения - это отношение средней энергии, переданной излучением веществу в некотором элементарном объёме, к массе веществ в этом объёме.

Эквивалентная доза - это поглощённая доза в органе или теле, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения.

Эффективная доза - это величина, используемая как мера риска возникновения отдалённых последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учётом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органе на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани.

8

Исследовательская работа

Определение естественной радиоактивности: картофеля, ячменя, моркови, малины, мяты.

Оборудование: индикатор ионизирующих частиц , электронный осциллограф, секундомер, наушники, картонные коробки, пробы продуктов выращенных в жилой зоне (картофель, ячмень, морковь, малина, мята).

План исследования:

1. Для получения результата необходимо подготовить пробы: сжечь растения на электроплите, полученную золу обжечь в течении 2 с.

2. Для уменьшения радиационного фона убрать с демонстрационного стола все предметы, кроме индикатора и осциллографа.

3. Подготовить индикатор к работе.

4. Включить осциллограф и сфокусировать луч в центре экрана.

5. Клеммы индикатора соединить с клеммами «Y» осциллографа.

6. Нажать на кнопку индикатора и через 2-3 с отпустить ее . Наблюдать «скачки» светящего пятна по экрану, которые соответствуют импульсам, отмечаемые счетчиком.

7. Направим прорези индикатора в сторону поверхности стола и положив его на стол, нажать на кнопку прибора и через 2-3 с отпустить ее.

8. В течении 30 с считать отклонения светящейся точки экрана. Это число характеризует естественный фон стола.

9. Повторить опыт 4-5 раз и определить среднее значение интенсивности излучения фона J_ф.

10. Коробочки с золой растений расположить под прорези индикатора.

11. Измерить общую интенсивность излучения золы и фона.

12. Интенсивность излучения создаваемого золой данного растения определяем по формуле J₁-Jф =J.

13. Полученный результат позволяет судить о радиоактивности растения.

14. Повторить всю серию опытов с другими продуктами, получим данные о радиационный «зараженности» растений.

15. Результаты экспериментов занесем в таблицу.

Ожидаемые значения J

1

2

3

4

Картофель

51

55

50

64

30

21

25

20

34

25

1

2

3

4

Морковь

46

44

53

39

30

16

14

23

9

15,5

1

2

3

4

Ячмень

44

47

49

51

30

14

17

19

21

17,75

1

2

3

4

Малина

44

43

57

58

30

14

13

27

28

20,5

1

2

3

4

Мята

41

46

48

39

30

11

16

18

9

13,5

1

2

3

4

Банан

62

63

64

65

32

30

31

32

33

31

1

2

3

4

Привозной картофель

57

58

69

70

32

27

26

37

38

31

1

2

3

4

Грейпфрут

68

71

73

74

32

36

39

41

42

40

По результатам измерений радиоактивности построим сравнительную столбиковую диаграмму радиоактивности пищевых продуктов ( 1 имп./мин соответствует 7,1 Дж/кг).

9

Полученные данные исследования радиоактивности растений позволяет судить о том, что различные продукты по-разному накапливают радиацию. С точки зрения физики действие ионизирующего излучения на живые организмы заключается в передаче энергии атомам ткани. Эта энергия частично превращается в тепловую, что для механизма поражающего

действия радиации на живые организмы не имеет значение. Часть энергии излучения расходуется на процессы ионизации и возбуждения атомов ткани. Основной составляющей живой ткани человека служит вода. (около 75 %).

Решающее значение имеет последующие химические процессы, связанные с ионизацией молекул воды, с разрывом химической связи. В результате образуются высокоактивные в химическом отношении соединения, которые при взаимодействии с молекулами белков способствуют разрушению клеток живой ткани за счет энергично протекающих процессов окисления. На живую клетку радиация может воздействовать различным образом, главное чтобы не поражалось ядро клетки, где находится генетический материал.

Ионизация служит своеобразным катализатором дальнейших физико-химических реакций в клетках растений, что приводит к активизации или угнетению жизнедеятельности биологических объектов.

На биологическое действие излучений влияет образование вторичных электронов, которые теряют свою энергию на ионизацию среды - ткани - тем усиливая эффект действия радиации. В одинаковых условиях воздействий

10

рентгеновского и нейтронного излучений равной дозы было установлено, что доза нейтрального облучения, вызывающая тот же биологический эффект, что и облучения рентгеновскими лучами, была в 10 раз меньше.Стимуляция развития растения

Угнетение

3,0 Дж/кг

10,0 Дж/кг

1,5 Дж/кг

6,0 Дж/кг

Облучение электронами обуславливает более высокую плотность ионизации в тканях, например, клубней картофеля, что вызывает торможение роста и развития картофеля. В течение 11 месяцев картофель не прорастал, прекрасно сохранялся.

Срок созревания при экспортных перевозках продлевался у:

1. бананов и манго на 30-60 дней ( доза 20 Дж/кг).

2. томатов - 30-60 дней ( доза 3000 Дж/кг),

3. земляники - 15 ( доза 500- 1000 Дж/кг).

Так же удлиняется срок хранения яблок, абрикосов, персиков, груш, слив.

Гамма- (и электронное) облучение клубней картофеля в дозах 1,5-3,0 Гр (1,5-№,0 Дж/кг) обеспечивает повышение урожая на 18-25% одновременно в клубнях повышается, содержание крахмала, белка, витамина С, т.е. картофель становится более вкусным и полезным.

Эти исследования легли в основу предпосадочного облучения многих растений с целью повышения его урожая и качества.

6. И в домашних условиях можно очистить продукты от радионуклидов.

Бульоны употреблять нельзя совсем. Борщи и супы нужно готовить, как настои: овощи заливают крутым кипятком, заворачивают кастрюлю, чтобы сохранить тепло, и оставляют на несколько часов. В этих настоях главная пища-жидкость.

Мясо. Варить мясо надо так : после закипания весь бульон слейте, и эту процедуру повторите три раза, а затем в новой (четвёртой) воде варите мясо с большим количеством овощей до готовности. Овощи и бульон в пищу не употребляйте , мясо можно подавать с гарниром из свежеприготовленных овощей. С первым бульоном из мяса удаляется 50 - 60 % радионуклидов.

Картофель. Перед употреблением его вымачивают 3 - 4 часа в солёной воде, в результате чего вымывается 40 % радионуклидов. Если во время варки слить воду и снова посолить то содержание радионуклидов в картофеле уменьшится на 80%.

Лесные ягоды, как правило очень сильно загрязнены. Их не следует собирать и есть.

11

Заключение :

Делая этот проект, я открыл для себя много нового. Я выбирал нужную информацию из многих источников. В ходе отбора информации я находил много интересного. Эта работа объединяет в себе труды многих людей. В ней коротко изложен почти весь материал о главных аспектах радиоактивности, начиная от того, что такое радиоактивность и заканчивая методами защиты от неё.

12

Информация о радиоактивности получена из :

1. Интернет

2. Э. Резерфорд "Радиоактивность"

3. И. Белоусова, Ю. Штуккенберг "Естественная радиоактивность"

4. Энциклопедия по физике "Радиоактивные излучения"

5. Журнал «Химия в школе» №4 2003 г

Аннотация

В связи с приближением третьего тысячелетия, двадцать первого века - века атомной энергетики и новейших технологии, вопросы о воздействий излучения на биологические организмы, а также вопросы защиты от радиации стоит выделить в отдельную группу.

Актуальность исследования достижения научно - технического прогресса в сельском хозяйстве с целью повышения эффективности сельскохозяйственного производства диктует необходимость большего освещения в курсе физики вопросов, связанных с этой проблемой. Для углубления знаний по предмету, ознакомления с сельским хозяйством важен материал: использование достижений атомной физики в сфере растениеводства и животноводства.

Конкретные сведения об использовании физики в сельском хозяйстве могут быть ограниченно введены при изучении теоретического материала, а также в некоторых случаях при выполнении практических работ.

В данной работе описан метод исследования накопления радиоактивных элементов растительными организмами, которые можно обнаружить в золе растений.

Мы поставили перед собой задачу изучить материалы по воздействию

радиации на человека, т.к. в последнее время окружающая среда довольно

сильно загрязнена радиоактивными веществами, при этом усиливается ра-

дикционный фон, создаваемый Солнцем, а также продукты растениеводства накапливают в себе радиоактивные элементы, которые можно обнаружить в золе растений.

Цель исследования:

• обнаружить частицы образующиеся при радиоактивном распаде радионуклидов в продуктах растениеводства при сжигании и в обычном состоянии;

• сравнить интенсивность радиоактивного излучения различных продуктов растениеводства;

• расширить кругозор, задуматься над физико - биологическими связями;

• развивать экспериментальные навыки с использованием несложного оборудования.

В ведении указывается на актуальность данной проблемы и ее объяснение.

В основной части работы освещаются теоретические обоснования данного вопроса, а также анализ влияния на здоровье человека радиоактивного излучения и пути очистки продуктов от радионуклидов.

Рецензия

Тема работы:

«Исследование радиационных свойств растительных объектов»

Научно-исследовательская работа посвящена проблеме, как достижения научно - технического прогресса используются в сельском хозяйстве с целью повышения эффективности сельскохозяйственного производства, а также рассматриваются вопросы влияния радиоактивных излучений на биологические организмы и вопросы защиты от радиации.

Автор проводит анализ исследования по определению радиоактивности растений, которые были выращены в нашем районе и которые были привезены из за границы.

В своей работе автор проделал практические работы, определив накопляемость радионуклидов в некоторых растениях.

Даны практические рекомендацию по выведению радионуклидов из продуктов. Это имеет практическую значимость и могут быть использованы другими.

Работа отвечает требованиям, предъявленным к научно-исследовательским проектам и может быть допущена к защите на научно-практической конференции. Данная работа оценена положительно.

Научный руководитель

Маловик Т.И.

Учитель физики.

Содержание

Введение 1 стр.

Основная часть 3 стр.

Исследовательская работа 9 стр.

Практические рекомендации 11 стр.

Заключение 12 стр.