«Биологическое действие ионизирующих излучений» урок физики в 11 классе

«Биологическое действие ионизирующих излучений»

урок физики в 11 классе

Цель урока:

повторить, обобщить и систематизировать знания о природе и свойствах ионизирующих излучений; изучить свойства ионизирующих излучений и их воздействиях на живые организмы, дать представление о биологическом действии радиации; ознакомить с актуальными проблемами, стоящими перед обществом.

Задачи урока:

обобщение знаний об электромагнитных излучениях коротковолнового диапазона; систематизация знаний полученных ранее на уроках физики по ультрафиолетовому, рентгеновскому и радиоактивному излучению, изучение механизма биологического действия ионизирующих излучений (ИИ) на живые организмы, обсуждение последствий радиоактивного заражения местности, связанных с использованием ядерной энергии и эксплуатацией атомных электростанций.

Оборудование:

• Проектор

• Интерактивная доска

• Компьютер

• Раздаточный материал

Ход урока:

1. Фронтальный опрос. Прежде чем говорить о биологическом действии ИИ, повторим пройденный материал:

• По каким признакам шкала разделена на диапазоны излучений?

• Какая наблюдается зависимость длины волны от частоты излучения?

• Какая зависимость между частотой и энергией излучения?

• Что такое ионизация атома?

• Нужна ли энергия для ионизации атома?

• На что она расходуется?

• Какую минимальную энергию нужно сообщить электрону, чтобы оторвать его от атома?

Рассчитайте энергию квантов различных диапазонов шкалы электромагнитных излучений (по вариантам):

излучение

Длина волны

энергия

Дж

эВ

МэВ

Ультрафиолетовое

6 нм

3,315*10^-17

207

0,0002

Рентгеновское

10^-12м

2*10^-13

1243125

1,24

Гамма-излучение

5*10^-5 нм

4*10^-12

24862500

24,8

Сравним полученные значения с энергией ионизации отдельных химических элементов:

ионизация

Е_ион, эВ

ионизация

Е_ион, эВ

Не→Не⁺

24,5

Н→Н⁺

13,5

Nе→Nе⁺

21,5

O→O⁺

13,5

N₂→N⁺

15,8

Н₂O→ Н₂O ⁺

13,2

Ar→Ar⁺

15,7

Xе→Xе⁺

12,8

Н₂→Н₂⁺

15,4

O₂→O₂⁺

12,5

N→N⁺

14,5

Нg→Нg⁺

10,4

CO₂→CO₂⁺

14,4

Na→Na⁺

5,1

Kr→Kr⁺

13,9

K→K⁺

4,3

Вывод: ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение - это электромагнитные волны различного диапазона. Между собой они отличаются только своим происхождением и энергией квантов, значит, они обладают различной проникающей и ионизирующей способностью, поэтому оказывают различное действие на ткани живых организмов.

Сравнивая энергию ионизации атомов с энергией квантов излучений, можно сказать, что все они способны ионизировать атомы и молекулы вещества, но в разной степени:

1. УФ излучение может выбросить электрон с орбиты атома;

2. Рентгеновское излучение выкидывает электрон;

3. Гамма-излучение выбивает электрон, как хлыстом.

Остановимся более подробно на влиянии каждого из излучений на живые

организмы.

1. Ультрафиолетовое и рентгеновское.

ультрафиолетовое

Рентгеновское

Источники

Солнце, бактерицидные лампы

Торможение быстрых электронов (рентгеновская трубка)

Польза

Загар, витамин Д₃ (дефицит витамина вызывает рахит и кариес), бактерицидное действие

постановка диагнозов в медицине, рентгеноструктурный анализ (структура кристаллов, гемоглобина, белка), дефектоскопия

Вред

Ожог сетчатки, избыток приводит к раку кожи

вызывает мутации в структуре ДНК, если делать редко особого вреда не будет, но при постоянном облучении возможно развитие лучевой болезни

2. Радиоактивное.

Наиболее сильное влияние на живые организмы оказывает радиоактивное излучение.

Основу механизма биологического действия радиоактивного излучения составляют процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в живых тканях, происходящие при поглощении ими ионизирующих излучений. На организм влияет только та часть радиоактивного излучения, которая поглощается его тканями.

Излучения оказывают сильное воздействие на все живые организмы, т.к это воздействие происходит на уровне клетки. Живая клетка - сложный механизм, который не может функционировать нормально, если какая-то ее часть получила повреждение. Даже слабые излучения (дополнительно к тому фоновому излучению, которое пронизывает атмосферу Земли и к которому человек на протяжении своей эволюции адаптировался) способны нанести клетке непоправимый урон.

Давайте выясним механизм биологического действия ИИ.

1. Его основу составляют процессы ионизации атомов и молекул в живых тканях, происходящие при поглощении ими ионизирующих излучений. Эти процессы являются лишь начальным этапом в сложной цепи биохимических превращений, вызванных действием радиации.

2. Ионизация тканей приводит к разрыву молекулярных связей и изменению структуры химических соединений, входящих в состав тканей. Часть атомов и молекул вещества тканей при поглощении РИ не ионизируется, а переходит в возбужденное состояние. Через определенное время эти атомы переходят в невозбужденное состояние, отдавая избыток энергии в виде квантов УФ излучения. Под действием этого излучения, поглощаемого тканями организма, происходит биохимическая реакция, приводящая к разрушению молекул нуклеиновых кислот и белка.

3. Первичным результатом действия РИ на живой организм является поражение клеток. Под действием облучения поражаются, прежде всего, ядра клеток, которые наиболее чувствительны по сравнению с цитоплазмой. Нарушается способность клеток к нормальному делению и обмен веществ в клетках.

Механизм биологического действия радиоактивного излучения

Ионизация тканей

Переход атомов вещества в возбужденное состояние

Разрыв молекулярных связей и изменение структуры химических соединений, входящих в состав тканей

Переход атомов в стационарное состояние, при этом избыток энергии отдается в виде УФ излучения, которое поглощается организмом

Происходит биохимическая реакция, приводящая к разрушению молекул нуклеиновых кислот и белка

• Поражение клеток:

  • нарушается способность клеток к нормальному делению;

  • нарушается обмен веществ в клетках

Заболевания:

• лучевая болезнь (заболевание, возникающее от воздействия различных видов ионизирующих излучений);

• злокачественные опухоли;

• генетические заболевания и др.

Поражение органов:

1 группа - все тело, половые органы и красный костный мозг.

2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.

3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.

По тексту, предложенному учащимся, определить, что относится к внешнему облучению человеку, а что к внутреннему.

• Внешнее облучение - 1, 4, 6, 8 - (рентгеновское и радиоактивное гамма-излучение) организма создают космические лучи, воздействие природных или искусственных излучателей, находящихся в воздухе, в земле, стенах помещения, или используемых в производственных, научных, медицинских и бытовых целях. Существенную роль играет при этом местонахождение человека. Чем выше он находится над уровнем моря, тем сильнее его облучение, ибо толщина и плотность воздушного слоя атмосферы по мере подъема уменьшаются, снижая ее защитные свойства. Так, люди, проживающие в местности, располагающейся на уровне моря, в год получают дозу внешнего облучения, в 6 раз меньшую, чем живущие на высоте 4000 м. На высоте 12 км доза облучения за счет космических лучей увеличивается примерно в 25 раз. Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно отмирание тканей (некрозы).

• Внутреннее облучение - 2, 3, 5, 7 - (особенно альфа-частицы) зависит от радиоактивных веществ, попадающих внутрь организма человека с вдыхаемым воздухом, продуктами питания, водой. Вдыхаемые с аэрозолями радиоактивные газы попадают в дыхательную систему. Из нее они проникают в кровь, лимфу, желудочно-кишечный тракт и разносятся по всему организму, оседая в различных органах и тканях: костях, печени, селезенке, щитовидной железе и др. При вдыхании воздуха через нос задерживается до 83% радиоактивной пыли. Второй путь попадания радиоактивных веществ внутрь организма человека - пищеварительный тракт. Из него эти вещества всасываются в кровь и попадают в различные органы человека. Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови - снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям. Поступление радиоактивных веществ в организм человека через кожу возможно при открытых ранах и повреждениях. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь ИИИ подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

• Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический.

При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

Как вы думаете, какие эффекты более коварны?

При изучении действия излучения на организм были выявлены следующие особенности:

• Высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

• Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений.

• Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.

• Генетический эффект - воздействие на потомство.

• Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.

• Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.

• Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

Источники ионизирующих излучений:

Как вы думаете, одинаково ли воздействуют все эти факторы ни живые организмы? Выскажите свое мнение.

На диаграмме представлен уровень радиационного облучения населения в % соотношении за год:

космическое излучение

8,6%

естественные радионуклиды в составе почвы, воздуха, горных пород

9,1%

естественные радионуклиды в составе пищи, воды и воздуха, поступающего в легкие при дыхании

10,8%

строительные материалы минерального происхождения (помещения бытовые и производственные)

30,0%

медицинская рентгенодиагностика

40,0%

радиоактивные продукты ядерных взрывов

0,6%

Теплоэлектростанция (мощностью 1000 МВт, на расстоянии до 20 км)

0,6%

атомная электростанция (мощностью 1000 МВт, на расстоянии до 20 км)

0,0%

телевидение

0,3%

полет на самолете

0,2%

Но биологическое действие ионизирующих излучений может кроме вреда, приносить и пользу. Давайте обобщим полученные знания и заполним небольшую таблицу, в которой укажем основные проявления действия опасных излучений. Мы разобрали подробно негативное действие ИИ. Запишем его в таблицу.

Теперь поговорим о полезном действии ИИ.

Чтобы говорить о пользе ИИ, нужно вспомнить все отрицательные стороны:

1. РИ поражает в первую очередь ткани, в которых происходит деление и образование новых клеток, особенно тех, которые быстро делятся - ЛЕЧЕНИЕ РАКОВЫХ ОПУХОЛЕЙ;

2. Необходимыми условиями эволюции являются изменчивость и естественный отбор. Изменчивость есть следствие мутации генов, а одним из факторов, вызывающих мутации, является естественный радиоактивный фон - без участия ЕРФ не было бы и жизни на земле;

3. Если удалить из почвы радиоактивные изотопы, то рост растений замедляется, их продуктивность снижается; небольшие дозы излучения стимулируют рост растений;

4. В сельском хозяйстве - РАДИОСЕЛЕКЦИЯ;

5. Радиоуглеродный анализ;

6. Применение радиоактивных изотопов - исследование обмена веществ в организме, лечение различных заболеваний и т.д. Давайте заслушаем ряд коротких сообщений.

Применение изотопов - короткие сообщения учащихся.

Давайте подведем итог нашей сегодняшней дискуссии, зафиксировав в таблице основные действия излучений:

Биологическое действие ионизирующих излучений:

вредные

полезные

• лучевая болезнь;

• злокачественные опухоли;

• генетические заболевания;

• сокращение продолжительности жизни.

• применение радиоактивных изотопов;

• лечение раковых заболеваний;

• радиоуглеродный анализ;

• исследование обмена веществ;

• диагностика заболеваний.

2. В заключении я предлагаю сделать вам тест.

1. Найдите неверные утверждения:

   1. Даже слабые излучения способны вызвать лучевую болезнь у организмов;

   2. Излучение радиоактивных веществ не оказывает воздействия на живые организмы;

   3. Живая клетка - это сложный механизм, способный продолжать нормальную деятельность при повреждениях отдельных его участков;

   4. При большой интенсивности излучения живые организмы погибают.

2. Распределите по группам:

Вред от облучения живых организмов

Польза от облучения живых организмов

А,Б,В

Г

1. Ионизация атомов и молекул

2. Нарушение процесса образования крови

3. Поражение генов в хромосомах

4. Подавление раковых опухолей гамма-лучами радиоактивных препаратов.

3. Какой сфере практической деятельности соответствует применение радиоактивных изотопов?

   биология

   Промышленность

   Сельское хозяйство

   археология

   В

   Б

   Г

   А

   1. Метод радиоактивного углерода

   2. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов

   3. Добавление к кислороду избытка изотопа было установлено, что свободный кислород, выделяющийся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа

   4. Облучение семян растений небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности

4. Вставьте пропущенные слова:

В первую очередь излучения поражают …А ; облучение …Г влияние на наследственность, поражая гены в хромосомах.

1. Костный мозг

2. Не оказывает

3. Клетки пищеварительного тракта

4. Оказывает

5. Найдите верные утверждения:

   1. Совсем не чувствительны к излучениям ядра клеток

   2. Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на живые организмы

   3. Опасность излучения усугубляется тем, что они вызывают сильнейшие болевые ощущения

   4. Самые слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания

3. Подведение итогов урока: сегодня на уроке мы выяснили механизм биологического действия ИИ. В дальнейшем вам предстоит изучить количественные характеристики биологического действия ИИ, а именно поглощенную дозу излучения, мощность дозы излучения, экспозиционную дозу излучения. Вы познакомитесь с понятием предельно допустимой дозы излучения и ее значением для различных живых организмов. Я же хочу задать вам несколько вопросов:

   1. Что нового вы узнали?

   2. Какие вещи вам были уже известны?

   3. Понравился ли вам урок?

   4. Что именно вас заинтересовало?

   5. Мне бы хотелось, чтобы вы дома подумали над следующими вопросами:

      1. Зная, что биологическое действие ИИ опасно для живых организмов, так ли человеку необходимо использование атомной энергетики?

      2. В чем плюсы и минусы с точки зрения экологии использование атомной энергетики?

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ. УРОК ОКОНЧЕН.