Научно-исследовательская работа по физике «Определение уровня радиоактивного загрязнения окружающей среды поселка Большая Тура» (9 класс)

  «План исследования».

      Все мы являемся свидетелями небывалой антропогенной нагрузки на окружающую среду: человек создает гигантские технические объекты, меняет ландшафт, влияет на глобальное изменение климата.  Это является одной из основных причин значительного роста количества и масштабов различных чрезвычайных ситуаций. Однако угрозы для людей определяются не только аварийно опасными и чрезвычайными ситуациями. Постоянное функционирование объектов техносферы приводит к  постепенному накоплению вредных и опасных факторов, отрицательно влияющих на здоровье и жизнедеятельность людей. Особое место в спектре источников угроз и опасностей  занимает радиационное загрязнение. Первым и очень важным шагом в процессе предупреждения и смягчения последствий воздействия факторов радиационной опасности является их  обнаружение, идентификация, определения вида и характера. Для этих целей   существуют доступные для населения бытовые приборы, позволяющие контролировать и измерять дозы и мощности дозы радиации, уровни загрязненности воды и продуктов питания.  В этой связи данная работа представляется крайне актуальной.

 Гипотеза: своевременное обнаружение радиоактивной загрязненности окружающей среды и продуктов питания позволит предотвратить радиоактивное поражение или значительно снизить его воздействие, что  обеспечит безопасность жизни и здоровья людей.

Цель: оценить уровень радиоактивной загрязненности окружающей среды и проб продуктов питания по результатам измерения удельной активности.           

 Задачи: 

1.Рассмотреть основные понятия темы.

2.Оценить уровень безопасности естественного радиационного фона поселка Большая Тура.

3.Оценить безопасность некоторых продуктов питания для жизни и здоровья жителей поселка.

4.Определить меры необходимые для уменьшения уровня загрязненности.

В процессе работы я использовал  следующие методы исследования:

1.теоретические (моделирование, проведение аналогий,  сравнительного анализа, обобщение)

2. эмпирические (проведение   эксперимента).

3. математические (метод визуализации данных)            

        В процессе работы я использовал книгу А.Г. Муравьева «Основы безопасности жизнедеятельности. Методы и средства оценки факторов радиационной и химической опасности». В этой книге авторы  предлагают способ определения мощности дозы гамма –излучения с применением бытового дозиметра. В книге рассматриваются физические факторы окружающей среды и их влияние на здоровье, и жизнедеятельность человека. В книге С.И. Кабардина и Н.И. Шефер «Измерение физических величин» так же рассматриваются способы определения радиоактивности с помощью счетчика Гейгера-Мюллера, допустимые и опасные дозы облучения. 

«Научная статья (описание работы)».

      В последние дни апреля 2014 года в селе Большая Тура Карымского района в результате перехода верхового лесного пожара на военные склады прогремело около 20 взрывов. Необходимо отметить, что в Туринской расположены склады с боеприпасами, ракетным топливом, а также склады ГСМ. Боеприпасы свозили в Большую Туру десятилетиями и хранили на случай войны. Людям в мирное время пришлось испытать на себе все тяготы военных лет. Жители в панике бежали из опасной зоны, всего было эвакуировано более двух тысяч человек, в том числе около семисот детей. Было прервано движение по федеральной автотрассе, а также по Транссибу. Трагедия унесла жизни нескольких военных офицеров и жителей Большой Туры, работающих на складах с боеприпасами.    16 августа 2014 года командующий 29 войсковой армии генерал-майор Алексей Авдеев и Губернатор региона Константин Ильковский вручили государственные и ведомственные награды министерства обороны родственникам погибших, жителям поселка, которые участвовали в ликвидации последствий взрывов, сотрудникам МЧС и полиции. 

     После трагедии, случившейся в нашем районе, среди населения пошли слухи о высоком уровне радиационного фона. Несмотря на все мероприятия, проводимые по ликвидации последствий чрезвычайной ситуации, до сих пор наблюдается некоторое   беспокойство среди жителей.  Поэтому мы решили провести свое исследование.   Что же такое радиация? Попытаемся в этом разобраться.

    Источниками радиационной обстановки на Земле являются: природная радиоактивность, включая космическое излучение; глобальный радиационный фон, обусловленный проводившимися испытаниями ядерного оружия; эксплуатация радиационноопасных объектов.  Радиация действительно смертельно опасна. При больших дозах она вызывает серьезнейшие поражения тканей, а при малых может вызвать рак и индуцировать генетические дефекты, которые, возможно, проявятся у детей и внуков человека, подвергшегося облучению, или у его более отдаленных потомков. [1]

      Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Самопроизвольный распад ядер атомов нестабильных химических элементов и превращение их в  другие стабильные химические элементы называется радиоактивностью.

     При самопроизвольном распаде ядер атомов энергия выделяется в виде: излучение положительно заряженных  a-частиц (a-излучение); излучение отрицательно заряженных B-частиц (B-излучение);Y-излучения и нейтронного атома.

       Альфа-излучение. В воздухе при атмосферном давлении альфа-излучение преодолевает лишь небольшое расстояние, как правило, от 2,5 до 7,5 см. В условиях вакуума электрическое и магнитное поля заметно отклоняют его от первоначальной траектории. Направление и величина отклонений указывают на то, что альфа-излучение - это поток положительно заряженных частиц, для которых отношение заряда к массе в точности соответствует дважды ионизированному атому гелия. Эти данные и результаты спектроскопического исследования собранных альфа-частиц позволили Резерфорду сделать вывод о том, что они являются ядрами атома гелия.

      Бета-излучение. Это излучение обладает большей проникающей способностью, чем альфа-излучение. Как и альфа-излучение, оно отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению заряда к массе Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

         Гамма-излучение. Гамма-излучение проникает в вещество гораздо глубже, чем альфа - и бета - излучения. Оно не отклоняется в магнитном поле и, следовательно, не имеет электрического заряда. Гамма-лучи были идентифицированы как жесткое (то есть имеющее очень высокую энергию) электромагнитное излучение.  

        Важным свойством всех радиоактивных излучений является их способность вызывать ионизацию клеток в тканях живых организмов, что приводит к нарушению их деятельности. Наиболее сильную ионизацию атомов и молекул биологических тканей производят тяжёлые заражённые частицы (a-частицы, протоны, осколки ядер атомов). Пробеги a-частиц даже в воздухе составляют около 10 см. Масса B-частиц значительно меньше массы a-частиц, поэтому они характеризуются меньшей  ионизирующей способностью и большей длинной пробега этих частиц составляет десятки метров. В кожные покровы человека B-частицы проникают на глубину до 15 мм. Наибольшей проникающей способностью обладают нейтронное и Y-излучение. В газах длина их пробега составляет сотни метров. Тело человека Y-лучи пронизывают насквозь. Для характеристики защитных свойств различных материалов от Y-излучения используют понятие толщины слоя.  (Приложение №1)

      Для оценки радиоактивности используют различные единицы измерения. Единицей непосредственного измерения радиоактивности является кюри (Ки). Эта единица определяет активность вещества, взятого в определённом количестве. Активность измеряется путём подсчёта количества распадов нестабильных ядер в единицу времени.

    В системе СИ за единицу активности принят один распад в секунду. Эта единица получила название беккерель (Бк).

     Количественной оценкой действия радиоактивного излучения на различные объекты является доза радиации. Экспозиционная доза радиации (Дэксп)- это такая доза, которую излучает радиоактивное вещество в окружающее пространство. В системе СИ за единицу измерения экспозиционной дозы радиации принят 1 Кл/кг, означающий дозу, которая ионизирует воздух массой 1 кг.[1] Рентген - внесистемная единица экспозиционной дозы радиоактивного облучения рентгеновским или гамма-излучением, определяемая по их ионизирующему действию на сухой атмосферный воздух.[3]

        Радиация, воздействуя на организм, не образует в нем радиоактивных веществ, то есть человек не превращается сам в источник радиации. Кстати, рентгеновские снимки, вопреки распространенному мнению, также безопасны для здоровья. Таким образом, в отличие от болезни, лучевое поражение от человека к человеку передаваться не может, зато радиоактивные предметы, несущие в себя заряд, могут быть опасны.

     Принцип, обнаружения радиоактивных излучений основан на их свойстве, ионизировать вещество  среды, в которой они распространяются. Для обнаружения, контроля и измерения радиоактивных излучений используют следующие методы:

•          Фотографический (под действием радиоактивных излучений фотоматериалы темнеют; по степени их потемнения судят о величине дозы излучения, сравнивают полученный результат с эталонными образцами)

•          Химический (используют, свойство некоторых химических веществ под действием радиоактивных излучений меняют свою химическую структуру и цвет красителя; на этом принципе работают химические дозиметры)

•          Сцинтилляционный (сцинтилляция - вспышки света; некоторые вещества светятся под действием радиоактивных излучений, чем больше мощность дозы радиации, тем большее количество регистрируется  прибором)

•          Ионизирующий ( под действием радиоактивных излучений происходит ионизация газа: его атомы  и молекулы разделяются на положительные и отрицательные ионы Если в этом объеме поместить два электрода и создать электрическое поле, то под действием сил электрического поля электроны с отрицательным зарядом будут перемещаться к аноду, а положительно за ряженые ионы - к катоду, т.е. между электродами будет проходить электрический ток, названный ионизирующим током и можно судить об интенсивности ионизационных излучений. С увеличением интенсивности, а соответственно и ионизационной способности радиоактивных излучений, увеличится и сила ионизирующего току.

•          Калориметрической метод базируется на изменении количества теплоты, выделяющейся в детекторе поглощения энергии  ионизирующих излучений

•          Нейтронно-активационный метод удобен при оценке доз в аварийных ситуациях, когда возможно кратковременное облучение большими потоками нейтронов. По этому методу измеряют наведенную активность, и в некоторых случаях он является единственно возможным в регистрации, особенно слабых нейтронных потоков, потому, что приведенная ими активность имела для надежных измерений обычными методами.

•          Биологический метод дозиметрии основан на использовании свойств излучений, влияющих на биологические объекты.  Этот метод не очень точный и менее чувствителен, чем физический.

•          Расчетный метод определения дозы облучения предусматривает применение математических расчетов. Для определения дозы радионуклидов, попавших в организм, этот метод является единственным.[1]

   В процессе нашей работы был использован индикатор радиоактивности Soeks–01M, предназначенный для оценки уровня радиоактивного фона и обнаружения предметов, продуктов питания, строительных материалов, зараженными радиоактивными элементами. Индикатор радиоактивности производит оценку радиационного фона по величине  мощности ионизирующего излучения (гамма – излучения и потока бета – частиц) с учетом рентгеновского излучения. В качестве датчика ионизирующего излучения в индикаторе радиоактивности применен счетчик Гейгера – Мюллера.

       Для интерпретации показаний  дозиметрического прибора необходимо знание единиц измерения радиоактивности и умение производить вычисления для сравнения полученных данных с  предельно допустимыми значениями.  В нашем случае естественный радиационный фон на открытой местности выдал среднее значение равное  23 мкР/ч. (Приложение№2) Радиационное облучение населения складывается из допустимого облучения от техногенных источников - 1 мЗв, облучение от естественных источников радиации 2,4 - 2,9 мЗв и облучение во время медицинских обследований. Максимальное годовое облучение населения не должно превышать 5мЗв. [2]

    Чтобы сравнить измеренное значение мощности дозы радиации с предельно допустимой дозой, необходимо привести их к одинаковым единицам измерения. Для этого пересчитаем значение ПДД, получаемой за год, в дозу, получаемую за час: 5/365*24 мЗв/час=0,00057мЗв/час=0,57мкЗв/час=57мкР/час. Это означает, что если в течение года мощность дозы радиации будет в среднем составлять 57мкР/час, то за год человек получит предельно допустимую дозу в 5мЗв. Поскольку среднее   показание  дозиметра составило 23 мкР/ч, что меньше 57мкР/час, то можно предположить, что за год человек получит дозу меньшую, чем ПДД. Другой вывод можно сделать по результатам вычислений:  если показания дозиметра будут меньше 57мкР/час, то не требуется применять мер по защите от радиации.

При определении радиоактивного загрязнения продуктов питания (Приложение №3) выращенных в поселке Большая Тура среднее значение дозиметра было  15 мкР/час, что меньше 57 мкР/ч. Таким образом продукты совершенно  безопасны.

    Аварии, происходящие на взрывоопасных объектах, а так же близость расположения с ними   вызывает у некоторых  людей  неоправданную боязнь перед радиоактивным  излучением – радиофобию. Часто радиофобия является результатом слухов, домыслов и непонимания сущности происходящего. Она проявляется в болезнях, причиной которых является не радиация, а особое состояние психики людей, связанное с формированием статуса жертвы.  Ликвидировать недостаток информации о радиационной  обстановке  помогут современные дозиметрические приборы. Поэтому необходимо уметь ими пользоваться, знать единицы измерения и предельно допустимые дозы облучения, своевременно обнаруживать радиацию, постоянно контролировать и оценивать ее уровни.

 Список литературы.

1.А.Г. Муравьев Основы безопасности жизнедеятельности. Методы и средства оценки факторов радиационной и химической опасности. 8-11 класс: методическое пособие/ А.Г. Муравьев; - М.: Дрофа, 2007.-140с.

2.С.И. Кабардин, Н.И. Шефер Измерение физических величин: методическое пособие/ С.И. Кабардин, Н.И. Шефер.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005 -136с.

3. Интернет-ресурсы. Википедия  ru.wikipedia.org

  Приложение №1.

Приложение №2.

Приложение №3.