Контрольная работа по "Физике"

При делении 1г урана выделяется энергии почти  в 3млн раз больше, чем при сжигании 1г угля.

  Реакция  деления тяжёлых ядер  в 1945 году была преступно использована  армией США для убийства сотен  тысяч мирных людей в японских  городах Хиросима и Нагасаки, а в СССР в 1954 году впервые  в Обнинске заработал мирный  ядерный реактор на АЭС –атомной  электростанции. В 1986 году в СССР  произошла страшная трагедия - аварии  на АЭС в Чернобыле, которая  поставила под сомнение разумность  строительства АЭС, однако во  многих странах до сих пор  значительная часть электроэнергии  поставляется АЭС. Надо заметить, что при нормальной работе  АЭС более экологична, чем тепловая  электростанция. Даже радионуклидов  АЭС выбрасывают в атмосферу  меньше, чем тепловые электростанции. Однако до сих пор не решена  проблема захоронения радиоактивных  отходов работы АЭС.

При ядерных  реакция синтеза лёгких ядер выделяется ещё большая энергия. Например, реакция  синтеза гелия:

 

 На  реакцию синтеза лёгких ядер  возлагались большие надежды,  однако до сих пор не решена  проблема проведения управляемой  термоядерной реакции. Поэтому,  к сожалению, она пока использовалась  только, в так называемых, водородных  бомбах,

Для медицины и фармации исключительно важно, что ядерные реакции позволяют  получать искусственные радиоизотопы многих элементов. Они отличаются от своих стабильных «родственников»  числом нейтронов в ядре, что и  делает их неустойчивыми. А вот химические свойства у них такие же, потому что в их ядрах то же количество протонов и, соответственно, такие же электронные оболочки. И вот это  то и привело к созданию изумительного, потрясающе точного метода исследования – методу меченых атомов.

Б. Меченые  атомы – это радиоактивные  изотопы  тех элементов, местоположение которых  требуется обнаружить. Например, для фармации очень важна проблема преодоления лекарственными веществами биологических барьеров. Для обнаружения  скорости и путей распространения  исследуемого вещества, а также мест его депонирования – накопления, а также скорости и путей выведения  вещества из организма в исследуемое  вещество среди элементов его  составляющих вводится  некоторое  количество меченых атомов. У меченых  атомов ядра  – нестабильные. Они  периодически распадаются и испускают  ионизирующее излучение. Концентрация меченых атомов требуется ничтожная, их излучение абсолютно безопасно  для организма. Однако, очень точные приборы по этому излучению надёжно  определят и местоположение и  концентрацию меченых атомов, а значит и исследуемого вещества.

Метод меченых  атомов открыл новые возможности  для диагностики ряда заболеваний. Особенно для ранней диагностики  онкологических заболеваний.  Новообразования  отличаются по химическому составу  от здоровых тканей.   Введя в  организм эти вещества, с небольшим  количеством меченых атомов, можно  надёжно их обнаружить по большей  или меньшей активности, наблюдаемой  над определёнными участками  организма. Например, введение в организм радиоизотопа иода  I¹³¹  позволяет по его накоплению в щитовидной железе и в других  органах диагностировать рак щитовидной железы и метастазы по ионизирующему излучению, сопровождающему распад:

 

Метод меченых  атомов позволяет исследовать многие биологические процессы. Например, этим методом было обнаружено, что  за три месяца организм обменивает 50% своих белков, что скорость движения соков растений порядка метров в  секунду.

Радиоизотопы  используются также для терапии - в основном,  для лечения онкологических заболеваний.

Приведём  ещё один пример применения радионуклидов  -  для  определения объёма крови  пациента. В кровь пациента вводится объём V  вещества, содержащего N₁  радионуклидов. Через несколько минут, за которые  введённое вещество успевает перемешаться со всей кровью пациента, берут пробу вещества такого же объёма V.  Сравнивая активность введённой порции А ₁ с  активностью пробы А₂  , можно определить объём крови по формуле:

 

 

 

 

ДЕЙСТВИЕ  ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ВЕЩЕСТВО И ОРГАНИЗМ. ИОНИЗИРУЮЩАЯ И ПРОНИКАЮЩАЯ  СПОСОБНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ  ИЗЛУЧЕНИЙ. ВИДЫ РАДИОАКТИВНЫХ РАСПАДОВ И ИХ УРАВНЕНИЯ.

Ионизирующая  и проникающая способности.

А.При ионизации  от атомов отрываются электроны, атомы  превращаются в положительные ионы – катионы.  Оторванные электроны  могут присоединиться к другим атомам, которые превращаются в отрицательные  ионы – анионы. Таким образом  при ионизации образуется пара ионов.

Ионизирующая  способность излучения оценивается  линейной плотностью ионизации i = ( пар ионов/ см =  пар/см = 1/см)

Линейная  плотность ионизации численно равна  числу пар ионов dn, образованных на единицу длины пробега dl частицы ионизирующего излучения в воздухе.

Б. Проникающая  способность для  и - излучения оценивается по среднему линейному пробегу R – расстоянию, на котором скорость частицы при пробеге в данной среде уменьшается до средней скорости теплового движения молекул и частица теряет свою ионизирующую способность.

Для и   рентгеновского излучений этот критерий не годится, поскольку нельзя уменьшить скорость фотона до скорости молекул. Фотоны при прохождении через вещество сохраняют скорость распространения электромагнитной волны в этой среде. Но количество фотонов и соответственно интенсивность излучения уменьшаются -   вследствие поглощения и рассеяния излучения веществом.  И поэтому проникающая способность и   рентгеновского излучений оценивается по толщине слоя половинного ослабления ℓ_1/2   - толщине слоя данной среды, при прохождении которого интенсивность излучения уменьшается вдвое. Для очень интенсивных и коротковолновых излучений применяется ещё и толщина слоя десятикратного ослабления ℓ_1/10.

Вид излучения	i, пар ионов/м (в воздухе )	R - для и ,ℓ1/2   - для и рент.		Защита
		в воздухе	в организме
	107	5см	0,1мм	Одежда, защитные очки, респираторы, гигиена
	104	50м	2см	Несколько см любого плотного материала.
и рент.	102	500м	1м	В зависимости от жёсткости и интенсивности  от нескольких мм до нескольких метров свинца или от десятков до сотен  метров почвы, воды, бетона

Видно, что, чем больше ионизирующая способность  излучения, тем быстрее теряется его энергия на взаимодействие с  атомами вещества, тем меньше проникающая  способность излучения.

Поэтому сравнительно легко защититься от  - излучения, когда оно приходит снаружи. С другой стороны, это излучение очень опасно, если его источники – радиоактивная пыль попадает в организм. В зоне поражения требуются самые жёсткие меры для защиты пищи, воды а также личной гигиены.

Гораздо труднее защититься от проникающей  радиации - и рентгеновского излучений, которые, хотя и оказывает примерно в десятки и больше раз меньшее биологическое действие, чем - излучение, могут быть очень опасны. Всё зависит от интенсивности и жёсткости излучения. От мягкого рентгеновского излучения, применяемого, например, при рентгеновской диагностике в зубоврачебных кабинетах, можно защититься   всего несколькими мм свинца. Естественно при очень кратковременном облучении. А вот от жёсткого характеристического рентгеновского излучения и от - излучения больших интенсивностей защита куда более серьёзная.

ДЕЙСТВИЕ  ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО

 А.  - излучение

- частицы – ядра атома гелия   , вылетающие из ядра при - распаде с огромной скоростью порядка 10⁷ м/с и несущие огромную энергию до 10 МэВ:

1. Производят очень большое ионизирующее действие в веществе. Причём электроны отрываются не только с внешних, но и с внутренних электронных слоёв.
2. Возбуждают молекулы вещества.
3. Отдельные - частицы взаимодействуют с ядрами вещества и могут вызвать ядерные реакции.

 К  вторичным эффектам действия  - излучения на вещество относятся:

1) Образование  свободных радикалов и химические  реакции.

2) Характеристическое  рентгеновское излучение. 

3) Радиолюминесценция.

4) Нагревание.

Б.      -  излучение

- частицы – электороны е₊  или позитроны е_- , вылетающие из ядра с огромными скоростями до 10⁸ м/с и обладающие энергией до 2-3МэВ:

1. Производят большое ионизирующее действие. Некоторые электроны отрываются не только с внешних, но и с внутренних электронных слоёв.
2. Возбуждают молекулы вещества.
3. Порождают тормозное рентгеновское излучение

К вторичным  эффектам действия -  излучения на вещество относятся:

1) Образование  свободных радикалов и химические  реакции.

2) Характеристическое  рентгеновское излучение. 

3) Радиолюминесценция.

          4) Нагревание.

       Реакция аннигиляции электрона  и позитрона 

При действии ₊ - позитронного излучения на вещество позитроны, взаимодействуя с электронами вещества, вступают с ними в реакцию аннигиляции: е₊   +   е_-  2(3)

При этом происходит превращение материи  из одного вида в другой: частицы  вещества электрон и позитрон  превращаются в  2 или 3 кванта электромагнитного  поля -  - фотоны. По знаменитой формуле А.Эйнштейна энергия связана с массой   Е = mс², с = 3 10⁸ м/с.

Масса покоя  электрона и позитрона порядка m_e = 9 10^-31кг.

 Это  соответствует энергии  

                  Е = 9 10^-31 (3 10⁸ )² Дж = 0,81 10^-13 Дж = 0,51 МэВ     ( 1МэВ = 1,6 10^-13 Дж )

 Общая  энергия, выделившаяся при аннигиляции  пары: электрон и позитрон –  1,02 МэВ.

Поэтому энергия, получившихся при реакции  - фотонов по 0,51 МэВ на каждый (при двухфотонной аннигиляции).

В. и рентгеновское излучение

Коротковолновые и рентгеновское излучения содержат фотоны очень больших энергий вплоть до 10 МэВ – у очень жёсткого - излучения.

Первичные эффекты действия и рентгеновского излучений на вещество:

1. Когерентное рассеяние.

Наблюдается, если энергия фотона = h = меньше работы ионизации А_и – энергии, которую надо затратить, чтобы оторвать электрон от атома вещества (см. рис. 4.1 а).

Рис. 4.1

В результате взаимодействия с электроном атома  фотон меняет направление своего распространения, не меняя своей  энергии, а, следовательно, и частоты.

2. Фотоэффект (рис. 4.1 б).

 Наблюдается,  если энергия фотона  = h   =   равна или больше  работы ионизации А_и . В этом случае энергия фотона тратится на отрыв электрона от атома и на сообщение электрону кинетической энергии   .  Уравнение фотоэффекта было написано немецким физиком Альбертом Эйнштейном в 1905 году:

h ₌ А_и  + . 

 

3. Эффект Комптона (рис. 4.1 в)

             Наблюдается, если энергия фотона  = h =   значительно больше  работы ионизации А_и  В этом случае энергия фотона тратится на отрыв электрона от атома, на сообщение электрону кинетической энергии   и на создание вторичного фотона с энергией  h _^′:                                          h ₌ А_и  + +  h ^_′

Этот  эффект ещё называется некогерентным  рассеянием, поскольку вторичные  фотоны получаются меньшей энергии  и, следовательно, меньшей частоты. Явление некогерентного рассеяния  было открыто в 1922 году американским учёным А. Комптоном.

Вторичные эффекты действия и рентгеновского излучений на вещество:

1) Образование  свободных радикалов и химические  реакции.

2) Вторичное  рентгеновское излучение. 

3) Радиолюминесценция.

4) Нагревание.

Рождение  пары электрон-позитрон.

Очень жёсткие  - фотоны, взаимодействуя с полями тяжёлых ядер могут превращаться в две частицы вещества: электрон и позитрон: = е_- + е₊

В этом случае происходит превращение электромагнитного  поля в вещество. Энергия  - фотона должна быть не меньше энергии покоя электрона и позитрона Е =2 mс²= 1,02 МэВ, а следовательно его длина волны должна быть не больше 2 10^-7 нм.

Г. Действие на вещество потока протонов

Потоки  протонов – ядер атомов водорода, вылетающих из ядер при некоторых ядерных  реакциях с большой энергией и  скоростью, примерно аналогичны по своему действию на вещество - частицам.

Д. Действие на вещество потока нейтронов

Первичное ионизирующее действие нейтронов мало, поскольку это незаряженные частицы. Поэтому проникающая способность  нейтронов огромна.

Наблюдаются следующие основные эффекты взаимодействия нейтронов больших энергий с  веществом:

1. Упругое рассеяние на лёгких ядрах

При упругих  столкновениях с лёгкими ядрами, например, ядрами водорода – преобладающего элемента в живых организмах нейтроны передают им свою энергию (см.  разделI, гл1 ). А вот эти ядра отдачи и  производят огромное ионизирующее и  биологическое действие.

2. Неупругое рассеяние на тяжёлых ядрах

При неупругих  столкновениях с тяжёлыми ядрами нейтроны возбуждают их. При возвращении  в невозбуждённое состояние ядро излучает жёсткие  - фотоны.

3.   Захват нейтрона ядром

               Это может вызвать ядерные  реакции с превращением ядер  вещества в радиоизотопы с  дальнейшими ядерными превращениями,  сопровождающимися радиоактивными  излучениями.