В исследовательской работе и проекте по физике "Ионизирующее излучение" автор изучил историю развития ионизирующего излучения, его источники, способы измерения и свойства, а также выяснил какие существуют способы защиты от ионизирующих излучений.

В процессе проведения работы над индивидуальным исследовательским проектом по физике на тему «Ионизирующее излучение» обучающийся 10 класса подробно описал природу радиации и ее воздействие на организм человека. В исследовательской работе рассмотрены источники и свойства ионизирующего излучения, способы измерения ионизирующих излучений.

Подробнее о проекте:

В готовом исследовательском проекте по физике на тему «Ионизирующее излучение» автор сделал выводы о том, что радиация все больше и больше входит в нашу жизнь, и не зря. Излучение обладает множеством полезных свойств и используется в огромном количестве устройств самого разного назначения.

Исследовательская работа по физике на тему «Ионизирующее излучение» содержит и практический раздел, в котором осуществляется измерение радиационного фона с помощью выбранной техники, описывается сама техника измерения, формулируются выводы проекта, приводится список использованной литературы.

Оглавление

Введение

1. Теоретический раздел
2. История развития ионизирующего излучения
3. Источники ионизирующего излучения
4. Измерение ионизирующих излучений
5. Свойства ионизирующих излучений
6. Защита от ионизирующих излучений
7. Практический раздел
8. Техника измерения радиационного фона
9. Измерение радиационного фона

Заключение
Список литературы

Актуальность проекта: в последнее время все больший интерес у людей вызывают ядерные технологии, неотъемлемой частью которых является ионизирующее излучение. Полезно знать о способах защиты от радиации и его влиянии на организм.

Проблема исследования: что такое ионизирующее излучение, какова его природа, и как оно влияет на человека.

Объект исследования: ионизирующее излучение.

Цель проекта: исследовать ионизирующее излучение.

Задачи проекта:

• подобрать и изучить литературу по теме;
• исследовать особенности ионизирующего излучения;
• изучить влияние на человека;
• обобщить полученные результаты и сделать выводы.

Многие технологии в современном мире базируются на технологии излучения. Ионизирующее излучение давно является обязательным аспектом школьной программы по физике, что говорит о ее важности для общества. Открытие ионизирующих излучений послужило зарождению физики атома и ядра.
Ионизирующее излучение обладает большим количеством полезных свойств, которые активно используются в нанотехнологиях, медицине, технике и т.д

Пучки ионизирующих излучений можно получить из естественных радиоактивных веществ, из космических лучей, из ускорителей и реакторов. С начала двадцатого века их получали из радиоактивных веществ.

Но при этом радиация очень опасна, и человек, в современном мире, должен знать, к чему быть готовым в аварийной ситуации.
Исторической датой открытия ионизирующего излучения можно считать обнаружение в 1895 году Рентгеном лучей, которые способны проходить сквозь вещество.

Краски с использованием урановых и других радиоактивных материалов применялись еще задолго до начала нашей эры, но испускаемое ими ионизирующее излучение было так незначительно, что его не могли заметить.

Первым обнаруженным видом ионизирующего излучения стали катодные лучи (потоки электронов, ускоряемых в вакуумной трубке высоким напряжением), открытые в 1860-х годах. Затем были открыты рентгеновские лучи (Вильгельм Рентген, 1895,Рис.1).

Рис.1: Рентген

В 1896 году Анри Беккерель (Рис.2) обнаружил ещё один вид ионизирующего излучения — невидимые лучи, испускаемые ураном, проходящие сквозь плотное непрозрачное вещество и засвечивающие фотоэмульсию (в современной терминологии — гамма-излучение).

Рис.2: Беккерель

В результате дальнейшего исследования явления радиоактивности было обнаружено (Эрнест Резерфорд, 1899,Рис.3), что в результате радиоактивного распада испускаются альфа-, бета- и гамма-лучи, отличающиеся по ряду свойств, в частности, по электрическому заряду.

Рис.3: Резерфорд

Впоследствии были обнаружены и другие виды ионизирующей радиации, возникающие при радиоактивном распаде ядер: позитроны, конверсионные и оже-электроны, нейтроны, протоны, осколки деления, кластеры (лёгкие ядра, испускаемые при кластерном распаде). В 1911—1912 годах были открыты космические лучи.

Источник ионизирующего излучения — вещество или устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение и составляющее радиационный фон. Выделяют природные и искусственные источники излучения.

Природные:

1. Космическое излучение — электромагнитное или корпускулярное излучение, имеющее внеземной источник; подразделяют на первичное (которое, в свою очередь, делится на галактическое и солнечное) и вторичное.
2. Радиоактивные семейства — группы изотопов, связанных друг с другом цепочкой радиоактивных превращений.
3. Радионуклиды, не входящие в ряды — нуклиды, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад.
4. Радионуклиды земной коры, атмосферы, строительных материалов, пищи и воды

Искусственные:

1. Изотопные источники энергии — устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.
2. Неизотопные источники: рентгеновские трубки, ускорители, синхротроны (Рис.4), магнетроны.


Рис.4: Синхротрон

3. Ядерный реактор (Рис.5) — устройство, предназначенное для организации управляемой, самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии.

Рис.5: Ядерный реактор

Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещённую в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.
В качестве датчиков ионизирующего излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры (Рис.6) на базе счётчиков Гейгера.

Рис.6: Дозиметр

Счётчик Гейгера (Рис.7) — газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Некоторые приборы снабжаются специальным фильтром, преобразующим бета-излучение в гамма-кванты за счёт тормозного излучения.

Рис.7: Счетчик Гейгера

Существуют полупроводниковые датчики (Рис.8) ионизирующего излучения. Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объём полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.

Рис.8: Полупроводниковый датчик

Широкое применение в науке получили сцинтилляторы. Эти приборы преобразуют энергию излучения в видимый свет за счёт поглощения излучения в специальном веществе. Вспышка света регистрируется фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляторы хорошо разделяют излучение по энергиям.

Частицы и кванты, образующиеся при радиоактивном распаде ядер элементов, по-разному взаимодействуют с окружающей средой. Эти взаимодействия абсолютно не зависят от вида элемента, а лишь от свойств (масса, энергия, заряд, частота и т.д.) самих частиц.

Основными свойствами радиоактивных излучений являются:

1. Способность проникать через вещества;
2. Ионизация вещества среды;
3. Выделение тепла при радиоактивном распаде;
4. Действие на фотоэмульсию;
5. Способность вызывать свечение люминесцирующих веществ;
6. Способность вызывать химические реакции и распад молекул (при длительном воздействии излучений изменяется окраска окружающих предметов).

Все эти свойства и используются при обнаружении и регистрации излучений, т.к. ни одно из шести чувств человека воздействие ионизирующих излучений не улавливает.

Рис.9: Три вида излучений

γ-лучи, α- и β-частицы (Рис.9) обладают различной проникающей способностью (Рис.10). Пробег α-частицы в воздухе не превышает нескольких сантиметров; β-частицы могут пройти в воздухе несколько метров, а γ-кванты – десятки, сотни метров. При внешнем облучении человека α-частицы полностью задерживаются поверхностным слоем кожи, поэтому они не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие α-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с воздухом, тогда они становятся чрезвычайно опасными.

β-частицы не могут проникнуть в глубь человеческого организма больше, чем на несколько миллиметров (глубина проникновения 1 - 2 см). Проникающая способность γ- излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. γ- кванты вызывают облучение всего тела.

Рис.10: Проникающая способность

Для защиты от ионизирующих излучений применяют следующие методы и средства:

1. Снижение активности (количества) радиоизотопа, с которым работает человек.
2. Увеличение расстояния от источника излучения.
3. Экранирование излучения с помощью экранов и биологических защит.
4. Применение средств индивидуальной защиты.

Если указанных мер защиты временем, расстоянием, количеством недостаточно для снижения уровня излучения до допустимых величин, между источником излучения и защищаемым объектом (человеком) устанавливают защиту (экраны).
Выбор материала защитного экрана определяется видом и энергией излучения.

Альфа-частицы тяжелые, поэтому, обладая высокой ионизирующей способностью, быстро теряют свою энергию. Для защиты от альфа-излучения достаточно 10 см слоя воздуха. При близком расположении от альфа-источника обычно применяют экраны из органического стекла. Однако распад альфа-нуклида может сопровождаться бета- и гамма-излучением. В этом случае должна устанавливаться защита от этих видов излучений.

Для защиты от бета-излучения рекомендуется использовать материалы с малой атомной массой (алюминий, плексиглас, карболит), которые дают наименьшее тормозное гамма-излучение, обычно сопровождающее поглощение бета-частиц. Для комплексной защиты от бета- и тормозного гамма-излучения применяют комбинированные двух- и многослойные экраны, у которых со стороны источника излучения устанавливают экран из материала с малой атомной массой, а за ним — с большой атомной массой (свинец, сталь и т. д.).

Для защиты от гамма- и рентгеновского излучения, обладающих очень высокой проникающей способностью, применяют материалы с большой атомной массой и плотностью (свинец, вольфрам и пр.), а также сталь, железо, бетон, чугун, кирпич. Однако, чем меньше атомная масса вещества экрана и чем меньше плотность защитного материала, тем для обеспечения требуемой кратности ослабления необходима большая толщина экрана.

Конструкции защитных устройств разнообразны (Рис.11). Они могут выполняться в виде защитных боксов, сейфов для хранения радиоактивных препаратов, передвижных и стационарных экранов. При выделении радиоактивной пыли и газов боксы снабжаются вытяжной вентиляцией.

Помещения, предназначенные для работы с радиоактивными препаратами, должны быть отдельными, изолированными от других помещений и специально оборудованными. Стены, потолки и двери делают гладкими, не имеющими пор и трещин. Все углы помещения закругляют для облегчения уборки помещения от радиоактивной пыли. Стены покрывают масляной краской на высоту 2 м, а при поступлении в воздушную среду помещения радиоактивных аэрозолей или паров как стены, так и потолки покрывают масляной краской полностью. Помещения оборудуют хорошей приточно-вытяжной вентиляцией, проводят ежедневную влажную уборку.

Рис.11: Защитные устройства

Для защиты человека от внутреннего облучения при попадании радиоизотопов внутрь организма с вдыхаемым воздухом применяют респираторы (Рис.12) (для защиты от радиоактивной пыли), противогазы (для защиты от радиоактивных газов).

Рис.12: Респиратор

При работе с радиоактивными изотопами в качестве основной спецодежды применяют халаты, комбинезоны, полукомбинезоны из неокрашенной хлопчатобумажной ткани, а также хлопчатобумажные шапочки.

При опасности значительного загрязнения помещения радиоактивными изотопами поверх хлопчатобумажной одежды надевают пленочную (нарукавники, брюки, фартук, халат, костюм), покрывающую все тело или места возможного наибольшего загрязнения. В качестве материалов для пленочной одежды применяются пластики, резину и другие материалы, которые легко очищаются от радиоактивных загрязнений. При использовании пленочной одежды в ее конструкции предусматривается принудительная подача воздуха под костюм и нарукавники.

При работе с радиоактивными изотопами высокой активности используют перчатки из резины, пропитанной свинцом.
При высоких уровнях радиоактивного загрязнения применяют пневмокостюмы (Рис.13) из пластических материалов с принудительной подачей чистого воздуха под костюм.

Рис.13: Пневмокостюм

Для защиты глаз применяют очки закрытого типа со стеклами, содержащими фосфат вольфрама или свинец. При работе с альфа- и бета-препаратами для защиты лица и глаз используют защитные щитки из оргстекла.
На ноги надевают пленочные туфли или бахилы и чехлы, снимаемые при выходе из загрязненной зоны.

Для измерения радиационного фона потребуется прибор, о котором уже говорилось ранее – дозиметр.
Дозиметр можно приобрести в интернет – магазине.
Мощность дозы – это характеристика, которая позволяет оценить скорость ионизации вещества под действием излучения. Это скорость, с которой накапливается доза и становится опасной для здоровья или жизни. Измеряется данный параметр в мк3в/ч (микрозивертах за час). Это системная единица измерения.

При измерении мощности дозы с помощью дозиметра или индикатора радиоактивности нужно помнить, что ионизирующее излучение имеет динамический характер, потому показания дозиметра в одних и тех же условиях не всегда показывают одинаковую величину. Именно для этого лучше проверять уровень мощности дозы за 3-5 заходов, не выключая прибор.
Зная этот параметр, определяют насколько долго можно находиться в анализируемой местности без вреда для здоровья. Чем больше будет ее величина, то и доза будет быстрее накапливаться в определенном месте, предмете и т. д.

Как измерить фон:
Произвести измерения радиационного фона на расстоянии нескольких метров от предмета, который Вы хотите протестировать в течение 0.5-1 минуты. Поднести индикатор радиоактивности непосредственно к измеряемому предмету стороной, где стоит датчик (задняя сторона прибора). Измерить радиационный фон на максимально близком расстоянии от тестируемого предмета (1-2 см). Вычтите из полученных показаний уровень радиационного фона окружающей среды.

В практической части проекта, мы, с помощью дозиметра, измерим радиационный фон разных мест, и сравним его с допустимым.
Проведя измерения, занесем данные в таблицу 1:

Место проведения измерений	Радиационный фон, мкЗв/ч
Территория школы	0,10
Кабинет физики	0,13
Кабинет информатики	0,22
Кабинет математики	0,11
Дом	0,09
Продуктовый магазин	0,12
Улица	0,10
Аптека	0,16
Вышка сотовой связи	0,13
Кабинет химии	0,14

Таблица 1
Уровни радиационного фона:
1. 0,04 – 0,23 мкЗв/ч: безопасный фон.
Безопасный для человека фон, не оказывающий влияния на здоровье.

2. 0,24 – 0,6 мкЗв/ч:допустимый фон.
Повышенный уровень может быть вызван естественными причинами (излучение от гранитов и других минералов, влияние космического излучения и т.д.). Здоровье человека, постоянно живущего при такой мощности дозы, не подвергается опасности.

3. 0,61 – 1,2 мкЗв/ч: тревожный уровень.
Обнаружив подобный участок местности, необходимо сообщить о нем в ближайшую санитарно-эпидемиологическую станцию для тщательной проверки. Кратковременное пребывание на такой местности не отражается на состоянии здоровья

4. 1,2 мкЗв/ч и выше: опасный уровень.
Не рекомендуется даже кратковременное пребывание - необходимо по возможности быстрее покинуть это место.
Важно помнить, что опасна не мощность дозы, а сама накопленная организмом доза, которая зависит от времени пребывания в загрязненной зоне. Даже при очень большой мощности дозы вы не подвергнетесь серьезной опасности, если быстро удалитесь из опасного места.

По данным измерений можно сделать вывод, что радиационный фон, во всех измеренных местах, не превышает безопасный.
Наибольший радиационный фон в кабинете информатики, из-за большого содержания компьютерной техники.

В данном исследовательском проекте по физике "Ионизирующее излучение" была подробно описана природа радиации и как она действует на организм. Видно как радиация все прочнее входит в нашу жизнь, и не без причины. Она имеет ряд полезных свойств, использующихся в огромном количестве техники самого разного назначения.

В первую очередь исследовательский индивидуальный проект "Ионизирующее излучение" направлен на разрушение мифа о том, что радиация это исключительно болезни и пагубное влияние. Проект популяризирует методы защиты от радиации, а в практической части было наглядно показано, что радиационный фон присутствует везде, на безопасном уровне, а также была дана инструкция, как самому измерить радиационный фон.

Людям стоит привыкнуть к радиации как к части нашей повседневной жизни, и перестать бояться ее, как страшного зверя.

1. И.М.Ободовский. Источники ионизирующих излучений. ИД Инетеллект, 2016 год.
2. И.Хала, Дж.Д.Навратил. Радиоактивность, ионизирующее излучение и ядерная энергетика. ЛКИ, 2012 год.
3. А.П. Черняев, А.В. Белоусов, Е.Н. Лыкова. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова Физический факультет, 2019 год.
4. В.П.Машкович, А.В.Кудрявцева. Защита от ионизирующих излучений. Энергоатомиздат, 1995 год.
5. В.А. Климанов, Е.А. Крамер-Агеев, В.В. Смирнов. Дозиметрия ионизирующих излучений. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2015 год.