Открытие радиоактивности. Биологическое действие радиационного излучения

По форме – это урок семинар. Физика и медицина.

Тип урока: изучение нового материала с опережающим домашним заданием.

Темы докладов были даны за несколько недель до урока. Ребятам было предложено выбрать темы и подготовить доклады, доказывающие их точку зрения, а также подготовить доклад по своей теме, не данной учителем, но по этому вопросу.

Этот урок я даю в химико-биологическом классе. В тематическое планирование включаю вопросы биофизики и медицинской физики.

На уроке решаются задачи:

Образовательная: проследить историю открытия радиоактивности, ее физическую сущность. Сформировать у учащихся представления о биологическом действии радиоактивных излучений. Оценить положительные и отрицательные проявления этого открытия в современном обществе, расширить кругозор учащихся, способствовать развитию их интереса к изучению физики.

Воспитательная: сформировать мировоззренческие идеи, связанные с использованием радиоактивности, воспитывать умение выслушивать товарища, уважать чужую точку зрения.

Развивающая: развивать умение выделять главное, работать с дополнительной научно-популярной литературой, Internet, отстаивать свою точку зрения, приводить нужные аргументы, коротко, четко и быстро излагать свои мысли, а также развивать эмоции.

• информационный метод (сообщения учащихся)
• исследовательский (эксперимент)
• проблемный

Оборудование: плакаты, дозиметры, таблицы, экран, компьютер.

Учитывая интеллектуальные возможности учащихся и содержание урока, была выбрана структура приобретение новых знаний путем подготовки сообщений учащимися. Исходя из этого были использованы такие методы обучения, как проблемный, информационный и исследовательский.

Главный акцент был поставлен на проблеме: больше пользы или вреда принесло открытие радиоактивности. Каждый учащийся должен был на основе полученной информации решить и аргументировать свое отношение к проблеме.

В решении проблемы нужно было выделить главное, существенное.

Возрастные особенности учащихся позволяют организовать обучение в форме индивидуальной и самостоятельной работы.

Контроль знаний осуществляется в форме зачета, куда входят изучение дополнительной литературы, отбор и подготовка выступлений на семинаре, решение задач, работа с теоретическим материалом учебника, и оценивается в конце темы.

1. Организационный момент (2 мин):

Сообщение темы и цели урока, домашнее задание

Постановка проблемы: как вы думаете, больше пользы или вреда в открытии радиоактивных излучений. Свое мнение подтвердите аргументами в виде сообщений.

2. Изучение нового материала (40 мин):
• история открытия радиоактивности

Антуан Анри Беккерель

супруги Кюри

• альфа - ,бета -, гамма - излучения
• естественная и искусственная радиация
• загрязнение окружающей среды
• дозиметры
• эксперимент – замеры радиации в классе, сравнительный анализ замеров за несколько лет, таблица допустимых норм уровня радиации.
• доза облучения, накопление радиации в организме
• биологическое воздействие радиоактивных излучений
• использование растений
• использование излучений в медицине

Некоторые сообщения учащихся прилагаются.

3. Подведение итогов:

Вывод по проблеме в виде дискуссии учащихся и гостей на уроке

4. Рефлексия: На уроке проработан огромный материал. Мнения учащихся о проделанной работе на уроке.

Искусственный и естественный радиоактивный фон

Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерных реакций, называются искусственно–радиоактивными. Искусственная радиоактивность – весьма распространенное явление: в настоящее время получено по несколько искусственно – радиоактивных изотопов для каждого из элементов периодической системы. Общее число известных искусственно – радиоактивных изотопов превышает 1500, тогда как естественно – радиоактивных изотопов существует около 40.

Все три типа излучений – альфа, бета и гамма характерные для естественной радиации – испускаются также искусственно – радиоактивными веществами. Однако среди искусственно – радиоактивных веществ часто встречается иной тип распада, не свойственный естественно – радиоактивным элементам. Это – распад с испусканием позитронов – частиц, обладающих массой электрона, но несущих положительный заряд. По абсолютной величине заряды электрона и позитрона равны.

Естественную радиацию образуют космические лучи, падающие на Землю из космоса, и радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах и пище, которую мы едим.

Космические лучи – внешний источник облучения, так как они обрушиваются на нас сверху, пронизывая тело. Естественные радиоактивные вещества повышают уровень как внешнего, так и внутреннего облучения организма. Радиоактивные элементы, содержащиеся в земной коре и строительных материалах, из которых сооружены наши дома, испускают лучи, непрестанно пронизывающие наши тела, то есть они образуют внешний источник радиации. В то же время наша пища содержит микроскопическое количество редких радиоактивных элементов, которые поступают внутрь организма и образуют постоянный источник внутреннего облучения. Содержание во вдыхаемом воздухе радона, выделяемого строительными материалами, ведет к значительному облучению эпителия легких.

Уровень радиации из естественных ее источников остается относительно постоянным. Полагают, что на определенных начальных стадиях развития Земли естественный радиационный фон был во много раз выше, чем сейчас. Он варьирует в зависимости от региона нашей планеты. В некоторых точках земного шара он может превышать средний уровень в 10 раз.

Нормативы загрязнения

В ходе ликвидации последствий на Чернобыльской АЭС было разработано большое количество нормативных документов, инструкций, рекомендаций по индивидуальной защите личного состава, а также населения, проживающего в загрязненных районах. Среди них на первом месте – документы, регламентирующие допустимые уровни радиационного загрязнения кожи человека и поверхностей различных объектов. Разработанные раннее нормы радиационной безопасности (НРБ-76) к такой аварийной ситуации мирного времени не подходили, поэтому потребовалось внести соответствующие коррективы.

В связи с этим 11 мая 1990г. главным государственным санитарным врачом СССР утверждены новые временные нормативы радиоактивного загрязнения кожи человека и поверхностей различных объектов в населенных пунктах контролируемых районах России, Украины, Белоруссии. А 27 декабря 1999 г. утверждены основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности ОСПОРБ-99 главным государственным врачом Российской Федерации, которые введены в действие с 1 сентября 2000 года.

Объекты загрязнения	Норм. уровень Бета-час./мин*см2
Кожа, нательное и постельное белье	10
Верхняя одежда и обувь	100
Внутренние поверхности жилых помещений, предметы личного пользования	100
Внутренние поверхности служебных помещений и общественных зданий и наружные поверхности установленного в них оборудования	200
Внутренние поверхности транспортных средств, используемых для перевозки людей	100
Внутренние поверхности транспортных средств и механизмов, используемых в производственных целях	200
Наружные поверхности транспортных средств, используемых в контролируемых районах	400
Наружные поверхности транспортных средств и механизмов, направляемых в неконтролируемые районы или используемые в них	200

На другие районы эти нормативы не распространяются. Там используются допустимые уровни загрязнения, установленные нормами радиационной безопасности.

Следует помнить, что некоторые естественные радиоактивные элементы в определенных количествах содержатся в продуктах питания и питьевой воде. Иными словами – все продукты, как и сам человек, радиоактивны.

При крупных радиационных авариях происходит загрязнение внешней среды и дополнительное поступление радионуклидов в продукты питания и воду в этих случаях они могут оказать неблагоприятное влияние на здоровье человека.

Радиационные измерения в 28 кабинете
(с 1994 по 2002 год)
	Год	1994 г.	1995 г.	1996 г.	1997 г.	1998 г.	1999 г.	2000 г.	2001 г.	2002 г.
	излучения, мкР/ч	15	12	14	14	12	15	14	13	14



Дозы облучения

Степень радиационных поражений зависит от полученной дозы и времени, в течении которого человек подвергался облучению. Надо понимать: не всякая доза облучения опасна для человека. Если делают флюорографию, рентген, смотрят телевизор, проводят радиоизотопное исследование – во всех этих случаях происходит дополнительное облучение, но дозы эти малы, а потому и неопасны. Если доза не превышает 50 Р, то лучевая болезнь исключается. Доза в 200 – 300 Р, полученная за короткий промежуток времени, может вызвать тяжелые радиационные поражения, но если такую же дозу облучения получить в течение нескольких месяцев – это не приведет к заболеванию, т.к. организм человека способен вырабатывать новые клетки т.е. идет процесс восстановления.

Доза облучения может быть однократной и многократной.

Однократным считается облучение, полученное за первые четверо суток, свыше – многократное. Однократное облучение человека дозой 100 Р и более называют острым облучением.

Начальник пожарной охраны города Москвы генерал-майор В.М. Максимчук умер в 1994 году, а облучение получил в 1986г., работая в Чернобыле по ликвидации катастрофы на АЭС. Через 8 лет, но облучение дало о себе знать, 30 тыс. чернобыльцев находятся под постоянным медицинским наблюдением, 7 тыс. из числа облученных умерли.

С 1976 г. у нас действуют Нормы радиационной безопасности, уточненные в 1987 г. (после Чернобыля). Их цель – предупредить переоблучение людей при авариях на ядерных энергетических установках.

Для этого все население условно разбито на три категории.

Категория А – персонал радиационных объектов, АЭС, радиологи, рентгенологи и др.

Категория Б – население, проживающее вблизи радиационных объектов.

Категория В – все население.

На население воздействует тот радиационный фон, среди которого оно живет. У нас в России он колеблется в пределах от 6 до 18 мкР/ч.

В зонах, подверженных радиационному воздействию, после Чернобыля, защитные мероприятия проводятся только в том случае, если уровень дозы облучения населения в год более 0,1 бэр (биологический эквивалент рентгена), если меньше, то население проживает по обычному режиму жизнедеятельности.

Биологическое действие радиационного излучения на людей

Действие излучения можно разделить на соматическое (действие на облученного человека) и генетическое (действие на его потомство). Кроме того, облучение делят на проникающее, если его получают в течении краткого интервала времени (обычно от секунд до часов), и постоянное, если его получают в течении длительного интервала времени (обычно годы и десятилетия).

Соматическое действие проникающей радиации на облученное тело при различных уровнях интенсивности приведено в таблице

Доза гамма - излучения, полученная всем телом, Дж/кг	Эффект (проникающая радиация)	Замечания
0 – 0,25	Не наблюдается
0,25 – 1	Некоторые изменения в крови, не создающие большого дискомфорта, слабая тошнота	Некоторые повреждение костного мозга, лимфатических узлов и селезенки
1 – 3	Изменение в крови, рвота, усталость, плохое общее самочувствие	Возможно полное выздоровление, лечение антибиотиками
3 – 6	Все эффекты, указанные выше, плюс заражение, кровоизлияние, временная стерильность	Лечение включает переливание крови и антибиотики. Некоторые случаи могут требовать пересадки костного мозга. Доля выздоравливающих - примерно 50%
6	Все вышеуказанные симптомы плюс повреждение ЦНС	Если доза облучения превысила 8 Дж/кг, то смерть неизбежна.

Остаточное соматическое действие проникающей радиации может сохраняться более 30 лет после взрыва.

Другой эффект радиационного облучения приводит к сокращению продолжительности жизни; его оценивают примерно в 0,25 дня на 1 Дж/кг при постоянном облучении и приблизительно 0,1 дня на 1 Дж/кг при воздействии проникающей радиации.

В вышеуказанной таблице рассуждения относятся к облучению всего тела целиком. При некоторых случайных облучениях воздействию подвергаются только некоторые отдельные органы или участки тела. Доза излучения, которой может сопротивляться большинство органов, значительно выше, чем у всего тела. Некоторые допустимые дозы излучения для отдельных органов приведены в следующей таблице. Очевидно, что при проведении некоторых процедур отдельные органы могут быть подвергнуты значительному облучению.

Орган	Симптомы	Полученная доза облучения, Дж/кг, при вероятности симптомов за 5 лет
		5 %	50 %
Кожа	Язвы, образование волокон	0,055	0,07
Желудок	Язвы, прободение	0,045	0,05
Печень	Болезненность, асцитоз	0,035	0,04
Почки	Нефросклероз	0,023	0,028
Сердце	Перикардия, панкардия	0,04	0,1
Кости	Некроз, переломы	0,06	0,15
Хрусталик глаза	Катаракта	5	0,012
Щитовидная железа	Гипотирозия	0,045	0,15
Мышцы (у ребенка)	Прекращение развития	0,02-0,03	0,04-0,05
Костный мозг	Гипоплазия	2	5
Зародыш	Смерть	2	4

В отличии от соматических, генетические действия облучения установить значительно труднее. Однако известно, что радиация может вызвать мутации посредством невосстановимых разрушений в хромосомах или за счет изменения последовательности оснований в цепи ДНК.

При рассмотрении соматического воздействия следует учитывать, что биологические повреждения, вызванные получением дозы радиации за счет постоянного облучения, существенно меньше, чем в том случае, когда та же доза излучения получена за счет проникающей радиации. Причина этого заключается в том, что тело человека обладает возможностью избавляться от повреждений, вызванных малыми дозами радиации, растянутыми во времени. Это утверждение может быть неверно в случае генетического действия (и возможно для некоторых соматических эффектов, таких, например, как восприимчивость к лейкемии). Таким образом, нельзя указать уровень радиации, ниже которого повреждения у человека отсутствуют. Видимо, все облучения в той или иной степени вредны.

Использование растений

Радиоактивный цезий-137 заменяет в организме нормальный элемент калий; больше всего калия в мышечной ткани. Цезий-137 поступает в организм с продуктами, в основном с мясом. период его полураспада 30 лет. Радиация поражает иммунную систему, подавляя сопротивляемость организма к неблагоприятным факторам внешней среды. Используя реакцию обмена веществ, цезий можно вывести из организма, в чем могут помочь лекарственные травы, используемые в народной медицине при отравлениях металлами, поскольку радионуклиды – это в основном тяжелые металлы. Как установлено учеными-радиобиологами, хороший защитный эффект дают антиоксиданты. Антиоксиданты – это вещества, которые нейтрализуют действие частиц, обладающих высокими повреждающим действием на живую клетку. К природным антиоксидантам относятся витамины А, В, С, Е, Р и, следовательно, к радиопроэкторным (защищающим от радиации) можно отнести лекарственные растения с их высоким содержанием. Лечение лекарственными растениями должно проводиться под контролем врачей. Перед приготовлением растительное сырье измельчают, заваривают, настаивают по рекомендации на аптечной упаковке.

Ядерная медицина

В последнее время в терапии нашли широкое применение радиоизотопы. Одной из главнейшей причин распространения радиоизотопов в медицине является избирательность тела по отношению к некоторым из них. Например, йод избирательно поглощается щитовидной железой. Кроме того, изотоп ¹³¹I имеет период полураспада 8,05 дня. Поэтому, если пациент проглотит небольшое количество йода, содержащего ¹³¹I, то у йода будет достаточно возможностей проникнуть в щитовидную железу, а распадается он, естественно, за считанные недели и не даст долговременного радиационного повреждения.

Радиоактивный йод, находящийся в щитовидной железе (или другой изотоп в другом органе), легко обнаружить с помощью сканирующего устройства.

Кроме использования в качестве диагностических инструментов радиоизотопы применяют при лечении многих видов раковых образований. Например, радиоактивный йод, поглощенный щитовидной железой, концентрируется в раковой ткани, поэтому радиация избирательно разрушает злокачественные клетки. В таблице приведены несколько радиоизотопов, повсеместно использующихся в диагностических целях.

Многие виды раковых образований можно вылечить либо хирургическим вмешательством, либо с помощью радиационного лечения. Во многих случаях радиационное воздействие предпочтительнее. Например, при раке гортани хирургическое удаление новообразования оказывается успешным в 80% случаев. Однако, эта процедура всегда воздействует на голосовые связки и почти полностью лишает человека голоса или значительно ухудшает его. Радиационное лечение рака гортани также проходит успешно в 80% случаев, однако этот вид лечения не воздействует на голос пациента.

Когда радиационному воздействию подвергают глубоколежащие опухоли и злокачественные образования, излучение обычно получают от внешнего источника. Эти лучи проникают значительно глубже, чем, например, рентгеновские лучи низкой энергии. В настоящее время все чаще применяют потоки электронов, которые ускоряются в компактных линейных ускорителях, изготовляемых специально для применения в медицине. Эти устройства дают более эффективное радиационное лечение по сравнению с получаемым с помощью прежних приборов. Наилучшим путем для облучения глубоколежащих образований является использование ионов высоких энергий таких, как углерод, кислород или неон. Исследования показали, что при этом окружающая здоровая ткань получает сравнительно небольшую дозу радиации. Однако, стоимость ускорителей тяжелых ионов высока.

Радиоизотоп	Период полураспада	Использование
32P	14,3 дня	Лечение лейкемии, других раковых заболеваний
51Cr	27,8 дня	Обследование кровотечений, сканирование селезенки
60Co	5,24 года	Внешнее облучение раковых клеток. Источник помещается в зонд или пилюлю для местного облучения раковых клеток. Исследование злокачественной анемии.
75Se	127 дней	Исследование печени и щитовидной железы
85Sr	64 дня	Исследование костей
90U	64 ч	Помещается в зонд или пилюлю для местного облучения раковых клеток
99Tc	6,0 ч	Исследование мозга, щитовидной железы, почек и селезенки
125I	60 дней	Исследование и лечение щитовидной железы
131I	8,05 дня	Обнаружение опухолей мозга, исследование почек, печени и легких
198Au	2,7 дня	Лечение рака груди

Использованная литература:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев Физика 11
2. Физика. Приложение к газете “Первое сентября” № 9 2000
3. Основные санитарные правила обеспечения радиационной Безопасности (ОСПОРБ-99). Минздрав России. М., 2000
4. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., “Высшая школа” 1996 г.
5. Дж.Б. Мэрион. Общая физика с биологическими примерами. М.: Высшая школа, 1986

Презентация(177.851 bytes).