Интегрированный урок "физика + биология" на тему "Радиация и окружающая среда"

Цели:

• показать необходимость такой отрасли как атомная энергетика;
• доказать необходимость защиты от излучения;
• проанализировать действие радиации на организм человека;
• изучить последствия взрыва Чернобыльской АЭС.

Форма урока: интегрированный урок-исследование (физика + биология).

Класс: 9–11.

Время урока: 90 минут.

Оборудование: презентация «Радиация и окружающая среда»; практические задания на отдельных листах; фотоаппарат, видеокамера.

Ход урока

«Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию… такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет… Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить её на добро, а не самоуничтожение?»
В.И. Вернадский (1922 г.)

I. Организационный момент.

(Сообщается тема урока, цель урока и основные этапы урока).

II. Вступительное слово учителя физики.

АЭС – основа ядерной энергетики. Главное их назначение – производство электроэнергии или комбинированное производство электроэнергии и тепла.

Одно из преимуществ АЭС – их высокая экологичность, сохраняющаяся при квалифицированной эксплуатации ядерных реакторов.

Способность АЭС работать длительное время без смены топлива позволяет использовать их в удалённых регионах. Срок эксплуатации АЭС 25–30 лет.

Ядерной энергетике, как и многим отраслям промышленности присущи вредные и опасные факторы воздействия на окружающую среду. Наибольшую потенциальную опасность представляет собой радиоактивное загрязнение. Сложные проблемы возникают с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций.

Ученик: Первые, к сожалению, печальные сведения о радиации связаны с событиями, произошедшими с японскими городами Хиросима и Нагасаки в 1945 году. Во время Великой Отечественной войны 1941–1945 годов на эти города были сброшены водородные бомбы, в результате взрыва этих бомб погибло много людей.

Гибель и страдания людей живущих рядом с Троцким полигоном. Послушайте воспоминания одного из офицеров, принимавших участие в учениях на Тоцком полигоне: «На сегодняшний день из пяти офицеров 1-й роты я один оставшийся в живых. Один из нас умер через три года, другого я встречал в 1972 году в Новосибирске, он так и не выходил из больницы. У него были сильные головные и сердечные боли, которые он не смог выдержать и, в конце концов, застрелился. Осталось нас двое: я и мой товарищ – старший лейтенант Герой Советского союза. Я стал его разыскивать. Узнал, что он жил в Читинской области, сделал запрос в марте месяце 1999 года. Мне ответили, что Сурков Пётр Яковлевич покончил жизнь самоубийством в 1989 году. Вот наша судьба…»

Учитель биологии: (Слайд 2).

А потом наступила тишь такая –
ни слова, ни звука,
А потом наступила ночь такая –
ни стона, ни вздоха.
А потом разлилась в отравленном воздухе
чёрная мука,
А потом те, кто выжил, лишь смерти
просили у Бога.
И земля пропиталась до края
губительным ядом,
И ничто не поможет – останется в ней
он навеки.
И напрасно молила у неба, рыдая, пощады:
Опустило в бессилии небо
опалённые веки.
И, исторгнув последний свой вопль
из груди из разверстой,
Всё ж сдалася земля пред кошмарной,
губительной силой.
И тогда порождать стала страшных
мутантов и монстров,
Словно призраков из осквернённой
могилы…

III. Основное содержание урока.

Ученик: Ещё одним источником радиационной опасности являются атомные электростанции (АЭС). При их эксплуатации образуются большие количества радиоактивных газообразных, жидких и твёрдых отходов. (Слайд 3, 4). Первый ядерный реактор в бывшем СССР был запущен 25 декабря 1946 года коллективом физиков под руководством И.В. Курчатова. Первая АЭС начала работать в 1954 году в г. Обнинске. На сегодняшний день действуют более 400 АЭС.

По данным Центра Экстремальной помощи, при облучении за 1944–1992 гг. в мире произошло 296 радиационных аварий. Одна из крупнейших – авария на Чернобыльской АЭС, во время которой суммарный выброс радиоактивных веществ в атмосферу составил 77 кг (при взрыве атомной бомбы над Хиросимой было выброшено 740 г).

В первые 2–3 суток аварии отмечалось мощное истечение радиоактивных продуктов в атмосферу (высота струи превышала 1,2 км). Около 10 дней выброс в атмосферу происходил из-за возгорания графитовой кладки реактора. За счёт воздушных потоков радиоактивные продукты распространились по огромной территории. (Слайд 5). Выпадение радионуклидов фиксировалось на территории европейских стран: Австрии, Италии, Польши, Норвегии, Швеции, в Канаде, Японии, США. На территории бывшего СССР пострадало 11 областей, но более всего Брянская, Калужская, Тульская, Орловская, Гомельская, Могилёвская, Житомирская области. (Слайд 6, 7).

И ещё одна страшная авария, произошедшая в Японии на АЭС Фукусима. Эта авария произошла в результате сильного землетрясения. В результате этой аварии погибло много людей. Воздушные массы отнесли радиоактивное облако на территории Индонезии, Полинезии, Австралии, доходили до территории Африки.

Аварии на АЭС случаются по разным причинам. Но последствия всегда одинаковы. Страшны. На сотни лет загрязняются территории. Последствия этих аварий ужасны. Страдают миллионы людей. (Слайд 5).

Учитель физики: Ионизирующее излучение, частности радиоактивное, занимает особое место среди многочисленных факторов среды обитания человека, так или иначе влияющих на его здоровье и жизнь.

Ионизирующее излучение было обнаружено сравнительно недавно. В 1895 году известный немецкий физик В. Рентген открыл излучение, названное впоследствии его именем. Чуть позже, в 1896 году А. Беккерель обнаружил излучение солей урана, а в 1898 году М. Склодовская-Кюри и П. Кюри установили излучение полония и радия, а также факт превращения радионуклидов в другие химические элементы (была открыта цепочка распадов).

Ионизирующее излучение представляет собой потоки заряженных и нейтральных частиц, а также электромагнитных волн. При прохождении через вещество ионизирующее излучение вызывает в нём ионизацию, т.е. превращение нейтральных, устойчивых атомов и молекул вещества в электрически заряженные, возбуждённые, неустойчивые частицы. Это сложное излучение, включающее в себя излучения нескольких видов.

Ученик: α-излучение – ионизирующее излучение, состоящее из α-частиц (ядер гелия 42Не), испускаемых при ядерных превращениях. α-частицы распространяются на небольшие расстояния: в воздухе – не более 10 см, в биоткани (живой клетке) – до 0,1 мм. Они полностью поглощаются листом бумаги и не представляют опасности для человека, за исключением случаев непосредственного контакта с кожей. (Слайд 8).

Ученик: β-излучение – электронное ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях. β -частицы распространяются в воздухе до 15 м, в биоткани – на глубину до 15 мм, в алюминии – до 5 мм. Одежда человека почти на половину ослабляет их действие. Они практически полностью поглощаются оконными стёклами и любым металлическим экраном толщиной в несколько миллиметров. Но при контакте с кожей они также опасны. (Слайд 8).

Ученик: γ-излучение – фотонное (электромагнитное) ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях и распространяющееся со скоростью света. γ-частицы распространяются в воздухе на сотни метров и свободно проникают сквозь одежду, тело человека и значительные толщи материалов. Это излучение считают самым опасным для человека. (Слайд 8, 9).

Учитель физики: Радиоактивность – это процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающийся испусканием элементарных частиц и ядер.

А = Z + N (А – массовое число, Z – порядковый номер, N – число нейтронов).

Радионуклиды – это нуклиды, ядра которых радиоактивны. Общее число известных радионуклидов превышает 1800. По радиационной токсичности они подразделяют на 4 группы: А, Б, В и Г. Наиболее токсичны радионуклиды групп А и Б (А – ²¹⁰Po, ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴²Pu, ²⁴⁴Pu, ⁵²Cf и др.; Б – ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ku, ¹³¹I, ¹⁴⁴Ce, ²³⁵U). Практически важные с точки зрения токсикологии радионуклиды: ¹³¹I, ¹²⁹I, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁹Pu, ²³⁵U, ¹⁴⁴Ce и некоторые другие.

Период полураспада – это время в течение которого распадается половина всех атомов радиоактивного вещества.

Ученик: Основные единицы измерения радиоактивности (в системе СИ)

Беккерель (Бк) – единица активности нуклида в радиоактивном источнике; 1 Бк соответствует одному распаду в 1 с для любого радионуклида.
Грей (Гр) – единица поглощаемой дозы, т.е. количество энергии, поглощённое единицей массы: 1 Гр = 1 Дж/кг.
Зиверт (Зв) – единица эквивалентной дозы, т.е. поглощённая доза, умноженная на коэффициент качества излучения. Коэффициент качества отражает способность излучения повреждать ткани живого организма: для гамма- и бета-лучей он равен 1, для альфа-частиц – 20, для нейтронов – 5–20 .

Широко распространены следующие внесистемные единицы.

Кюри (Ки) – соответствует радиоактивности 1 г радия; 1 Ки = 3,71010 Бк.
Рад (рад) – единица поглощённой дозы облучения; 1 рад = 0,01 Гр.
Бэр (бэр) – единица эквивалентной дозы облучения; 1 бэр = 0,01 Зв.
Рентген (Р) – 1 Р = 1 рад. (Слайд 10).

Учитель биологии: Эффекты воздействия радиации на человека делятся на две категории:

соматические (телесные) – возникают в организме человека, который подвергался облучению;
генетические – связаны с повреждением генетического аппарата и проявляются в следующем или последующих поколения: (дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению). (Слайд 11).

Различают пороговые (детерминированные) и стохастические эффекты. Первые возникают, когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов.

Хроническое облучение слабее действует на живой организм по сравнению с однократным облучением в той же дозе, что связано с постоянно идущими процессами восстановления радиационных повреждений. Считается, что примерно 90% радиационных повреждений восстанавливается.

Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные новообразования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления. Для количественной оценки частоты возможных стохастических эффектов принята консервативная гипотеза о линейной беспороговой зависимости вероятности отдаленных последствий от дозы облучения с коэффициентом риска около 7×10^-2 Зв.

В процессе обмена веществ в организме радионуклиды замещают атомы стабильных элементов в различных структурах клеток, биологически активных соединениях, что приводит к высоким локальным дозам. При распаде радионуклида образуются изотопы химических элементов, принадлежащие соседним группам периодической системы, что может привести к разрыву химических связей и перестройке молекул. Эффект радиационного воздействия может проявиться совсем не в том месте, которое подвергалось облучению. Превышение дозы радиации может привести к угнетению иммунной системы организма и сделать его восприимчивым к различным заболеваниям. При облучении повышается вероятность появления злокачественных опухолей.

Организм при поступлении продуктов ядерного деления подвергается длительному, убывающему по интенсивности, облучению. Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень. Дозы, поглощенные в них, на 1–3 порядка выше, чем в других органах и тканях. По способности концентрировать всосавшиеся продукты деления основные органы можно расположить в следующий ряд: щитовидная железа > печень > скелет > мышцы.

Так, в щитовидной железе накапливается до 30% всосавшихся продуктов деления, преимущественно радиоизотопов йода. На втором месте находится печень. Доза облучения, полученная этим органом, преимущественно обусловлена радионуклидами ⁹⁹Мо, ¹³²Te, ¹³¹I, ¹³²I, ¹⁴⁰Bа.

Среди техногенных радионуклидов особого внимания заслуживают изотопы йода. Они обладают высокой химической активностью, способны интенсивно включаться в биологический круговорот и мигрировать по биологическим цепям, одним из звеньев которых может быть человек. (Слайд 12–14).

Ученик: Радиоактивное излучение может воздействовать на организм прямо и косвенно. Прямое воздействие – это непосредственное взаимодействие излучения с биологически важными молекулами, например, разрыв молекулы ДНК под действием гамма – излучения. (Слайд 15–16).

Косвенное воздействие обусловлено химическими реакциями биологически важных молекул с соединениями, образовавшимися в клетке под действием радиоактивного излучения.

Можно выделить три этапа воздействия радиоактивного излучения на организм. (Слайд 15).

Первый этап, физический, связан с передачей энергии от излучения атомам и молекулам в веществе, сопровождающейся их ионизацией и возбуждением (характерное время 10^-12 – 10^-8 с).

На втором этапе, химическом, происходит образование свободных радикалов – соединений с высокой реакционной способностью, и протекают быстрые химические реакции, приводящие к химическим повреждениям молекул (10^-7 – 10^-4 с).

На третьем этапе, биологическом, происходят реакции, приводящие к повреждениям белков и нуклеиновых кислот. За этим следует ранние биологические эффекты – гибель клеток и организмов (часы, недели) и отдаленные биологические эффекты – заболевания, генетические дефекты (годы, десятилетия).

При воздействии радиации на организм наблюдается изменения на всех уровнях организации живой материи. На молекулярном уровне происходят повреждения ферментов, ДНК, РНК и, следовательно, нарушается обмен веществ. Особо чувствительными оказываются молекулы ДНК, в которых возникают разрывы, приводящие к мутациям, в большинстве случаев вредным.

Ученик: (Слайд 17).Ученые отмечали увеличение частоты мутаций в 2–4 раза у проживающих в чернобыльских территориях с плотностью загрязнения более 3 Ки/км².

Генетические нарушения приводят к наследственным заболеваниям. Эмбрионы с тяжелыми наследственными нарушениями часто не доживают до рождения, т. е. возрастает число спонтанных абортов. Для детей же с тяжелыми наследственными дефектами вероятность доложить до своего первого дня рождения в 5 раз меньше, чем для нормальных.

В результате воздействия радиации наблюдались такие аномалии конечностей, как амилия – полное отсутствие, фокомилия – отсутствие плеча или предплечья (при этом кисть сочленяется с лопаткой), отсутствие лучевой кости; добавочная верхняя конечность; косорукость; синдактилия – соединение пальцев кисти перепонками; клешнеобразные кисти и стопы; добавочная нижняя конечность, многопалость; укорочение конечностей; пороки развития голени и стопы. Ранее сращение швов костей черепа в детском возрасте приводит к нарушению роста костей черепа и его деформации.

Наблюдается аномалии и в развитии головного мозга, часто несовместимые с жизнью.

Микроцефалия – недостаточный рост головного мозга, при котором его масса может быть менее 1000 г, – часто наблюдалась после взрыва атомной бомбы в Хиросиме. Встречаются и другие тяжелые пороки развития.

Ученик: (Слайд 17) Радиация вызывает гибель многих клеток. Особенно чувствительны клетки крови, половые клетки, кишечный и плоский эпителий. Обнаружено, что за первый месяц после облучения потеря эритроцитов может достигнуть 25 %, в результате чего развивается анемия. В крови уменьшается количество лейкоцитов (лейкопения) и тромбоцитов, отвечающих за свёртываемость крови. Под действием ионизирующей радиации могут возникнуть нарушения кроветворения, самым серьёзным из которых является избыточное содержание в крови неполноценных белых клеток, т.е. рак крови. В результате действия ионизирующих излучений может происходить трансформация клеток в злокачественные клетки.

Радиоактивное облучение может привести к развитию лучевой болезни. На первом этапе появляются головокружение, головная боль, тошнота, рвота, нарушение аппетита, расстройство сна, в тяжёлых случаях – потеря сознания. Второй этап – период «кажущегося благополучия», характеризующийся исчезновением вышеперечисленных симптомов, хотя молекулярные изменения, возникшие в клетках, прогрессируют. Третий этап – разгар болезни, сопровождающийся повторным всплеском гормональной активности, снижением иммунитета, нарушением обмена веществ. Может наступить смерть от истощения, от кровотечения в сердце и мозг, от изменений в работе внутренних органов (печени, почек, кишечника и т.д.), от присоединения инфекции.

IV. Закрепление материала.

Учитель физики: АЭС могут приносить пользу только в том случае, если все люди будут правильно выполнять инструкции по их эксплуатации, трезво будут оценивать последствия своих ошибок для всего человечества. Каждый человек должен соблюдать дисциплину и быть ответственным за свои поступки.

Учитель биологии: (Слайд 18). Сейчас я предлагаю вам выполнить небольшую практическую работу, чтобы вы смогли сами оценить тот вред и ущерб, который нанес взрыв на Чернобыльской АЭС. Задания перед каждым классом на столе. Вы должны проанализировать текст и составить график. Затем представитель каждого класса показывает и защищает результаты исследования.

Молодцы, вы справились с заданием и предоставили интересные графики.

V. Итог урока.

Учитель физики: Вы прослушали и просмотрели много интересного материала. А сейчас мне бы хотелось, чтобы вы ответили на вопросы (Слайд 19), которые отображены на интерактивной доске. (Ответы учащихся).

Ваши ответы мне понравились, значит, вы прослушали материал с пользой для себя и своих товарищей.

Домашнее задание:

1. Как вы думаете, за какими электростанциями будущее?
2. Проанализировать последствия катастрофы на АЭС Фукусима.

Спасибо за урок! До новых встреч!

Приложение