Современное школьное образование, в основе которого лежит системно-деятельностный подход в обучении, реализует стандарты нового поколения. Одна из важнейших образовательных задач - использование цифрового оборудования в экспериментальной исследовательской деятельности учеников. Задания исследовательского характера с использованием цифрового оборудования на уроках физики и во внеурочное время вызывают усиленный интерес учащихся, что приводит к мотивированному получению новой информации, глубокому усвоению нового материала, способствует приобретению новых исследовательских умений. Такую возможность даёт использование в образовательном процессе цифровых лабораторий. Особого внимания заслуживает цифровая лаборатория L-микро, работа с которой может проводиться как на уроках физики, так и во внеурочное время с любой категорией обучающихся.
Жизнь на Земле подвержена влиянию радиоактивного излучения. Причинами тому являются космическое излучение от звёзд нашей Галактики; излучение радиоактивных веществ, содержащихся в воздухе, воде, почве, строительных материалах зданий; излучение тел человека и животных от поступающих с воздухом или пищей радиоактивных веществ.
В современной литературе подробно рассмотрен вопрос о радиации (природа и источники радиации, уровни радиации, средства и методы измерения радиации, биологическое воздействие радиации на организм человека). Учёными установлено, что современный человек до 80 % времени проводит в помещениях - дома, на работе или в учебном заведении, где и получает основную дозу радиации от стройматериалов здания, выделяющих газ радон и продукты его распада (астат, полоний, висмут, свинец, таллий и ртуть) [1]. Возникают вопросы: 1) отличается ли радиационный фон в разных помещениях здания на одном и том же этаже; 2) отличается ли радиационный фон на разных этажах здания; 3) влияет ли на радиационный фон проветриваемость помещения.
Приведём серию опытов, позволяющих наглядно, быстро и с большой точностью экспериментально определить факторы, влияющие на естественный радиационный фон >с помощью датчика ионизирующих излучений цифровой лаборатории >L>-микро. Исследование целесообразно проводить во внеурочное время.
Тема исследования: Определение факторов, влияющих на естественный радиационный фон с помощью датчика ионизирующих излучений цифровой лаборатории L-микро.
Объект> исследования: радиоактивность.
Предмет> исследования: мощность дозы гамма-излучения.
Цель> исследования:
- определение радиационного фона в разных помещениях здания на одном и том же этаже;
- определение радиационного фона на разных этажах здания;
- изучение влияния проветриваемости помещения на уровень радиационного фона с помощью датчика ионизирующих излучений цифровой лаборатории L-микро.
Задачи исследования:
- подбор литературы по выбранной проблеме;
- изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
- определение радиационного фона в разных помещениях здания на одном и том же этаже и на разных этажах здания; изучение влияния проветриваемости помещения на уровень радиационного фона с помощью датчика ионизирующих излучений;
- обработка и анализ полученных материалов.
Гипотеза исследования: радиационный фон в разных помещениях здания на одном и том же этаже примерно одинаковый, с высотой радиационный фон уменьшается, проветривание помещения приводит к уменьшению уровня радиационного фона.
В современной литературе достаточно подробно освещены следующие вопросы:
- воздействие ионизирующего излучения на вещество (даны понятия радиации и радиоактивного распада, ионизации и проникающей способности, процессы воздействия α -, b - и g - излучения на вещество) [2, 5, 7];
- дозы и единицы дозы [3, 6, 8];
- факторы естественного радиационного фона (космическое излучение, радионуклиды земного происхождения, космогенные радионуклиды, внутреннее и внешнее облучение, радон и его биологическое действие) [3, 6];
- нормы радиационного фона [4, 10].
Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (внешнее облучение) или могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма (внутреннее облучение). Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, но одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, там, где залегают особенно радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровен, герметизация помещений и даже полеты на самолетах все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения [2, 8].
Радиоактивные элементы, содержащиеся в строительных материалах, из которых сооружены дома, испускают лучи, образуя внешний источник гамма-излучения. Большинство строительных материалов непосредственно являются природными компонентами экосистемы и поэтому имеют свои специфические радиационные свойства. Например, все строительные материалы минерального состава содержат в различном количестве химические элементы, изотопы которых радиоактивны. Наиболее опасными в этом отношении могут быть строительные материалы из природного камня и материалы на основе минеральных вяжущих - бетона, строительного раствора. Для одного и того же вида материала показатели по радиоактивности могут отличаться в зависимости от местоположения месторождения, поэтому возможен некоторый разброс данных от средних фоновых значений. Радиационную активность строительных материалов можно прогнозировать по их химическому составу и содержанию в них называемых элементов тяжелых металлов, изотопы которых наиболее радиационно активны [5, 7, 10].
Для строительных работ регламентируется радиационная безопасность по ГОСТ 8267-93, в котором устанавливаются требования для этапа производства строительных материалов на основе минеральных вяжущих - бетона, строительного раствора в соответствии с областями применения.
Учеными установлено, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) радон с периодом полураспада 3,8 суток. Некоторая часть радона растворяется в крови легочной ткани и разносится по всему организму. Кроме того, он сорбируется на любых пылевых, аэрозольных и смолистых отложениях в дыхательных путях. Поэтому радоновая опасность резко повышается для шахтеров и для курящих людей из-за смолистых и аэрозольных отложений, обусловленных табачным дымом. У радона сравнительно малый период полураспада, и его собственное излучение не создаёт больших проблем, но радиоактивные продукты его распада, в особенности α-активные полоний-218 и полоний-214 - химически активны, достаточно прочно удерживаются организмом и эффективно воздействуют на живые ткани опасным α- излучением, что может привести к появлению рака у человека [10].
Список необходимого оборудования, представлен в таблице 1.
Таблица 1
Оборудование, используемое в ходе исследования
| № |
Название приборов и материалов |
Количество |
|
1 |
Датчик ионизирующих излучений |
1 |
|
2 |
Компьютерный измерительный блок L-микро |
1 |
|
3 |
USB кабель |
1 |
|
4 |
Ноутбук Lenovo |
1 |
|
5 |
Удлинитель |
1 |
|
6 |
Скамья |
1 |
|
7 |
Фотоаппарат цифровой |
1 |
Для выполнения измерений используется датчик ионизирующих излучений цифровой лаборатории L-микро. Датчик ионизирующих излучений позволяет измерять мощность дозы гамма-излучения. Он работает в комплекте и измерительным блоком L-микро и ноутбуком и позволяет проводить измерения мощности дозы гамма-излучения в диапазоне от 0 до 1000 мкР/ч с погрешностью, не превышающей 30%.
Датчик ионизирующих излучений состоит из чувствительного элемента - счётчика Гейгера-Мюллера, схемы питания, преобразующей напряжение с 12 В до 400 В, и резистора, с которого снимается выходной сигнал. Для обеспечения электрической изоляции и защиты от механических повреждений чувствительный элемент датчика смонтирован внутри прозрачной трубки из оргстекла.
Датчик ионизирующих излучений подключается к компьютерному измерительному блоку L-микро. Подключение данных и вывод на экран осуществляет компьютерная программа L -микро. Представление данных осуществляется в виде двух графиков: в верхней части экрана выводится форма импульса электрического тока, протекающего в газоразрядной трубке счётчика Гейгера-Мюллера при возникновении в ней под действием ионизирующего излучения свободных электронов, а на нижнем графике строится зависимость мощности дозы гамма-излучения от времени. Цифровой индикатор в области верхнего графика показывает число срабатываний счётчика в рамках текущего измерения. Индикатор нижнего графика показывает мощность дозы гамма-излучения. Таким образом, измерение мощности дозы гамма-излучения выполняется методом измерения счёта импульсов, возникающих в газоразрядном счётчике под действием гамма-излучения.
Порядок проведения эксперимента:
Во-первых, >определяется радиационный фон в разных кабинетах школьного здания на 3 этаже и в фойе.
- В произвольном порядке выбираются 5 учебных кабинетов, расположенных на 3 этаже школьного здания (кабинет истории № 301, кабинет русского языка № 304, кабинет истории № 309, кабинет математики № 311, кабинет физики № 313).
- С помощью датчика ионизирующих излучений сначала определяется радиационный фон в кабинете истории № 301. Для этого компьютерный измерительный блок через один провод подключается к ноутбуку Lenovo, через другой провод подключается через удлинитель к сети напряжением 220В.
- Датчик располагается на парте, на высоте 70 см от пола. Разъём датчика ионизирующих излучений включается в разъём 1 компьютерного измерительного блока. В компьютерной программе L-микро выбирается раздел «Датчики», а в последующем списке выбирается «Датчик ионизирующих излучений».
- Нажимается кнопка «Пуск» и начинается регистрация данных и ввод их на график.
- Работа с данными на экране осуществляется после завершения записи данных в течение 10 мин (600 с).
- Затем с помощью датчика ионизирующих излучений аналогично определяется радиационный фон в других кабинетах и в фойе 3 этажа (рис. 1).
- Полученные результаты подвергаются анализу.
Определение радиационного фона в разных кабинетах школьного здания и фойе на 3 этаже.
Рис. 1
Во-вторых, >определяется радиационный фон на разных этажах школьного здания.
- С помощью датчика ионизирующих излучений сначала определяется радиационный фон в подвальном помещении школы (рис. 2). Для этого компьютерный измерительный блок через один провод подключается к ноутбуку Lenovo, через другой провод подключается через удлинитель к сети напряжением 220В.
Определение радиационного фона в подвальном помещении школьного здания
Рис. 2
- Датчик располагается на скамье, на высоте 40 см от пола. Разъём датчика ионизирующих излучений включается в разъём 1 компьютерного измерительного блока. В компьютерной программе L-микро выбирается раздел «Датчики», а в последующем списке выбирается «Датчик ионизирующих излучений».
- Нажимается кнопка «Пуск» и начинается регистрация данных и ввод их на график.
- Работа с данными на экране осуществляется после завершения записи данных в течение 10 мин (600 с).
- Затем с помощью датчика ионизирующих излучений определяется радиационный фон в фойе 1 этажа, 2 этажа, 3 этажа и 4 этажа школьного здания (рис. 3, рис. 4, рис. 5, рис. 6).
- Полученные результаты подвергаются анализу.
Определение радиационного фона в фойе 1 этажа школьного здания
Рис. 3
Определение радиационного фона в фойе 2 этажа школьного здания
Рис. 4
Определение радиационного фона в фойе 3 этажа школьного здания
Рис. 5
Определение радиационного фона в фойе 4 этажа школьного здания
Рис. 6
В-третьих, >изучается влияние проветриваемости помещения на радиационный фон.
- С помощью датчика ионизирующих излучений сначала определяется радиационный фон в комнате до проветривания (рис. 7). Для этого компьютерный измерительный блок через один провод подключается к ноутбуку Lenovo, через другой провод подключается через удлинитель к сети напряжением 220В.
- Датчик располагается на подоконнике на высоте 1 м от пола. Разъём датчика ионизирующих излучений включается в разъём 1 компьютерного измерительного блока. В компьютерной программе L-микро выбирается раздел «Датчики», а в последующем списке выбирается «Датчик ионизирующих излучений».
- Нажимается кнопка «Пуск» и начинается регистрация данных и ввод их на график.
- Работа с данными на экране осуществляется после завершения записи данных в течение 10 мин (600 с).
Определение радиационного фона в комнате до проветривания
Рис. 7
- Затем с помощью датчика ионизирующих излучений определяется радиационный фон в комнате, после её проветривания в течение 20 минут (рис. 8).
- Полученные результаты подвергаются анализу.
Определение радиационного фона в комнате после проветривания
Рис. 8
Обобщаются результаты экспериментов:
Во-первых, уровень радиационного фона в разных кабинетах школьного здания и в фойе на 3 этаже примерно одинаковый (рис. 9, табл. 2, табл. 3, рис. 10). Это связано с тем, что при строительстве школьного здания использовались одинаковые бетонные плиты. При этом скорость диффузии радона примерно одинаковая.
Определение мощности дозы гамма-излучения в разных кабинетах 3 этажа школьного здания
Рис. 9
Таблица 2.
Мощность дозы гамма-излучения в разных кабинетах 3 этажа школьного здания
|
Промежуток времени
|
Мощность дозы
|
Мощность дозы
|
Мощность дозы
|
Мощность дозы
|
Мощность дозы
|
Мощность дозы
|
|
40 |
17 |
11 |
11 |
16 |
10 |
21 |
|
80 |
15 |
11 |
15 |
13 |
16 |
16 |
|
120 |
13 |
18 |
17 |
15 |
14 |
12 |
|
160 |
15 |
16 |
13 |
22 |
15 |
16 |
|
200 |
17 |
11 |
16 |
20 |
15 |
13 |
|
240 |
14 |
13 |
23 |
13 |
10 |
12 |
|
280 |
20 |
17 |
19 |
17 |
10 |
16 |
|
320 |
19 |
16 |
11 |
12 |
16 |
12 |
|
360 |
11 |
19 |
18 |
11 |
23 |
20 |
|
400 |
16 |
23 |
18 |
18 |
19 |
16 |
|
440 |
10 |
14 |
11 |
17 |
16 |
5 |
|
480 |
15 |
13 |
13 |
13 |
14 |
21 |
|
520 |
13 |
16 |
7 |
15 |
21 |
6 |
|
560 |
13 |
14 |
17 |
8 |
13 |
22 |
|
600 |
17 |
15 |
14 |
17 |
12 |
14 |
Таблица 3.
Средняя мощность дозы гамма-излучения в разных кабинетах 3 этажа школьного здания
|
Промежуток времени
|
Средняя мощность дозы
|
Средняя мощность дозы
|
Средняя мощность дозы
|
Средняя мощность дозы
|
Средняя мощность дозы
|
Средняя мощность дозы
|
|
600 |
15,0 |
15,1 |
14,9 |
15,1 |
14,9 |
14,8 |