5.11.4 Біологічна дія радіоактивних випромінювань та одиниці вимірювання іонізуючих випромінювань

Основною причиною поразки від радіації є поглинання енергії випромінювання клітинами живої тканини, біологічні процеси в яких при цьому порушуються. Найбільш важливим є параліч клітини. Це може привести до смерті клітини, мутації генів, порушення хромосом і т.д. Чутливість тканин до радіації відрізняється. Найбільш чутливими є тканини, в яких відбуваються процеси активного кліткового поділу і регенерації – костний мозок, лімфатична тканини, оболонка кишечника, статеві залози.

Відносна біологічна ефективність (в.б.е) різних видів випромінювання, оцінена по коефіцієнту відносної біологічної активності (К.в.б.а.), наступна:

Тип випромінювання	Коефіцієнт в.б.е.
 і Х-промені	1,0
-випромінювання	1,0
нейтрони теплові	5,0
-частинки	10-20
нейтрони швидкі (до 20 МеВ)	10,0
нейтрони швидкі (більше 20 МеВ)	20,0

Поглинута доза іонізуючого випромінювання [Д] – 1 Грей – дорівнює такій поглинутій дозі випромінювання, при якій речовині масою 1 кг надається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж. 1 Грей – одиниця в СІ.

Д – це відношення середньої енергії dw, яка передана іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об’ємі до маси dm речовини в цьому об’ємі.

Поглинута доза вимірюється також в радах.

Величина випромінювання, виміряна по іонізації повітря, називається дозою випромінювання. Її одиниця вимірювання – рентген. При одному рентгені (1 р) в 1 см³ повітря утворюється 2,0810⁹ пар іонів.

Еквівалентна доза іонізуючого випромінювання Н – це добуток поглинутої дози Д на середній коефіцієнт якості K іонізуючого випромінювання в даному елементі біологічної тканини стандартного складу:

, [H]=L²T^-2.

Одиниця вимірювання еквівалентної дози іонізуючого випромінювання – 1 зіверт (Sv, Зв).

1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, при якій добуток поглинутої дози в біологічній тканині стандартного складу на середній коефіцієнт якості дорівнює 1 Дж/кг.

5.12 Методи реєстрації частинок

Елементарні частинки реєструють по слідах, що вони залишають в середовищі та ефектах, що супроводжують їх проходження при цьому.

5.12.1 Сцинтиляційні лічильники. Іонізаційний лічильник Гейгера-Мюллера. Напівпровідникові детектори

Сцинтиляційні лічильники виготовляють із люмінофорів, в яких заряджені частинки збуджують атоми. При переході атомів в нормальний стан, виникає помітний світловий спалах, що реєструється фотопомножувачем.

В лічильнику Гейгера-Мюллера (рис. 5.10) використовується несамостійний (тихий) розряд, що виникає при попаданні елементарних частинок в лічильник.

Сам лічильник склада-ється із циліндричного корпу-са, по осі якого закріплений на ізоляторах тонкий анод у вигляді нитки. Катодом слу-жить корпус. Між катодом і анодом прикладена висока напруга.

Напівпровідникові де-тектори випромінювання по принципу роботи нагадують лічильники Гейгера-Мюллера, іонізація відбувається при проходженні частинок в p-n-переході, що включений в зворотньому напрямку.

5.12.2 Реєстрація нейтронів. Камера Вільсона

Нейтрони не лишають слідів, але можуть себе виявити в момент породження ними заряджених частинок, або іонізації, що викликана породженими зарядженими частинками.

Робота камери Вільсона основана на іонізації пересиченої пари внаслідок дії потоку частинок і осіданні на йонах молекул конденсованої пересиченої пари. В результаті залишається видимий слід польоту частинок (трек).

Модернізацією методу була заміна пересиченої пари розтягненою рідиною (бульбашкова камера), поміщення камери в магнітне поле. По кривизні траекторії і її напрямку закручування можна судити про знак заряду, відношення заряду до маси, енергію частинки.

5.12.3 Фотоемульсійні методи

Емульсійні камери вміщують пачки фотопластинок загальною товщиною декілька десятків сантиметрів.

Реєстрація траекторії частинок за допомогою фотопластинок з фоточутливим шаром базується на тому, що заряджені частинки залишають на емульсії видимий слід (трек).

5.12.4 Детектори на ефекті Вавілова-Черенкова

Суть ефекту: виникнення свічення при русі зарядженої частинки в середовищі із швидкістю, більшою фазової швидкості світла в цьому середовищі. Світловий спалах реєструється фотопомножувачем. Лічильник дозволяє визначити швидкість і енергію частинки.

6 ВИБРАНІ ПИТАННЯ

6.1 Фізика і екологія

Екологія (за означенням) -

1. Це розділ біології, що вивчає взаємовідносини тварин, рослин, мікроорганізмів між собою та оточуючим середовищем.

2. Соціальна екологія (соціоекологія) – розділ соціології, в якому розглядаються проблеми взаємодії людини і середовища. Ця наука має свій об’єм, предмет і метод.

Соціоекологія займається кількісними оцінками взаємодії людського суспільства з природніми екосистемами. В тому числі розробкою методів оцінки ступеня забрудненості середовища, основ і методів екологічного прогнозування, граничних допустимих концентрацій для конкретних забруднювачів і т.п.

Важливим принципом даної науки є так званий енергетичний і балансовий принцип існування екосистем та їх складових.

На основі цього можна виділити фізичні аспекти проблеми охорони навколишнього середовища.

Головні із них:

1. дослідження термодинамічних процесів, що протікають в атмосфері і впливають на погоду, в тому числі оптичні властивості середовища;

2. фізико-хімічний склад атмосфери як життєво важливий для людини фактор.

Концентрація домішок 10^-7-10^-8 м^-3 може суттєво змінити оптичні властивості атмосфери, а значить і погоду. Визначається це в інфрачервоній області спектра коливально-обертовими переходами молекул Н₂О, СО₂ і озона. Наявність цих домішок приводить до парникового ефекту. Якщо немає таких домішок в атмосфері, то атмосфера є прозорою в області довжин хвиль, які ефективно поглинаються та випромінюються даною домішкою.

Парниковий ефект може привести до підвищення температури Землі, поскільки не “випускається енергія”, що генерується джерелами за межі атмосфери і порушується тепловий баланс. В свою чергу це приводить до таяння льоду, виникнення циклонів, тайфунів і т.д. Відсутність же, наприклад озону (озонові діри) також негативно впливає на біологію Землі, внаслідок попадання інтенсивного, значить, шкідливого ультрафіолетового випромінювання.

Основні компоненти атмосфери – N, O₂ i Ar – прозорі в оптичному та інфрачервоному діапазоні спектру поглинання і випромінювання.

В якості прикладу: Оцінемо, при яких потужностях штучних джерел енергії вплив людини на клімат Землі стане суттєвим. Припустимо, що зміни температури при цьому відбуваються на 1 К. Вважаємо, що відносний вклад випаровування і конвекції в тепловий баланс буде такий, що і при реальних умовах.

Згідно закона Стефана-Больцмана

, Т – початкова температура. Т_{ср Землі}288 К.

Звідси виявляється, що при появі на Землі додаткових джерел потужністю 3,610¹² кВт температура підніметься на 1 К. При сучасних темпах росту енергії вказаний рівень може бути досягнений в кінці ХХІ століття, або в ХХІІ ст.

В даний час забруднення атмосфери домішками і частинками (пил, аерозоль) в результаті промислової діяльності в середньому менші, ніж природні викиди в атмосферу. Однак, через нерівномірне розміщення промисловості по Землі і високу густину споживаної енергії в окремих місцях можливі локальні зміни клімату. Наприклад, різниця між температурою у великому місті і за містом Т ~ до 10. Це приводить до появи так званої теплової шапки, що обмежує обмін повітрям, утворюється застій повітря над містом, відсутня вертикальна конвекція повітря. В результаті забруднення накопичуються в атмосфері, створюючи неможливі умови для прожиття людини.

Чистота атмосфери, таким чином визначається способом виробництва енергії і її кількістю. Звідси екологічною задачею фізики можна вважати пошуки і розробку екологічно-чистих джерел енергії.

Один із можливих шляхів цього – розвиток так званих відновлюваних джерел енергії. До них відносяться: сонячна, вітрова, океанічна, гідроенергія річок.