Учебное заведение: МБОУ СОШ № 32Год: 2025

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ

 Радиоактивность

   Автор проекта: 

       Карпов Илья Сергеевич

                Класс: 10 в

                                                                             Руководитель проекта:

                                                                                           Моргунова Людмила Павловна

г. Белово, 2025 год

Содержание 

Введение

1 Глава. Теория 

1.1 Радиоактивность, основное понятие

1.2 Виды радиации

1.3 Источники радиации

2 Глава. Радиоактивность в жизни и её применение

2.1 Медицина

2.2 Промышленность

2.3 Сельское хозяйство 

2.4 Наука

2.5 Крупнейший случай выхода из-под контроля радиации

3 Глава. Формулы

3.1 Закон радиоактивного распада

3.2 Период полураспада

3.3 Связь активности и количества ядер

Вывод

Список используемых источников  

 

Введение

В мире существует множество различных природных явлений опасных для человека. Но природа придумала множество различных способов защититься от них. Однако существует такое явление как – радиоактивность, человек не имеет особых органов чувств, чтобы определить её. Радиоактивность существовала всегда, она есть везде, и даже сами люди, слегка радиоактивны, так как в любой живой ткани есть радиоактивные вещества.

В сознании многих людей радиация ассоциируется с нечто чрезвычайно опасным. Случай с взрывом АЭС или атомной бомбой реально представляет реакцию как оружие смерти. И это так, ведь большое количество радиации действительно смертельно опасно.

В повседневной жизни её можно встретить абсолютно везде и во всём. Например, некоторые натуральные продукты содержат природный радиоактивный изотоп углерод-14, а также калий-40. К ним можно отнести картофель, бобы, семечки подсолнечника, орехи, а еще — бананы.

Таким образом каждый из нас получает «какую-то» дозу радиации ежедневно. Но чтобы это привело к болезни или иному серьёзному случаю, её должно быть намного больше, нежели мы получаем каждый день.

Излучение так же влияет и на окружающую среду. Основными источниками заражения являются испытания ядерных бомб. На местах разрывов атомных зарядов остаётся «поле» радиоактивных веществ. Облака же этих веществ поднимаются высоко в воздух, примерно треть всех этих веществ попадает в тропосферу, таким образом они переносятся на довольно большие расстояния и выпадают вместе с дождями.

Радиация есть везде, она окружает нас повсюду.

 

1 Глава. Теория

 

1.1 Радиоактивность, основное понятие

Радиоактивность — явление, при котором нестабильные атомные ядра спонтанно распадаются, испуская ионизирующее излучение. Этот процесс сопровождается выделением энергии и образованием новых элементов или изотопов

Дози́метр — прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени.

Мерой радиоактивности служит активность. Измеряется в Беккерелях (Бк), что соответствует 1 распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или объема (Бк/куб.м). 

Также встречается еще такая единица активности, как Кюри (Ки). Это — огромная величина: 1 Ки = 37000000000 Бк.

 

1.2 Виды радиации

Альфа излучение – поток  положительно заряженных частиц, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Частица идентична ядру атома гелия-4. Образуется при альфа-распаде ядер. Впервые альфа-излучение открыл Э. Резерфорд. Изучая радиоактивные элементы, в частности изучая такие радиоактивные элементы как уран, радий и актиний, Э. Резерфорд пришел к выводу что все радиоактивные элементы испускают альфа- и бета-лучи. И, что еще более важно, радиоактивность любого радиоактивного элемента через определенный конкретный период времени уменьшается. Источником альфа-излучения являются радиоактивные элементы. В отличие от других видов ионизирующего излучения альфа-излучение является наиболее безобидным. Оно опасно лишь при попадании в организм такого вещества (вдыхание, съедание, выпивание, втирание и т.д.). Альфа-излучение попавшего в организм радионуклида наносит поистине кошмарные разрушения, т.к. коэффициент качества альфа излучения с энергией меньше 10 МэВ равен 20мм,  а потери энергии происходят в очень тонком слое биологической ткани. Оно практически сжигает его. При поглощении альфа-частиц живыми организмами могут возникнуть мутагенные (факторы, вызывающий мутацию), канцерогенные (вещества или физический агент (излучение), способные вызвать развитие злокачественных новообразований) и другие отрицательные эффекты.  Проникающая способность альфа – излучения  невелика т.к. задерживается листом бумаги.

Бета-частица (β-частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение. Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки. Значительные дозы внешнего бета-излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета-активных радионуклидов, попавших внутрь организма. Бета-излучение имеет значительно меньшую проникающую способность, чем гамма-излучение (однако на порядок большую, чем альфа-излучение).

Гамма -излучение вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой длиной волны и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны высокой энергии. Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер, при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т.д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях. Гамма-лучи характеризуются большой проникающей способностью. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества.

 

1.3 Источники радиации

В физике источники ионизирующего излучения (радиации) могут быть природными и искусственными. 

Природные

Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов. Например, излучение от радиоактивных изотопов, которые встречаются в земной коре, строительных материалах, воздухе, пище и воде. 

Космические лучи. Поток элементарных частиц, излучаемых космическими объектами в результате их жизни или при взрывах звёзд. Источниками космических лучей могут быть вспышки сверхновых звёзд и образующиеся при этом пульсары. 

Термоядерные реакции, например, на Солнце. Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер. 

Многие небесные тела (например, солнечная корона, Луна, поверхность которой бомбардируют частицы высокой энергии, испущенные Солнцем) — естественные источники рентгеновского излучения. 

Искусственные

Искусственные радионуклиды. 

Ядерные реакторы. 

Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных или нейтральных частиц, а также тормозное, синхротронное и переходное фотонное излучения). 

Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. 

Искусственные радионуклиды, полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. 

Нейтроны, которые образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и исследовательских установках, а также при ядерных взрывах). Нейтроны проникают в ядра атомов и вызывают ядерные реакции, в результате чего получаются искусственные радиоактивные изотопы. 

 

2 Глава. Радиоактивность в жизни и её применение

2.1 Медицина

Диагностика заболеваний с помощью радиоактивных изотопов (радиофармпрепаратов). 

Например:

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — позволяет выявить проблемы в работе щитовидной железы, сердца, почек, лёгких, желудка, кровообращения.

Брахитерапия — радиоактивный изотоп йод-125 доставляют в больной орган, убивая раковые клетки. 

Лечение заболеваний щитовидной железы — радиоактивный йод позволяет выключить неправильно работающие клетки. 

Лечение злокачественных опухолей — например, радиоактивный кобальт применяют для разрушения опухолей, расположенных как на поверхности тела, так и внутри организма

2.2 Промышленность

Неразрушающий контроль и измерения. 

Например:

Промышленная радиография — гамма-источник создаёт изображение внутренней структуры твёрдого объекта, что важно для проверки целостности сварных швов в трубопроводах, сосудах под давлением.

Измерение уровня и толщины — радиоактивные датчики обеспечивают непрерывные измерения в реальном времени, например, для проверки толщины движущегося листа металла, бумаги или пластика.

Измерение плотности и расхода — ядерный плотномер может измерять плотность жидкостей, суспензий или сыпучих материалов, движущихся по трубе или конвейерной ленте.

Обработка полимеров — ионизирующее излучение позволяет сшивать молекулы полимера, образуя трёхмерную структуру, что делает материал прочнее, устойчивее к высоким температурам, износу и воздействию химических веществ.

2.3 Сельское хозяйство

Создание высокоурожайных сортов растений — ионизирующее излучение помогает вывести новые сорта, которые становятся более урожайными и устойчивыми к разным климатическим условиям.

Борьба с вредными насекомыми — например, метод стерильных насекомых: облучают мужских особей и выпускают их на заражённые поля, когда со стерилизованными вредителями спариваются женские особи, они не дают потомства, так что со временем популяция насекомых сокращается.

Рациональное использование удобрений — радиоактивные изотопы помогают подобрать оптимальное количество подкормки, отслеживая, сколько веществ усвоено растениями, а сколько осталось не у дел.

2.4 Наука

Метод меченых атомов — к исследуемому элементу добавляют в незначительном количестве радиоактивный изотоп, по излучению которого судят о поведении элемента в тех или иных процессах и о его содержании в объёмах или на поверхности раздела веществ. 

Определение возраста геологических образцов — радиоактивные изотопы используют в радиометрическом датировании. 

Изучение биологических явлений — радиоактивность применяют для высокочувствительных и прямых измерений биологических явлений, а также для визуализации местоположения биомолекул, меченных радиоактивным изотопом. 

2.5 Крупнейший случай выхода из-под контроля радиации

Авария на Чернобыльской АЭС (СССР) 26 апреля 1986 года — крупнейший случай выхода из-под контроля радиации в истории атомной энергетики. 

Описание: взрыв атомного реактора на четвёртом энергоблоке Чернобыльской атомной электростанции близ города Припять Украинской ССР (ныне — Украина). Активная зона реактора была полностью разрушена, в окружающую среду выброшено большое количество радиоактивных веществ. 

Причины

Единой версии причин аварии нет. Государственная комиссия, которая расследовала аварию, возложила вину на руководство и персонал атомной станции. 

Некоторые версии:

нарушения инструкции по эксплуатации; несоблюдение условий эксперимента;

произвольные отключения защиты реактора.

В 1992 году Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) пересмотрело мнение о виновных в аварии: основной причиной назвали конструктивные особенности РМБК-1000, о которых не знал персонал атомной станции. 

Последствия

Некоторые последствия аварии:

Облако, образовавшееся от горящего реактора, разнесло радиоактивные материалы, прежде всего радионуклиды йода и цезия, по большей части Европы. Наибольшие выпадения вблизи реактора отмечались на территориях Белоруссии, Российской Федерации и Украины.

Из 30-километровой зоны отчуждения вокруг АЭС было эвакуировано всё население — более 115 тысяч человек.

134 человека из числа ликвидаторов перенесли острую лучевую болезнь той или иной степени тяжести.

Высокие дозы облучения людей, в основном из числа аварийных работников и ликвидаторов, послужили причиной четырёх тысяч дополнительных смертей от отдалённых последствий облучения.

 

3 Глава. Практическая часть

 

3.1 Закон радиоактивного распада

Закон радиоактивного распада описывает зависимость числа нераспавшихся нестабильных ядер от времени. Эта формула была открыта Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом. 

Закон гласит: если в начальный момент времени количество радиоактивных ядер равно N0, а период полураспада данного изотопа равен T, то через время t количество нераспавшихся ядер N будет равно 

Физический смысл закона заключается в том, что за любые равные промежутки времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада — половина). Чем больше время, тем меньше число нераспавшихся ядер, со временем оно убывает. 

Закон радиоактивного распада носит статистический характер, он определяет среднее число атомов, распадающихся за определённый интервал времени. Предсказать, когда распадётся конкретный атом, невозможно. 

 

3.2 Формула для расчёта периода полураспада (T) в физике (закон радиоактивного распада):

N — количество атомов, которое осталось через время t;

N0 — количество атомов вначале (в момент t = 0);

T — период полураспада вещества.

Объяснение

Период полураспада — это время, за которое распадается ровно половина атомов. В течение одного периода полураспада в среднем вдвое уменьшается количество выживших частиц, а также интенсивность реакции распада. 

Важно: период полураспада — константа для данного радиоактивного ядра (изотопа). Для различных изотопов эта величина может изменяться от десятков йоктосекунд (10−24 с) у водорода-7 до более чем 1024 лет у теллура-128.

 

3.3 Связь активности и количества ядер

Активность радиоактивного изотопа пропорциональна числу радиоактивных ядер в данный момент времени. Это следует из закона радиоактивного распада — физического закона, описывающего зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и от количества радиоактивных атомов в образце. *

Формула связи:  

A — активность радиоактивного изотопа в момент времени t;

N — число радиоактивных (нераспавшихся) ядер к моменту времени t;

λ — постоянная распада (характеристика данного радиоактивного элемента).

В Международной системе единиц активность радиоактивного препарата измеряется в беккерелях (1 Бк = 1 распад/с). 

Объяснение

Постоянная распада характеризует вероятность распада ядра в единицу времени. Из N нестабильных ядер в единицу времени распадается в среднем λN ядер. 

В процессе радиоактивного распада количество нераспавшихся ядер уменьшается, и активность образца равна скорости уменьшения количества нераспавшихся ядер. 

Знак минус в формуле указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем. 

Важно учитывать, что радиоактивный распад — статистический процесс: каждое радиоактивное ядро может распасться в любой момент, и закономерность наблюдается только в среднем, в случае распада достаточно большого количества ядер. 

 

Вывод

В ходе выполнения этого индивидуального проекта по теме «Радиоактивность» я изучил основные понятия и законы, описывающие процесс радиоактивного распада, такие как закон экспоненциального убывания количества ядер и период полураспада. Проведённые исследования позволили мне понять, как определяется активность радиоактивных веществ и как рассчитываются параметры распада. Экспериментальные данные подтвердили теоретические модели и показали, насколько важно знать свойства радиоактивных веществ для безопасного использования радиоактивных материалов в медицине, промышленности и энергетике. Эта работа помогла мне углубить знания по физике и развить навыки работы с научными методами анализа.