Захист від радіоактивних випромінювань

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Типи радіоактивних джерел, джерела радіаційного фону і їх величина.

2. Яка проникна здатність випромінювань різного типу?

3. Які методи захисту від -, -, - і нейтронного випромінювання точкового джерела і паралельного потоку цих часток?

4. Пояснити принцип вимірювання потужності експозиційної дози випромінювання різними приладами.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1.27

 

ЗАХИСТ ВІД РАДІОАКТИВНИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

Мета роботи: з’ясування впливу зовнішнього та внутрішнього опромінення на живий організм і вимірювання інтенсивності радіоактивних випромінювань.

Прилади: радіометр-дозиметр гамма-бета-випромінювань РКС-01.

 

ТЕОРЕТИЧІ ВІДОМОСТІ

Джерела радіоактивних випромінювань можна поділити на природні та штучні, космічні та земні, відкриті та закриті тощо. Розрізняють квантове ( - та рентгенівське випромінювання) і корпускулярне (електрони, позитрони, протони, нейтрони та інше) радіоактивне випромінювання.

З точки зору дії радіації на живий організм важливим є поділ джерел на закриті (тверді, рідкі та газоподібні препарати, ізольовані від навколишнього середовища герметичною оболонкою) і відкриті. Перші призводять до зовнішнього опромінення, а другі – через органи дихання і травлення – можуть потрапляти всередину організму і спричиняють внутрішнє опромінення, один із наслідків якого – тривалість дії в разі накопичення радіоактивних ізотопів у різних органах людини.

Радіоактивне випромінювання, діючи на живий організм, призводить безпосередньо (для потоків заряджених часток) або опосередковано (тобто електронами і ядрами, що одержали енергію відповідно від квантового потоку або потоку нейтронів) до іонізації молекул і атомів його тканин. Вільні електрони та іони, що утворюються в результаті такої іонізації, беруть участь у різних хімічних реакціях з утворенням надзвичайно активних вільних і нових молекул, які через ланцюжок ще не вивчених до кінця реакцій можуть викликати модифікацію важливих у біологічному відношенні молекул, тобто призвести до утворення невластивих живому організму молекул. Усі описані вище процеси відбуваються за дуже короткий час ≈1 мкс. Потім через секунди або десятиліття можуть відбуватися біохімічні зміни в організмі, що є безпосередньою причиною біологічних ефектів: загибелі клітин або їх аномального розвитку (злоякісні пухлини, зміна генетичного коду тощо). Вплив радіації на живий організм зазвичай залежить від величини іонізації (переданої тканинам енергії) в організмі і типу органів, у яких відбулася іонізація (коефіцієнт чутливості різних органів людини до радіації може відрізнятися на порядок). Крім того, у випадку зовнішнього опромінення різні типи випромінювання проникають на різну глибину, тобто мають різну проникну здатність. ‑випромінювання затримується вже шкірою (в повітрі – до 5 см), ‑випромінювання проникає суттєво глибше (в повітрі – до 10 см), викликаючи ушкодження очей, опіки тощо, ‑випромінювання найбільше поглинається організмом (у повітрі послаблюється вдвічі на відстанях у сотні метрів), викликаючи пошкодження будь-яких органів. Для кількісної характеристики викликаних радіацією пошкоджень в організмі введені такі величини: поглинута доза (ПД) та еквівалентна доза (ЕД).

Оскільки опромінюється тією чи іншою мірою все живе на Землі, то для оцінки шкідливого впливу на здоров’я людини введена так звана гранично допустима доза (ГДД) для людей категорії А (особи, що працюють з радіоактивними джерелами), і границя дози (ГрД) для осіб категорії Б та В. У випадку зовнішнього рівномірного опромінення всього тіла значення ГДД не повинно перевищувати за 1 рік 50 мЗв, а ГрД – 5 мЗв. Величина ГДД мЗв гарантовано (на сучасному рівні) не викликає змін в організмі в разі рівномірного 50-літнього опромінення. Якщо людина одержала більшу ЕД можливі різні захворювання, наприклад, променева хвороба різного ступеня: 1-го – 1-2 Зв, 2-го – 2-4 Зв, 3-го – 4-6 Зв і 4-го – більше 6 Зв (для 3-го та 4-го ступенів ймовірність смерті понад 50%).

Для характеристики радіаційної небезпеки перебування людини в різних місцях (робоче місце в лабораторії, на підприємстві, вдома і т. ін.) зручно користуватись потужністю поглинутої дози, що вимірюється в Гр/с; Гр/рік і т. п., і розраховувати допустимий час перебування в даному місці. Однак дозиметричні прилади переважно проградуйовані для квантового випромінювання в позасистемних одиницях потужності експозиційної дози - Зв/с; Р/год тощо (1 Р – 1 Рентген – експозиційна доза фотонного випромінювання, що створює в 1 повітря за нормальних умов пар іонів і відповідає поглинутій біологічним об’єктом дозі ).

Безпека людини вимагає вжиття певних заходів, щодо запобігання проникненню радіонуклідів усередину організму: закриті джерела точкового типу слід зберігати в контейнерах, робочі місця обладнати поглинаючими екранами тощо.

 

ДОЗИМЕТРИЧНІ ПРИЛАДИ

Дозиметричними називають прилади, призначені для виявлення і оцінки густини потоку радіації та вимірювання потужності експозиційної дози рентгенівського і -випромінювання. До таких приладів належать сигналізатор перевищення потужності дози випромінювання типу СД-1М, вимірювач потужності дози ДП-5В, дозиметр ДКС-04, СРП-68, ДРПЗ-03 та інші прилади індивідуального і колективного використання. Існують також дозиметричні прилади для виявлення і вимірювання радіоактивної забрудненості навколишнього середовища – атмосферного повітря, продуктів, житлових і виробничих приміщень. Їхня будова, призначення, границі вимірюваних величин та інші параметри наводять у відповідній технічній документації.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Виміряти дозиметром потужність експозиційної дози природного радіоактивного випромінювання (це випромінювання називається фоном ) у лабораторії і поза приміщенням, а також на заданій відстані від декількох радіоактивних препаратів .

2. Перевірити роботу сигналізатора перевищення потужності дози випромінювання, порівнюючи поріг сигналізації з виміряною дозиметром потужністю експозиційної дози в тому ж місці.

3. За виміряними значеннями визначити для населення категорії А і В допустиме значення часу перебування в точці вимірювання

.

4. Визначити можливий ступінь променевої хвороби для кількох значень часу перебування і товщини свинцевого захисту від -випромінювання з відомою енергією квантів у разі кратності ослаблення

за таблицею, що знаходиться в лабораторії, для роботи протягом одного заняття і одного семестру.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Механізм дії радіоактивних випромінювань на людину, гранично допустимі дози для різних категорій населення.

2. Одиниці вимірювання ГД, ЕД, потужності ГД і експозиційної дози, співвідношення між одиницями.

3. Типи радіоактивних джерел, джерела радіаційного фону і його величина.

4. Яка проникна здатність випромінювань різного типу?

5. Які методи захисту від -, -, - і нейтронного випромінювання точкового джерела і паралельного потоку цих частинок?

6. Пояснити процес вимірювання потужності експозиційної дози випромінювання різними приладами.

7. Визначити допустимий час перебування людини у відомому полі радіоактивного випромінювання, визначити ГД і ЕД.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1.28

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Похідна за часом основного закону радіоактивного розпаду

 

(1.28.1)

визначає зміну з часом активності А зразка

 

,

(1.28.2)

 

де – постійна розпаду, і – число радіоактивних ядер в початковий і розглядуваний момент часу. Знаходження залежності ƒ(t) дає можливість для короткоживучих ізотопів (період піврозпаду не повинен перевищувати кількох десятків годин) безпосередньо за швидкістю зменшення активності препарату з часом визначити постійну розпаду і період піврозпаду Т:

 

.

(1.28.3)

 

Для визначення згідно з (1.28.2) зручно побудувати залежність , оскільки величина активності пропорційна швидкості рахунку досліджуваного зразка

 

.

(1.28.4)

 

Із графіка залежності від t визначається кутовий коефіцієнт рівняння (1.28.4), який дорівнює

 

.

(1.28.5)

 

Природна радіоактивність атмосферного повітря визначається вмістом у ґрунті радію ( на 1 г ґрунту), продукти розпаду якого потрапляють в атмосферу. Концентрація радону в повітрі відповідає питомій активності . Продукти розпаду радону є металами (рис. 1.28.1) і осідають на поверхні твердих часток диму, пилу, туману (загальна назва – золі), які концентрує аерозольний фільтр під час прокачування через нього повітря.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Установити чистий аерозольний фільтр у гніздо пилососа, увімкнути одночасно установку РКС-01 для вимірювання фону і прокачувати повітря 5 – 10 хв. Потім помістити фільтр у гніздо приладу РКС-01 і виміряти залежність швидкості рахунку від часу протягом 60 хв., записуючи кожні 2 хв. покази лічильника в таблицю 1.28.1, не вимикаючи його.

 

Таблиця 1.28.1

, хв.

 

.

2. Записати в таблицю значення і побудувати графік залежності від t.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Види радіоактивного випромінювання.

2. Основний закон радіоактивного розпаду.

3. Походження природної радіоактивності повітря.

4. Що називається активністю препарату?

5. Що називається періодом піврозпаду ізотопів?

6. Схема розпаду радію.

7. Як визначити період піврозпаду короткоживучих ізотопів?

8. Як визначити питому активність атмосферного повітря?

 

 

ІІ.

ВІРТУАЛЬНІ

ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ

ВКАЗІВКИ ЩОДО ВИКОНАННЯ

І МЕТОДИКА ВИМІРЮВАНЬ

 

На стійкій підставці закріплена вертикальна труба (1) з підвісами для куль (2) (рис. 2.1.1). Одна з куль (масою ) знаходиться в стані спокою (), а інша (масою ) – відхиляється на довільний кут. За шкалою (3) відраховуються кути відхилення куль у градусах.

Виразимо енергетичний коефіцієнт відновлення через кути відхилення куль до і після удару.

Припустимо, що кулю масою відводять на висоту над початковим рівнем відліку потенціальної енергії (0), потім відпускають. Безпосередньо перед ударом куля має швидкість .

Згідно з законом збереження механічної енергії

, (2.1.6)

де (див. рис. 2.1.2), або .

Після удару кулі розходяться, піднімаючись на висоту і . Кінетичні енергії куль відразу після удару дорівнюватимуть потенціальним енергіям в точках, які відповідають кутам відхилення і .

, (2.1.7)

, (2.1.8)

, .

Підставивши (2.1.6) - (2.1.8) у (2.1.3), одержимо

.

Знаючи вираз для , і через кути , і , знайдемо робочу формулу для :

 

,

(2.1.9)

де – кут відхилення кулі до зіткнення; і – кути відхилення куль і після зіткнення.

Враховуючи, що , запишемо закон збереження імпульсу для довільного удару

.

(2.1.10)

 

З формул (2.1.6) - (2.1.8) випливає, що

 

; ; .

 

Залежність , і від кутів , і відома, тому

 

.

(2.1.11)

 

Знак плюс в правій частині (2.1.11) відповідає випадку, коли куля рухається після удару в початковому напрямку, а знак мінус – у протилежному.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

У роботі ставляться дві задачі:

1. Визначення енергетичного коефіцієнта відновлення для різних пар куль, що стикаються.

2. Перевірка закону збереження імпульсу при ударі.

 

Проведіть досліди щодо зіткнення різних пар куль. У кожному досліді виміряйте кути відхилення , , . Маси куль, що співударяються і , а також відношення мас заповнюються автоматично. Обчисліть енергетичний коефіцієнт відновлення за формулою (2.1.9). Встановіть тип удару, порівняйте експериментальні значення з теоретичним значенням для абсолютно пружного і абсолютно непружного (2.1.4) удару. Дані занесіть у протокол дослідів.

 

Таблиця 2.1.1

№ п/п

, град.

, град.

, град.

, кг

, кг

Тип співудару

 

Запитання, що часто виникають.

1. Як провести дослід? Спочатку треба вибрати кулі, які будуть стикатися. Далі треба відхилити праву кулю на довільний кут (цей кут потрібно запам’ятати) і відпустити кулю. Після того як кулі зупиняться, потрібно занести експериментальні дані в протокол дослідів і обчислити шукані величини.

2. Як вибрати кулю? Для зміни кулі потрібно навести курсор миші на кулю, яка знаходиться в коробці і натиснути ліву кнопку миші. Кулю з лівого боку вибирають з лівої коробки, з правого – з правої.

3. Як відхилити кулю на довільний кут? Для того, щоб відхилити кулю, закріплену до підвісу, слід навести на неї курсор миші, натиснути ліву кнопку миші, і, утримуючи її, відхилити кулю на довільний кут. Кут зручно заміряти за нижньою шкалою.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

До експерименту

 

1. Кульку масою , яка підвішена на нитці довжиною , відхиляють на кут від вертикалі й відпускають. Потім кут відхилення змінюють на й повторюють дослід. Знайти відношення максимальних швидкостей кульки в першому і другому випадках.

· 1.

· .

· 2.

2. Імпульси двох тіл однакові , а кінетична енергія відрізняється вдвічі . Знайти відношення мас .

· 1.

· .

· 2.

3. Кінетичні енергії тіл з масами і однакові. Порівняйте їх імпульси.

· .

· .

· .

4. Імпульси тіл з масами і однакові. Порівняйте їх кінетичні енергії.

· .

· .

· .

5. Імпульси двох тіл відрізняються у два рази , а кінетичні енергії рівні . Знайти відношення мас .

· 2.

· 1.

· 4.

6. Чи може тіло мати енергію, не маючи імпульсу?

· Так.

· Ні.

· Немає однозначної відповіді.

7. Для якого зіткнення справедливий закон збереження механічної енергії?

· Для абсолютно пружного.

· Для абсолютно непружного.

· Для кожного.

8. Чи може тіло мати імпульс і не мати при цьому енергії?

· Так.

· Ні.

· Немає однозначної відповіді.

9. Для якого зіткнення коефіцієнт енергетичного відновлення .

· Для абсолютно пружного.

· Для абсолютно непружного.

· Для кожного.

10. Для якого зіткнення виконується закон збереження імпульсу?

· Для абсолютно пружного.

· Для абсолютно непружного.

· Для кожного.

Після експерименту

 

1. На нерухому кулю налітає зі швидкістю інша куля, маса якої в разів більша за масу нерухомої кулі. Знайти відношення швидкості кулі, що налітає, після абсолютно пружного удару до її початкової швидкості.

· .

· .

· .

2. Дві більярдних кулі з однаковими масами, що рухаються назустріч одна одній, зазнають абсолютно пружного зіткнення. Швидкість першої кулі до зіткнення 2 м/с, другої 3 м/с. Знайти швидкість першої кулі після зіткнення.

· 3 м/с.

· 1 м/с.

· 5 м/с.

3. Дві кулі масами 1.5 кг і1.0 кг рухаються в одній площині зі швидкістю 2 м/с і 4 м/с, відповідно. Вектори швидкостей куль утворюють . Визначити їх швидкості після абсолютно непружного зіткнення.

· 2 м/с.

· 3 м/с.

· 0.25 м/с.

4. Які закони використовуються для виведення робочих формул цієї лабораторної роботи?

· Закони Ньютона, закон збереження імпульсу.

· Закони Ньютона, закони збереження енергії.

· Закони збереження імпульсу і енергії.

5. У досліді І куля масою зіштовхується з нерухомою кулею масою . Удар абсолютно непружний. Потім проводиться аналогічний дослід ІІ з однаковими непружними кулями . Знайти відношення коефіцієнтів ефективного відновлення .

· 1/3.

· 2.

· 1/2.

6. Куля масою абсолютно пружно стикається з іншою кулею (не рухається до удару) і відлітає від неї в протилежний до напрямку початкового руху бік зі швидкістю, що рівна одній третині початкової. Чому дорівнює маса другої кулі ?

· .

· .

· .

7. Тіло масою кг рухається зі швидкістю м/с і ударяється об нерухоме тіло такої ж маси. Вважаючи удар центральним і абсолютно непружним, визначити кількість теплоти, що виділилася під час удару.

· 3 Дж.

· 6 Дж.

· Немає вірної відповіді.

8. Частинка 1 абсолютно пружно зіткнулася з частинкою 2, яка не рухалась до удару. Знайти відношення мас частинок , якщо після зіткнення вони розлетілися в протилежних напрямках з однаковими за модулем швидкостями.

· 1.

· 3.

· Немає вірної відповіді.

9. Дві непружніх кулі з масами кг і кг рухаються назустріч одна одній зі швидкостями м/с і м/с, спрямованими уздовж однієї прямої. З якою швидкістю вони будуть рухатися після абсолютно непружного удару?

· 6 м/с.

· 3.6 м/с.

· Немає вірної відповіді.

10. Чи може коефіцієнт енергетичного відновлення бути рівним нулю, якщо обидві кулі мають до зіткнення рівні за величиною імпульси?

· Не може.

· Так, якщо удар абсолютно непружний.

· Так, якщо удар абсолютно пружний.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2.2

ВИВЧЕННЯ ОСНОВНОГО ЗАКОНУ ДИНАМІКИ ОБЕРТАЛЬНОГО РУХУ НА МАЯТНИКУ ОБЕРБЕКА

 

Мета роботи: перевірити основний закон динаміки обертального руху за допомогою маятника Обербека.

 

Маятник Обербека складається зі шківа і стрижнів, закріплених на одній нерухомій горизонтальній осі, що проходить через центр симетрії системи. Відносно цієї осі маятник може обертатися. На стрижні насаджені однакові за масою тягарці , які можуть переміщатися та закріплюватися в потрібному положенні. Пересування тягарців призводить до зміни моменту інерції маятника. До шківа кріпиться гнучка нитка, до вільного кінця якої підвішується тягарець масою . Під час поступального ходу тягарця момент сили натягу призводить до обертання маятника.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Основний закон динаміки твердого тіла, що обертається навколо нерухомої осі, має вигляд:

 

,

(2.2.1)

 

де – алгебраїчна сума моментів сил, що діють на тіло відносно осі обертання; – момент інерції тіла відносно тієї ж осі; – кутове прискорення.

Маятник Обербека обертається під дією моменту сили натягу нитки ( – сила натягу, – плече цієї сили, рівне радіусу шківа) і моменту сили тертя .

Момент інерції маятника дорівнює , де – момент інерції системи без тягарців (для кожного маятника відомий), – відстань від центру тяжіння тягарців до осі обертання, – число тягарців , рівне 3 або 4.

Рівняння (2.2.1) перепишемо у вигляді:

 

.

(2.2.2)

 

Тягарець під дією сили натягу нитки і сили тяжіння поступально рухається вниз. Нехтуючи розтягуванням нитки, запишемо II закон Ньютона у проекції на вісь OY:

 

,

звідси

. (2.2.3)

 

Прискорення можна знайти з досліду. Нитка намотується на шків, тягарець зі стану спокою проходить відстань , рівну довжині нитки. Одночасно заміряється час руху тягарця. З формули кінематики розраховується прискорення:

.

Якщо нитка пересувається по шківу без проковзування, то тангенціальне прискорення точок на поверхні шківа збігається з прискоренням .

Тому кутове прискорення маятника

.

(2.2.4)

Момент сили тертя визначаємо із закону збереження енергії.

Тягарець опускається до нижньої відмітки і потім підіймається на меншу висоту . Зменшення потенціальної енергії дорівнює роботі сили тертя:

 

.

(2.2.5)

 

З іншого боку , де – зміна кута повороту шківа.

 

,

 

де N – кількість обертів шківа.

Враховуючи це, перепишемо (2.2.5):

 

,

 

звідси: .

 

Позначимо . (2.2.6)

 

Тоді . (2.2.7)

 

Підставивши (2.2.3), (2.2.4), (2.2.7) в (2.2.2), одержимо

 

.

(2.2.8)

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Виберіть тягарець . Встановіть тягарці на маятнику в одне з двох можливих положень. Проведіть експеримент, замірявши при цьому час опускання тягарця і відстань, на яку не дійшов тягарець до початкового положення. Результати занесіть у протокол дослідів і розрахуйте решту величин. Змінюючи положення тягарців і масу тягарця , проведіть решту дослідів

Таблиця 2.2.1

№ п/п	Положення тягарців	, см	, см	, г	, с		,		Ліва частина (2.2.8)	Права частина (2.2.8)
Відомі величини	; ; ; ;

 

Запитання, що часто виникають.

1. Як вибрати тягарець ? Для того, щоб вибрати тягарець потрібно навести курсор миші на нього і натиснути ліву кнопку миші.

2. Як змінити положення тягарців на маятнику? Положення тягарців на маятнику змінюється шляхом натиснення лівої кнопки миші.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

До експерименту

 

1. Що відбудеться з моментом інерції маятника Обербека, якщо тягарець масою замінити на тягарець з більшою масою? Положення тягарців на стрижнях при цьому не змінювати.

· Збільшиться.

· Зменшиться.

· Не зміниться.

2. Які сили створюють обертальний момент маятника Обербека?

· Сила ваги і сила тертя.

· Сила ваги і натягу нитки.

· Сила натягу нитки і сила тертя.

3. Який зміст має величина у виразі для моменту інерції маятника Обербека?

· Момент інерції тягарця масою .

· Момент інерції маятника Обербека без тягарців.

· Момент інерції шківа.

4. Точка обертається по колу радіусом . Який зв’язок між її тангенціальним і кутовим прискоренням?

· .

· .

· .

5. Який закон перевіряється за допомогою маятника Обербека?

· Закон збереження імпульсу.

· Основний закон динаміки обертального руху.

· ІІ закон Ньютона.

6. На тіло, здатне обертатися навколо нерухомої осі, діють дві сили і . Моменти сил рівні . Порівняти плечі сил і .

· .

· .

· .

7. Як зміниться кутове прискорення маятника Обербека в разі зміни найвіддаленішого від осі обертання положення вантажів на найближче до неї? Момент сили при цьому залишається постійним.

· Збільшиться.

· Зменшиться.

· Залишається без зміни.

8. Які величини вимірюють в експерименті з маятником Обербека для визначення прискорення ?

· Довжина нитки і час опускання тягарця .

· Радіус шківа і час опускання тягарця .

· Маса тягарця і довжина нитки .

9. Які припущення про фізичні властивості нитки зроблені в цій роботі?

· Довжина нитки набагато більша за радіус шківа.

· Маса нитки порівнянна з масою тягарця .

· Можна знехтувати розтягом нитки і її масою.

10. Який закон використовується в роботі для визначення моменту сили тертя?

· Закон збереження енергії.

· ІІ закон Ньютона.

· Закон збереження моменту імпульсу.

Після експерименту