§ 61 Биологическое действие радиации. Закон радиоактивного распада

Определения и обозначения

Ионизирующее излучение — излучение, способное ионизировать атомы и молекулы вещества. Основные его виды — α-, β- и γ-излучение. Это понятие нужно, чтобы отличать излучение, способное менять строение вещества, от обычного света или радиоволн.

Биологическое действие радиации — изменения в живых клетках и тканях, возникающие под воздействием ионизирующего излучения. Оно может нарушать работу клеток или вызывать их повреждение. Понятие помогает оценивать последствия облучения для организма.

Закон радиоактивного распада — закономерность, по которой за равные промежутки времени распадается одинаковая доля радиоактивных ядер. Поэтому количество ядер уменьшается не равными порциями, а всё медленнее. Закон позволяет рассчитывать, сколько ядер останется через заданное время.

Период полураспада — время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Его обозначают T или T₁/₂. Эта величина характеризует скорость распада конкретного радиоактивного вещества.

Как это устроено

Ионизирующее излучение повреждает живые организмы, потому что выбивает электроны из атомов и молекул. В результате образуются ионы и нарушаются химические связи, от которых зависят строение белков и работа клеток. Особенно чувствительными оказываются молекулы, участвующие в передаче наследственной информации и делении клеток.

Последствия облучения зависят не только от самого факта попадания излучения в организм. Имеют значение его вид и энергия, поглощённая доза, продолжительность воздействия и чувствительность органа. Поэтому одинаковая доза для разных тканей может привести к неодинаковым результатам.

α-, β- и γ-излучение действуют по-разному из-за различий в ионизирующей и проникающей способности. α-частицы создают много ионов на коротком пути, но быстро задерживаются; γ-кванты ионизируют слабее, зато проходят глубже. β-излучение занимает промежуточное положение по обоим свойствам.

Нельзя предсказать момент распада отдельного ядра: он имеет случайный характер. Однако в большом количестве ядер случайности взаимно усредняются, и за выбранный промежуток распадается определённая доля. Поэтому вероятностное поведение отдельных ядер превращается в устойчивую закономерность для всего образца.

Пусть период полураспада равен T. После времени T остаётся N₀/2, после 2T — N₀/4, после 3T — N₀/8. Если прошло время t, число таких периодов равно t/T, поэтому закон записывают так: N = N₀ · 2^−t/T, где N₀ — начальное, а N — оставшееся количество ядер.

Сравнение основных видов ионизирующего излучения

В таблице сначала определите природу излучения, а затем сравните его заряд, способность ионизировать и проникать сквозь вещества. Сочетание этих свойств объясняет, почему способы защиты от разных излучений отличаются. При оценке опасности учитывайте также, находится ли источник снаружи или внутри организма.

Разбор задач

Задача 1

Период полураспада вещества равен 8 суткам. Какая часть исходного количества ядер останется через 24 суток? Нужно сравнить заданное время с одним периодом, а затем учесть последовательное уменьшение количества ядер.

1. Находим число периодов: n = 24/8 = 3.
2. За первый период остаётся ½, за второй — ¼, за третий — ⅛ исходного количества.
3. Следовательно, доля оставшихся ядер равна ⅛.

Ответ: останется ⅛ исходного количества ядер.

Задача 2

В препарате было 1,6 · 10⁶ радиоактивных ядер. Период полураспада равен 5 часам. Сколько ядер останется через 15 часов? Сначала определим, сколько периодов прошло, затем трижды уменьшим количество в два раза.

1. Число периодов: n = 15/5 = 3.
2. Используем формулу: N = N₀ · 2⁻³ = 1,6 · 10⁶/8.
3. Выполняем деление: N = 0,2 · 10⁶ = 2,0 · 10⁵ ядер.

Ответ: 2,0 · 10⁵ ядер.

Задача 3

За 18 часов число ядер уменьшилось с 3,0 · 10²⁰ до 3,75 · 10¹⁹. Требуется найти период полураспада. Для этого сравним конечное количество с начальным и выясним, сколько раз оно уменьшилось вдвое.

1. Находим долю оставшихся ядер: (3,75 · 10¹⁹)/(3,0 · 10²⁰) = 1/8.
2. Так как 1/8 = (1/2)³, за 18 часов прошло три периода полураспада.
3. Период равен T = 18/3 = 6 часов.

Ответ: период полураспада равен 6 часам.

Типичные ошибки

Путают период полураспада с полным распадом. Период показывает уменьшение количества вдвое, а не исчезновение вещества. Проверьте себя: после двух периодов должна остаться четверть, после трёх — восьмая часть.

Считают одинаковое абсолютное число ядер. За каждый период исчезает половина оставшихся ядер, а не половина первоначальных. Запишите первые несколько значений: N₀, N₀/2, N₀/4.

Путают проникающую и ионизирующую способность. α-излучение слабо проникает, но очень сильно ионизирует, тогда как γ-излучение проникает лучше. Сверяйте эти свойства отдельно, не заменяя одно другим.

Не приводят единицы времени. Если период дан в часах, время тоже должно быть выражено в часах. Перед подстановкой проверьте, что отношение t/T не содержит разных единиц.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и радиоактивности, а также умение работать со степенями, дробями и отношениями. Эти навыки позволяют объяснить состав излучения и выполнить расчёты по формуле распада.

Тема связана с дозиметрией и радиационной безопасностью: дозиметры оценивают воздействие излучения, а правила защиты учитывают его вид и проникающую способность. Она также применяется в ядерной энергетике и медицине.

Закон распада используют при определении возраста образцов, расчёте активности источников и выборе безопасного времени работы с ними. Период полураспада помогает заранее оценить, как быстро уменьшается число нестабильных ядер.

Что запомнить

• Ионизирующее излучение вызывает ионизацию атомов и молекул.
• Биологическое действие радиации связано с повреждением клеток и нарушением их функций.
• α-, β- и γ-излучение отличаются природой, ионизирующей и проникающей способностью.
• Распад отдельного ядра случаен, но большое число ядер подчиняется закону радиоактивного распада.
• За один период полураспада остаётся половина исходного количества ядер.
• Закон распада записывается как N = N₀ · 2^−t/T.
• Чем больше доза и длительность облучения, тем значительнее его биологическое действие.