Контрольная работа по дисциплине: «Сельскохозяйственная радиобиология»

Министерство  сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное

учреждение  высшего профессионального образования

«Ярославская  государственная сельскохозяйственная академия»

 

 

 

 

Кафедра «БЖД и ЭМТП»

 

 

 

Контрольная работа

по  дисциплине:

«Сельскохозяйственная радиобиология»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                  Выполнил: студент 3 курса заочного                

                                                                  отделения 

                                                                  технологического факультета

                                                                  специальность: «ТППСХП»                    

                                                                  Зеленкова Анастасия Евгеньевна

                                                                  Учебный шифр: 08051

 

                                                                  Проверил: преподаватель

                                                                  Кукушкин Виталий Дмитриевич

 

                                                      

 

 

 

 

 

 

 

Ярославль

2010

 

Вариант № 3

3. Ядерные силы, дефект массы,  соотношение Эйнштейна между  массой и энергией.

13. Методы регистрации ионизирующих излучений.

23. Природные радиоактивные вещества, содержание естественных радиоактивных  изотопов в теле человека.

33. Радиочувствительность  животных.

43. Измерение объёмной и удельной  активности пищевых продуктов  по  уровню     гамма-излучения  радиометром СРП-68-01 (см. лаб. Раб.  № 6).

 

 

 

 

3. Ядерные силы, дефект массы,  соотношение Эйнштейна между  массой и энергией.

 

 

         Ядерные силы - это силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Протоны и нейтроны в ядре связаны между собой огромными ядерным силами притяжения, в 1000 раз превосходящими кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами. Радиус действия ядерных сил ~ 10^-13 см., поэтому их называют короткодействующими в отличие от дальнодействующих электрических сил. При большом количестве протонов в тяжёлых ядрах электрические силы отталкивания уже соизмеримы с ядерными силами и при Z > 115 превосходят их. Ядро существовать не может.

Ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами пи-мезонами (пионами). Пион может иметь заряд “+”, ”--“, ”о”, его масса покоя 273,2 массы (е ^-) , ~1/7 массы нуклона. Считают, что протон и нейтрон состоят из керна, окружённого мезонной «шубой» («+» у р и «– » у нейтрона).

Ядерные силы обладают свойством насыщения, то есть каждый нуклон взаимодействует  только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные  силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых  содержится значительное количество протонов и нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его  протоны и нейтроны и удалить  из их поля действие ядерных сил, на до совершить работу, то есть затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра.

 

          Дефе́кт ма́ссы (англ. mass defect) — разность между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро данного нуклида, и массой покоя атомного ядра этого нуклида, выраженная в атомных единицах массы. Обозначается обычно Dm.

 

Расчетная формула для дефекта масс:

 

                       

 

где М_я - масса ядра

( Zm_p + Nm_n ) - сумма масс свободных нуклонов, сливающихся в ядро

Z- число протонов

m_p -масса свободного протона

N - число нейтронов

m_n - масса свободного нейтрона

 

        Рассчитаем дефект массы ядра атома гелия  ₂Нe⁴ , состоящего из двух протонов и двух нейтронов.         

 

         Сумма масс  нуклонов (1,0076 × 2) + (1,0089 × 2) = 4,033 а.е.м. Массы ядра атома гелия ₂Нe⁴= 4,03 а.е.м. Дефект массы Dm = 4,033 - 4,03  = 0,003 а.е.м. Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину дефекта массы Dm.

         Дефект  массы показывает, насколько прочно  связаны частицы в ядре, а так же сколько выделилось энергии при образовании ядра из отдельных нуклонов. Этот расчет можно провести на основании уравнения взаимосвязи между массой и энергией, разработанного А. Эйнштейном

 

Теория относительности  Эйнштейна устанавливает связь между массой и энергией.

Е=m × C²

 

где E — энергия тела,

m — его масса,

c — скорость света в вакууме, равная 3×10¹⁰ см/с.

 

          Масса ядра гелия M_я = 4,003 а.е.м а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет Zm_p + Nm_n = 4, 033 а. е. м. Следовательно, дефект массы ядра гелия равен Dm = 0,03 а. е. м.

         Расчет по формуле E_св = Dmc² приводит к следующему значению энергии связи ядра: E_св = 28,3 МэВ. Это огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков превышает энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода например, энергия ионизации равна 13,6 эВ.

          В таблицах принято указывать удельную энергию связи, то есть энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рис.1 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа A.   

           

                                                    Рис.1

 

           Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия до 7,1 МэВ/нуклон у гелия . Затем, претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50–60, а потом сравнительно медленно уменьшается у тяжелых элементов. Например, у урана она составляет 7,6 МэВ/нуклон.

 

 

           Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными. В случае стабильных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N оказываются одинаковыми. Под действием ядерных сил как бы образуются протон-нейтронные пары. Но у тяжелых ядер, содержащих большое число протонов, из-за возрастания энергии кулоновского отталкивания протонов для обеспечения устойчивости требуются дополнительные нейтроны.

                       

                                                      Рис. 2

 

На рис. 2 приведена диаграмма, показывающая числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, следующих за висмутом (Z > 83), из-за большого числа протонов полная стабильность оказывается вообще невозможной.

 

Заключение

 

На протяжении всей истории человечества постепенно менялись представления  о массе и её свойствах. Создание Эйнштейном теории относительности  подвело временный итог в работе естествоиспытателей по раскрытию  основополагающих законов природы, одним из которых как раз и  является закон сохранения массы. Итог временный, поскольку до сих пор  не изучено до конца это удивительное явление - масса. Пожалуй, чем глубже мы подбираемся к раскрытию основы материи, тем больше новых трудностей и вопросов ставит перед нами природа. Но человек всегда обладал пытливым умом, громадным терпением и немалой  хитростью, что и помогало ему  в изучении естественных движущих сил  и постановке этих сил себе на службу. Эти свойства будут помогать ему  и в дальнейшем познании основных природных законов.

 

Говоря о конкретном значении закона сохранения массы, то мы не ошибёмся, если поставим его на одно из первых мест в списке используемых человеком природных явлений. Практически всё химическое производство (а именно расчёт необходимого сырья и энергозатрат, обоснование того или иного метода производства конечного продукта) основано на законе сохранения массы. Дефект масс (частное проявление более общего закона сохранения массы-энергии) лежит в основе ядерной энергетики, давшей человеку дешёвую энергию, новые методы исследований, лечения различных заболеваний, новые методы производства и многое другое. Можно сказать больше - именно благодаря дефекту масс светит Солнце и другие звёзды, что обеспечивает жизнь на Земле, а так же использование человеком альтернативной солнечной и ветряной энергии. Такое простое явление как горение также основано на законе сохранения массы, а ведь именно огонь помог человеку освоить родную планету и перейти от охоты и собирательства к современному промышленному производству. Рассматриваемый закон открывает перед нами новые способы получения энергии и материалов, что в будущем открывает путь к звёздам и освоению Солнечной системы и галактики.

 

Таким образом можно сделать вывод о том, что уже в настоящее время закон сохранения массы находит широкое применение в науке и технике. Хотя на первый взгляд он может показаться лишь одним из фундаментальных принципов устройства мира, мало связанным с повседневной жизнью, на самом деле на каждом шагу человек сталкивается с проявлениями данного закона. Пожалуй, цивилизация не достигла бы таких высот в своём развитии, не овладей человек в полной мере законом сохранения массы.

13. Методы регистрации ионизирующих излучений.

 

           Радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувст. Эти излучения могут быть обнаружены (детектированы) при помощи приборов и приспособлений, работа которых основана на физико-химических эффектах, возникающих при взаимодействии излучений с веществом.

          В практике  наиболее употребительны ионизационные  детекторы излучений, которые  измеряют непосредственные эффекты  взаимодействия излучения с веществом  – ионизацию газовой среды  (ионизационные камеры, пропорциональные  счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера,  а так же коронные и искровые  счетчики ).

          Другие  методы предусматривают измерение  вторичных эффектов, обусловленных  ионизаций, - фотографический, сцинтилляционный (люминесцентный), химический, калориметрический и другие.

 

 

 

          Ионизационный метод. Сущность его заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме) происходит ионизация молекул, в результате чего электропроводность этой среды увеличивается. Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т.е. Проходит так называемый ионизационный ток, который легко может быть измерен.

         Такие устройства называют детекторами излучений. В качестве детекторов в дозиметрических приборах используются ионизационные камеры (детекторы с низким значением напряженности электрического поля в чувствительном объеме, недостаточном для возникновения ударной ионизации) и газоразрядные счетчики (детекторы с высоким значением напряженности электрического поля, использующие механизм газового усиления) различных типов.

         Ионизационный метод положен в основу работы таких дозиметрических приборов, как ДП-5А (Б,В), ДП-22В и ИД-1.

 

Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

 

         Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии ионов в газе между электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. Ток при прочих равных условиях пропорционален скорости возникновения ионов и, соответственно, мощности дозы облучения.

        В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении.

         Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.

         Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

 

         Пропорциональный счётчик — газовый детектор ионизирующего излучения, в основе принципа работы которого лежит процесс лавинного усиления заряда в цилиндрическом электрическом поле. Режим пропорционального усиления в таком счётчике позволяет, в отличие от гейгеровского режима, помимо самого факта прохождения частицы, измерить величину ионизации, оставленной заряженной частицей.

 

 

                          

Рис. 3. Схема пропорционального счётчика: И - источник частиц

 

          Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) - газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа.

Дополнительная электронная схема  обеспечивает счётчик питанием (как  правило, не менее 300 V), обеспечивает, при  необходимости, гашение разряда  и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

 

          Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

          Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом, а также материалом и толщиной его стенок.

         

 

         В бытовых дозиметрах и радиометрах производства СССР и России обычно применяются 400-вольтовые счётчики: