Контрольная работа: Применение современных достижений ядерной физики в животноводстве и ветеринарии

Наиболее эффективным и эко­номически выгодным оказалось комбинированное воз­действие ионизирующего излучения и физических (теп­ло, давление) или химических факторов, так как при этом удается значительно снизить обеззараживающую дозу для яиц гельминтов и микроорганизмов. Раз­работана технология обеззараживания навозных сто­ков на основе использования ионизирующего излуче­ния (гамма-излучения или электронов), давления и температуры.

Известно, что борьба с вредителями сельскохозяй­ственных растений и собранного урожая — дело иск­лючительной важности, поскольку дает возможность сохранить очень большое количество продукции (око­ло 20% валового сбора). Для борьбы с насекомыми-вредителями предложено использовать ионизирующее излучение в трех основных направлениях:

а)      радиационной половой стерилизации самцов на­секомых, специально отловленных или разведенных и затем выпущенных в естественные условия, где дан­ный вид насекомых распространен; стерильные самцы спариваются с самками, те откладывают стерильные(неоплодотворенные) яйца; личинки из таких кладок не выводятся, что приводит к уничтожению популяции;

б)      радиационной селекции болезнетворных для насе­комых-вредителей микроорганизмов, грибов и др.; на полях, обработанных такими препаратами, многие насекомые-вредители заболевали и гибли;

в) радиа­ционной дезинсекции, т. е. уничтожения насекомых-вредителей сельскохозяйственной продукции облуче­нием. Для этих целей создана передвижная гамма-установка «Дезинсектор», а в условиях элеваторов функционируют промышленные стационарные устрой­ства.

Вопрос 11. Источники радиоактивного загрязнения внешней среды.

Все живые существа на земле постоянно подверга­ются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения за счет естест­венных (космическое излучение и природные радио­активные вещества) и искусственных (отходы атом­ной промышленности, радиоактивные изотопы, ис­пользуемые в биологии, медицине и сельском хозяй­стве, и др.) источников ионизирующих излучений.

Естественные источники ионизирующих излуче­ний.

Космическое излучение – это иони­зирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность земли из мирового пространства (пер­вичное космическое излучение) и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия пер­вичного космического излучения с атомами воздуха (вторичное космическое излучение).

Первичный компонент космических лучей образуется вследствие извержения и испаре­ния материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Он состоит в основном из ядер легких атомов: водорода — протонов (79%), гелия — α-частиц (20%), лития, берилия, бора, угле­рода, азота, кислорода и других элементов, большин­ство из которых обладают очень высокой энергией. Такие большие энергии первичные космиче­ские частицы приобретают за счет ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд, много­кратного ускорения в магнитных полях облаков кос­мической пыли межзвездного пространства и в рас­ширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд. Однако лишь немногие частицы достигают поверх­ности земли, так как они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного косми­ческого излучения. Поэтому основную массу космиче­ских лучей, достигающих поверхности земли, состав­ляет вторичное космическое излучение.

Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех известных в настоя­щее время элементарных частиц и излучений. Для оценки биологического воздействия (расчета дозы космического излучения) вторичное космическое излучение можно разделить по уровню энергии и со­ставу на четыре компонента:

1)  мягкий, или малопроникающий, компонент объединяет электроны, позитроны, γ-кванты и частич­но быстрые протоны с энергиями порядка 100 МэВ;

2)  жесткий, или сильнопроникающий, — состоит в основном из μ±-мезонов с энергиями порядка 600 МэВ, небольшого количества сверхбыстрых про­тонов, с энергией более 400 МэВ, α-частиц и незна­чительного количества π±-мезонов;

3)  сильноионизирующий содержит  продукты ядерных расщеплений: протоны, α-частицы, дейтроны, тритоны и более тяжелые осколки ядер с энергией 10—15 МэВ;

4)  нейтронный компонент — нейтроны различных энергий.

На уровне моря космическое излучение состоит в основном, как правило, из мягкого и жесткого ком­понентов.

Мягкий компонент поглощается слоями свинца тол­щиной 8—10 см и железа—15—20 см; жесткий — проходит через свинец толщиной более метра, его можно обнаружить под землей и под водой на глу­бине нескольких километров.

Частицы мягкого и жесткого компонентов, обла­дая большими энергиями в веществе, создают наи­меньшую плотность ионизации. Поэтому их относи­тельная биологическая эффективность (ОБЭ) прирав­нивается к 1.

Частицы сильноионизирующего компонента обла­дают большой плотностью ионизации. Их ОБЭ при­равнивают к ОБЭ протонов, нейтронов и а-частиц с энергией 10—15 МэВ, т. е. она равна 10.

На уровне моря сильноионизирующие частицы со­ставляют 0,5%, а слабоионизирующие — 99,5%. По­скольку трудно учесть плотность ионизации осколков ядер с ОБЭ более 10, то этот показатель косми ческого излучения считается приблизительно рав­ным 2.

Проведенные измерения показали, что на уровне моря за счет космических лучей образуются 2,74 пары ионов в 1 см3 воздуха за 1 с. Это соответствует мощности дозы 1,15'10~9 рад/с.

Тканевая доза космических лучей на 11% больше, чем в воздухе, так как сверхбыстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов С, N и О биологи­ческой ткани, вызывают их расщепление с образова­нием быстрых нейтронов, которые создают в тканях дополнительную ионизацию.

Исходя из этого, установлено, что доза в ткани за сутки составляет 0,11 мрад, за год — 40 мрад.

Природные радиоактивные вещества можно раз­бить на три группы. В первую группу входят II и Тh с продуктами их распада, а также 40К и 87Rb. Ко второй группе относят мало­распространенные изотопы и изотопы с большим пери­одом полураспада: 48Са, 96Zг, 113In, 124Sn, 130Те, 138Lа, 150Nd, 152Sm, 176Lu, 180W, 187Rе, 209Вi К третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы 14С, 3Н, 7Ве, 10Ве, образующиеся непрерывно под действием косми­ческого излучения.

Наиболее распространенным радиоактивным изо­топом земной коры является 87Rb, содержание кото­рого значительно выше урана, тория и особенно 40К. Однако радиоактивность К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных ра­диоактивных элементов: 87Rb характеризуется мяг­ким бета- излучением и имеет большой период полу­распада, а распад 40К сопровождается относительно жестким бета - и гамма-излучением. Калий-40 широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы поч­ти везде богаче радиоактивными элементами, чем пес­чаные и известняки.

Радиоактивные тяжелые элементы (уран, торий, радий) содержатся преимущественно в горных гранит­ных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения различных земных пород у поверхно­сти земли колеблется в значительных пределах -26—1150 мрад/год. Однако имеются районы (на пример, в Бразилии, Индии и др.), где вследствие выхода на поверхность земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона составляет 12— 70 рад/год, что в 100—500 раз выше среднемиро­вого фона. У обитающих в этих районах животных (например, самцов полевок) обнаружены изменения хромосомных аберраций, дегенерация в зародышевом эпителии половых желез (особенно у молодых осо­бей), заторможенное половое созревание и стериль­ность половозрелых самцов в 58,3% случаев.

Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит гамма-радиация внутри зданий. Наибольшие значе­ния гамма-радиации установлены в домах из железо-л бетона с глиноземом— 171 мрад/год, наименьшее — в деревянных домах — 50 мрад/год.

Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые, комплекс­ные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радио­активных превращений — радон и торон. Концентра­ция радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, клима­тических факторов, рельефа местности и т. д. Так, наличие радона в водах кислых магматических пород в несколько раз выше, чем осадочных пород. Кон­центрация урана в реках, протекающих на юге, обыч­но выше, чем в северных реках.

 Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоя­нии (радон, торон, углерод-14, тритий) или в виде аэрозолей (калий-40, уран, радий и др.). Радон и торон поступает из земных пород, а углерод и тритий образуются из атомов азота и водорода в результате воздействия на их ядра нейтронов вторич­ного космического излучения.

Суммарная радиоактивность атмосферного воздуха колеблется в широких пределах (2-10ˉ14 — 4,4*10ˉ13 Ки/л) и зависит от места, времени года, погодных условий и от состояния магнитного поля Земли.

Из естественных радиоактивных веществ наиболь­шую удельную активность в растениях составляет 40К, особенно в бобовых расте­ниях: горохе, бобах, фасоли, сое. Содержание в рас­тениях урана, радия, тория и углерода-14 ничтожно мало.

В животных организмах обычно содержится 40К меньше, чем в растениях.

Уран, торий и углерод-14 встречаются в биологи­ческих объектах в очень незначительных концентра­циях по сравнению с 40К.

Таким образом, на организм животных оказывают воздействие внешние источники природного радиоак­тивного фона — космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, а также источники природной радиации 40К, 226Ка, 14С, 3Н, содержащиеся в самом организме и поступающие в него в составе пищи, воды и воздуха.

Эти внешние и внутренние источники, действуя непрерывно, сообщают организму определенную по­глощенную дозу.

Среднегодовая доза для человека составляет около 0,12 рад на гонады и 0,13 рад на Скелет и считается безопасной.

Искусственные источники ионизирующих излуче­ний.

При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (235У, 39Ри, 233й, 238У), возникающая в результате дейст­вия на них нейтронов. В принципе реакция деления может быть вызвана при бомбардировке тяжелых элементов и другими элементарными частицами (а, p, d), но наибольший практический интерес пред­ставляет реакция деления ядра под действием нейт­ронов.

Механизм этой реакции можно схематически пред­ставить следующим образом: нейтрон попадает в ядро расщепляющегося элемента, например, изотопа 235U, и приводит к образованию сильно возбужденного ядра — 236U. Нуклоны в результате нарушения ядер­ного сцепления под действием сил отталкивания рас­ходятся к противоположным полюсам, ядро деформи­руется, принимает удлиненную форму. В центральной части ядра образуется перетяжка, ядерные силы уже не могут противостоять действию сил отталкивания между протонами, и ядро расщепляется на два или три асимметричных ядра — осколка. Весь этот процесс происходит мгновенно. Во время каждого акта деле­ния освобождается энергия порядка 200 МэВ и выле­тают 2—3 свободных нейтрона. Если нейтроны на своем пути встретят другие тяжелые ядра, способ­ные к делению, то возникает цепной процесс деле­ния.

При достаточном количестве делящегося материала возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера.

Процесс деления может быть самоподдерживаю­щимся, регулируемым, с непрерывным выделением определенного количества энергии. Это осуществлено в ядерных реакторах, в которых плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями — поглотите­лями нейтронов.

При ядерных взрывах образуется около 250 изо­топов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых эле­ментов (235U, 239Рu, 233U, 238U), так и продуктов их распада. Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядер­ного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Большинство образующихся радионуклидов явля­ется бета - и гамма - излучателями, остальные испускают или только β или α-частицы (144Мс1, 1475т).

Дополнительным источником радиоактивного за­грязнения местности в районе взрыва служит наве­денная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образую­щихся при цепной реакции деления урана или плуто­ния, на ядра атомов различных веществ окружающей среды (реакция активации). Захват нейтронов ядрами многих химических элементов приводит к появлению радиоизотопов (продуктов активации) в атмосферном воздухе, воде почве, в материалах сооружений и т. п. Большая часть их распадается с испусканием β-частиц и гамма-излу­чения со сравнительно малым периодом полураспада (за исключением 14С).

Суммарная активность остатков ядерного заряда и радионуклидов, образовавшихся в результате реакции активации, намного меньше общей активности радио­активных продуктов деления. Последние являются ос­новным источником радиоактивного загрязнения внеш­ней среды.

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза (слияние ядер легких элементов — дейтерия и трития и образование более тяжелого ядра — гелия, происходящее при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведенной радиоактивности), в частности трития, берилия, углерода- 14.

Ядерные устройства, основанные на принципе деле­ние — синтез деление, загрязняют окружающую сре­ду радиоактивными осколками деления 238U и 239Рw, а также тритием и радиоуглеродом. На 1 мегатонну ядерного взрыва образуется 7,4 кг радиоуглерода -14, что количественно в среднем равняется образованию этого изотопа в атмосфере под действием космических лучей в течение года.

Загрязнение местности зависит от характера ядер­ного взрыва (наземный, воздушный и т.д.), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осадков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемеще­ние масс воздуха), географических зон и широт и др.

Наземные взрывы создают сильное загрязнение РПД непосредственно в районе взрыва, а также на прилегающей территории, над которой проходило радиоактивное облако.

При воздушном взрыве не происходит значительно­го локального загрязнения местности РПД, так как они распыляются на очень большой площади.

Однако под влиянием атмосферных осадков, вы­павших в момент прохождения радиоактивного обла­ка, может повыситься загрязнение в том или ином районе.

Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тро­посферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы не­сколько мегатонн загрязняют главным образом страто­сферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздуш­ных течений частицы РПД способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т. е. наступает глобальное загрязнение.

По данным американских авторов В. Лэнгхэма и Е. Андерсена (1959), при взрывах зарядов большой мощности (несколько мегатонн) продукты взрывов распределяются следующим образом: при взрыве на большой высоте 99% их задерживается в стратосфе­ре, локальных загрязнений нет; при наземном взрыве 20% из них попадает в стратосферу, а 80% выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70% выпадает ло­кально.

Скорость выпадения радиоактивных осадков зави­сит от времени года и от широты местности: она боль­ше в северном полушарии, чем в южном. В пределах небольших районов скорость выпадения может коле­баться также в зависимости от выпадения дождя или снега в течение года.

РПД могут находиться в тропосфере около 2—3 мес., в стратосфере — 3—9 лет. Вследствие этого при воз­душных взрывах на землю в основном выпадают только долгоживущие радиоактивные продукты, так как короткоживущие изотопы распадаются, находясь в стратосфере.

По данным некоторых исследователей, ежегодно из имеющихся в стратосфере РПД осаждаются 10% 90Sг и 137Сs.

В связи с широким использованием атомной энер­гии в мирных целях все большее значение приобре­тают радиоактивные отходы промышленных предприя­тий и установок (атомных электростанций, предприя­тий по переработке ядерного материала, реакторов), лабораторий и научно-исследовательских институтов, работающих с РВ высокой активности, как потенци­альный, а в отдельных случаях и как реальный фактор локального (на ограниченной территории) загрязнения внешней среды.

В настоящее время человек сталкивается также с искусственными источниками радиации, не связан­ными с загрязнением внешней среды. К ним относятся рентгеновские установки, ускорители элементарных частиц, закрытые источники радиоактивных изотопов, использующиеся в медицине, промышленности и на­учно-исследовательской работе.

Вопрос 10. Методы радиометрии препаратов.

Основные методы измерения радиоактивности. Ра­диоактивность препаратов можно определить абсолют­ным, расчетным и относительным (сравнительным) методами. Наиболее широкое практическое примене­ние имеет последний.

Абсолютный метод основан на применении прямого счета полного числа частиц распадающихся ядер в условиях 4π-геометрии (четырехпийной). В этом слу­чае активность препаратов выражается не в импульсах в минуту, а в единицах радиоактивности — Ки, мКи, мкКи. Для этих целей используют 4π -счетчики, кон­струкция которых позволяет поместить измеряемый образец внутрь счетчика (газопроточный счетчик ти­па СА-4БФЛ, сцинтилляционный счетчик с растворе­нием пробы в жидком сцинтилляторе или помеще­нием пробы внутрь его и др.).

Расчетный метод определения абсолютной актив­ности альфа - и бета - излучающих изотопов заклю­чается в том, что измерение осуществляется при помощи обычных газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков.

Чтобы сопоставить скорость счета, выраженную в импульсах в минуту, с активностью в единицах кюри вводят в результаты измерения ряд поправочных коэффициентов, учитывающих потери излучения при радиометрии.

Общая формула для определения абсолютной ак­тивности (А) расчетным методом имеет следующий вид:

где N — скорость счета в имп/мин за вычетом фона; ώ поправ­ка на геометрические условия измерения (телесный угол); ε поправка на разрешающее время счетной установки; — поправка на поглощение излучения в слое воздуха и окне (стенке) счетчи­ка; ρ — поправка на самопоглощение в толще препарата; q— по­правка на обратное рассеяние от подложки; r — поправка на схему распада; γ — поправка на гамма-излучение при смешанном бета -, гамма-излучении; т — навеска измеряемого препарата в мг, 2,22 *1012 переводной коэффициент от числа распадов в минуту к кюри (1 Ки = 2,22*1012 расп/мин).

Для определения удельной активности указанная формула принимает следующее выражение:

где 1 * 106 — переводной коэффициент на 1 кг при измерении m в мг.

Относительный (сравнительный) метод определе­ния радиоактивности основан на сравнении активности исследуемого препарата с активностью стан­дартного препарата (эталона), содержащего известное количество изотопа. Достоинство относительных из­мерений в их простоте, оперативности и удовлетво­рительной достоверности.

Благодаря этому относительный метод нашел ши­рокое применение в практической радиометрии и в на­учных исследованиях с использованием радиоактив­ных изотопов.

Для правильного проведения измерений относи­тельной активности исследуемых препаратов необ­ходимо, чтобы схема распада, вид и энергия излу­чения эталона существенно не отличались от исследуе­мого радионуклида. Идеальным эталоном был бы радиоизотоп, одноименный с изотопом, содержащимся в измеряемом препарате.

Желательно иметь для эталона долгоживущий радиоактивный изотоп, так как его можно исполь­зовать длительное время без внесения поправок на распад. При определении суммарной бета - активности в объектах ветнадзора в качестве эталона приме­няют 40К, 90Sr, 90Y, 23Th и др.

Эталон и исследуемые препараты должны иметь одинаковую форму, площадь и толщину активного слоя, их одинаково располагают относительно счетчи­ка. Подложки, на которые нанесены измеряемые препараты и эталон, должны быть выполнены из одинакового материала и иметь, одинаковую толщи­ну. Все измерения надо проводить на одной установ­ке с одним и тем же счетчиком. Следует стремиться к тому, чтобы измерения всех препаратов были вы­полнены с одинаковой статистической точностью.

Измерив, скорость счета Nэ от эталона и пре­парата Nпр, рассчитывают активность препарата Апр в распадах в минуту по формуле: