ОҚУ-Әдістемелік кешен «ядролық физикалық зерттеу әдістері» пәні

ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК КЕШЕН

«ЯДРОЛЫҚ ФИЗИКАЛЫҚ ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ» пәні

бойынша

5В060400 «Физика» мамандығы бойынша оқитын

Оқу-әдістемелік бағдарламаны құрастыған, аға оқытушы:

Мешетова Ж.С..

Кафедра отырысында бекітілді

Хаттама №10, 25.06.2015 ж.

Кафедра меңгерушісі_______________п.ғ.д., профессор Маусымбаев С.С.

Физика-математика факультетінің оқу-әдістемелік кеңесі мақұлдаған

Хаттама № 6, 26.06.2015 жыл .

Физика-математика факультетінің мәжілісінде бекітілді

Хаттама №..
Физика-математика факультетінің

деканы, физика-матем.ғ.к., доцент: Берикханова Г.Е.

2.Дәріс конспектілірі

3.Пәнді оқуға арналған әдістемелік нұсқаулар

- Лабораториялық сабақтардың нұсқаулары

- СОӨЖ ның әдістемелік нұсқаулары

- СӨЖ ның әдістемелік нұсқаулары

4.Білімдерді бақылау-өлшеу құралдары

1 Глоссарий

Планк гипотезасы электромагниттік сәуле жиілігіне пропорционал энергияның жеке үлестері (кванттары) түрінде шығады.

«Ультракүлгін күйреуі» деп классикалық физиканың Кирхгоф функциясына арналған қара дененің сәуле шығарғыштығының жиілікке тәуелділігінің тәжірибелік мәліметтерін қанағаттандыратын өрнегін классикалық физика әдісімен іздеудің мүмкін еместігін айтады.

Ядролық реакция деп ядроны ( немесе ядроларды) түрлендіруге келтіретін атом ядросының элементар бөлшекпен өзара әсерлесу процесін айтады.

Ядроның ыдырауы салдарынан , ,  сияқты иондаушы сәулелер шығарылады. Ал ыдыраған заттың өзі басқаға айналады. Иондаушы сәулеге сонымен қатар нейтрондық, протондық, электрондық, рентген сәулелері жатады. Осы радиоактивті сәулелердің тірі ағзаға әсері ең алдымен физикалық өзгеріс жасаудан басталады. Ал олардың әсерінен болатын биологиялық өзгерістердің ауқымыиондық қасиеті бар осы сәулелердің түріне және доза шамасына байланысты блады. Иондаушы сәулелердің құбылыстардың тірі ағзаға әсерін зерттеу мақсатында еңбек сіңірген ғалымдар Л.Эфим Семенович және осы құбылысты зерттеуге өз өмірін арнағандар: неміс ғалымы Г.Петерс, ағылшын ғалымы Д.Кроутер, француз ғалымы Ф.Хольвек, неміс ғалымы Е.Петри, орыс ғалымы Г.А.Надсон, Г.С.Филлипов, француз ғалымы П.Анцель мен Г.Винтембергер.

Иондаушы иондаушы тірі ағзаға, әртүрлі заттарға ықпалы олардың атомдары мен молекулаларына әсер ету арқылы жүзеге асады. Осының нәтижесінде әртүрлі өзгерістер туындайды. Иондалу процесінің нәтижесінде затта оң және теріс иондар пайда болады. Олар зарядталған бөлшектер жылжыған сайын өз энергиясын жоғалтып отырады.

Атом молекулаларының құрамындағы х тірі ағзаларды үзу тура әрекет деп аталады. Ал биологиялық өзгерістер тудыруы оның жанама әрекеті болып табылады.

Биологиялық ткань массасының 60-70% су құрайды. Су молекулаларының иондалу нәтижесінде оттегінің қатысуымен өте күшті тотықтырғыш бос радикалдар түзеді. Олар жоғары активтілікке ие. Бос радикалдар белок, фермент және басқа да биологиялық құрылым элементтернің молекулаларымен реакцияға түседі.

Басқаша айтқанда биологиялық маңызды заттардың активтерінің өзгеруіне әкеледі. Сөйтіп радиоактивті заттардан шағылған энергия қоршаған ортаға сіңірілуі арқылы тірі ағза бойында организмдер мен тканьдарда небір күрделі химиялық, биохимиялық процестер туғызады. Нәтижесінде зат алмасу процестері бұзылады. Ферменттер жүйесінің активтілігі бәсеңдейді. Тканьдардың өсуі баяулайды немесе тоқтайды. Ағза табиғатына тән емес жаңа химиялық қосылыстар токсиндер пайда болады.

Биологиялық тұрғыдан аса қауіпті ұзақ ғұмырлы радионуклидтер:

1. Sr – 90. Қуаты 1 Мега тонналық бомбаның жарылысынан 10⁵ Кu мөлшерінде Sr – 90 радионуклидті түзеді. Оның жартылай ыдырау периоды Т_1/2=29 жыл. Адам ағзасында сүйекте жиналады. Нәтижесінде сүйек тканьдарымен бірге сүйек миын және қан жүру жүйелерін зақымдайды. Ағзаға негізінде нан мен сүтпен т.б. тағамдық азықпен келеді. Ағзадан сыртқа шығу өте ауыр түрде іске асырылады. Оның сыртқашығу кезеңі Т=1,8*10⁵ тәулік.

2. Сs – 137 ядролық жарылыс кезінде 1 мегатонна бомбадан 1,7*10⁵ Кu мөлшерде радионуклид түзеді. Жартылай ыдырау кезеңі 30 жыл. Ағзадағы бұлшық тканьдарында жиналады. Ағзадан тысқа шығу қарқыны Сs -80 қарағанда жылдам. Балалар үшін бірнеше 10 тәулік, ересектер үшін 200-дей тәулік болады.

3. Рu -239 Мт жарылса бомба 3,6*10³ Кu Т_1/2=24000 жыл. Ол сүйекте, бүйрек, бауырда жиналады.

4. Н-3 тритий 3 термоядролық жарылыстан 4,7*10⁶ қуаты 1 Кu -3,7*10¹⁰ ыдырау/секунды Т =42,3 жыл. Дененің барлық бөлігінде таралады.

5. С-14 қуаты 1 Мт бомба жарылыстан 2,2*10³ Кu С-14 радионуклидтерді түзеді. Жартылай бөлініс кезеңі Т =5600 жыл. Дененің май тканьдарында жинақталады.

6. j -131 ядролық және термоядролық жарылыстар нәтижесінде пайда болады. Ол қысқа ғұмырлы радионуклид тобы өкілі болғанымен радиациялық қауіптілік тудыратын раионуклид болып табылады. Жартылай бөліну кезеңі Т=8 тәулік. Сүт және оның құрамында болады.
Радиоактивтің өлшем бірлігі
Белгілі бір уақыт аралығында радиоактивті бөлініс саны көбейген сайын оның затқа тигізетін ықпалының ауқымы да ұлғая береді. Осы бөлініс санының сипаттамасы ретінде радиоактивті заттың активтілігі А енгізіледі.
А=dN/dt
А = 1 Кu

1с ішінде болатын 3,7*10¹⁰ ядролық бөлініс санына тең болатын шама.

1 Кu = 3,7*10¹⁰ ыд/с = 3,7*10¹⁰ Бк

1Бк = 2,7*10^-11 Кu

Көптеген жағдайда гамма сәулелену көздерінің активтілігін анықтау үшін радий (Ra –мг – экв) өлшемі қолданылады.

1 Ra –мг – экв дегеніміз активтілігі қалыңдығы 0,5 мм платинадан істелінген сүзгіге салынған 1 мг Ra –ң беретін доза қуатына тең активтілік шамасы.

Уақыттың секундтық өлшемі қас-қағымдық сәтті бейнелейтіндіктен, көбінесе минуттық мерзім өлшемі қолданылатындығы барша оқырманға мәлім. Сондықтан радиоактивтің өлшем бірліктерін де төмендегідей шамалармен белгілеуге болады.

1мкКu = 2,22*10⁶ бөл/мин

1мКu = 22,2*10⁹ бөл/мин

1Кu = 2,22*10¹² бөл/мин

Дозиметриялық жұмыстарда активтіліктің төмендегідей түрлері жиі анықталады:

- үлессалмақтық активтілік А_m (Бк/кг)

- көлемдік активтілік А _v (Бк/м ³ )

- молярлық активтілік А_моль (Бк/моль)

- бет аумақтық активтілік А_s (Бк/м³)

Қандай да болмасын радиоактивті заттың салмағын анықтау аса қиын шаруа еместігі белгілі. Ал сол заттың салмағы мен оның активтілігінің арсында белгілі бір дәрежеде байланыстылық бар көрінеді.

Кез келген 1 г радиоактивтілігі мына формуламен анықталады:

А= 1 Бк болғандағы заттың жалпы мөлшерлері – m

А_а - радионуклидтің атомдар саны.

Рентген және гамма сәулелерінің дозаларының сырт жүйелік өлшем бірлігі ретінде Рентген қабылданаған.

1 Рентген сәулелену дозасында 1Р = 1,293*10^-6 кг ауадағы оң немесе теріс иондардың зарядтар қосындысы Кулонға тең болады. Бұл дегеніміз 1 см ³ ауа көлемінде 2,08*10⁹ бір валентті иондар жұбы түзіледі. Осы түзіліске 87*10^-7 Дж/кг мөлшерінде энергия жұмсалады. Аталған шамалардың өзара қатыстық арифметикалық шамасы 1 Р = 2,58*10^-4Кл/кг= 0,88 рад.

Радиоэкологиялық түсініктер қатарына сәулеленудің сапалық коэффициенті және баламалы доза атаулы ұғымдар енгізілген. Еркін құрамды иондаушы сәулеленудің үнемі тигізер ықпалынан денсаулыққа келер зардаптың ауқымын анықтау үшін баламалы доза ұғымы пайдаланылады.

Н. Оның сандық сипаты адам денесіндегі белгілі мүшеге тканьға сіңірілген доза мөлшері – Д мен сәулеленудің сапалық коэффициенті Q көбейтіндісімен анықталады.

Н = Д* Q

Халықаралық бірліктер жүйесінде [Н] = 1 зиверт = 1Зв

1 Зиверт дегеніміз – кез келген сәулелену түрінің 1 кг биологиялық тканьға сіңірілген баламалы дозасының шамасының оның тигізер биологиялық ықпалы 1 Грей фотондық сәулелену дозасының сапасымен пара-пар.

Сонымен қатар баламалы дозалардың арнайы өлшем бірлігі – рентгеннің биологиялық эквивалент [Н] = 1 Бэр

1 Бэр дегеніміз – кез-келген сәулелену түрінің 1 г биологиялық тканьға сіңірілген энергияның шамасы оның тигізер биологиялық ықпал 1 Рат-қа тең рентгендік және гамма сәулелерінің әсерімен пара-пар.

1Зв = 100 Бэр

Иондаушы сәулелену сипаттамасы – сіңірілген баламалы дозаның қуаты

Х = dx/dt

Бұл ұғым белгілі бір уақыт аралығында үдемеленген доза мөлшерінің сол уақыт аралығын көрсеткішке қатынасын білдіреді.

Доза қуатының өлшем бірліктері:

• 
  экспощициялық доза қуаты үшін - Кл/кг*с
  
• 
  сіңірілген доза қуаты үшін - Грей/с
  
• 
  баламалы доза қуаты үшін – Зв/с
  

Дозаның қауіпті емес шегі дегеніміз – 1 жыл ішінде жеке дара адаидардың үлесіне тиер зияндылық ықпалы, аз радиация дозасы. Радиация дозасының қауіпті емес мөлшері әр адамға жылына 0,5 Бэр болып саналады.

Радиоактивті заттардың ағзада сақталу мерзімінің әрқилылығына орай радиоактивті элементтердің ағзадан жартылай шығару кезеңі деген ұғым енгізілген. Ағзаға түскен радиоактивті заттар мөлшерінің табиғи зат алмасу процесі кезінде 2 есе азаю уақыт аралығын жартылай шығару кезеңі деп атайды.

Радиациялық қауіпсіздік саласында қолданылар өлшем бірліктері

Бета-сәулесі- шапшаң электрондар ағыны, оның α-бөлшегімен салыстырғанда иондаушы қабілеттілігі шамалы (~ 2 дәреже), бірақ өткіш қабілеттілігі α-бөлшегінен басыңқы келеді.

Гамма-сәулесі – қысқа толқынды электромагниттік сәуле, толқын ұзындықтары λ< 10^-10 м, негізінде, бөлшектер ағыны (γ-кванттар немесе фотондар), электр және магнит өрістерінде ауытқымайды және иондаушы қабілеттілігі нашарлау, бірақ өткіш қабілеттілігі өте жоғары (қалыңдығы 5 см қорғасыннан өтіп кетеді).

Радиоактивті ыдырау теориясы ядролар бір-бірінен тәуелсіз радиоактивті түрленеді деген болжамға негізделген. Онда аз уақыт мөлшерінде dt ыдырайтын ядролар саны dN, бар ядролар санына N және уақытқа dt пропорционал: ,

λ – берілген радиоактивті затқа тән тұрақты, радиоактивті ыдырау тұрақтысы деп аталады.

Интегралдағаннан кейін радиоактивті ыдырау заңын аламыз , N₀ – ыдырамаған ядролардың бастапқы саны, N – t уақыт моментіндегі ыдырамаған ядролар саны. (14.2) заңын былай түсінуге болады: ыдырамаған ядролар саны уақыт бойынша экспоненталық заңмен азаяды.

t уақыт ішінде ыдыраған ядролар саны келесі өрнектен табылады

(5.4)

Бастапқы ядролар саны екі есе азаятын уақытты жартылай ыдырау периоды Т деп атайды, оны келесі шарттан табуға болады ,

осыдан . (5.5)

Радиоактивті ядроның орташа өмір сүру τ уақыты λ және Т шамаларымен байланысты:

Сонымен, орташа өмір сүру τ уақыты радиоактивті ыдырау тұрақтысына кері шама.

береді.


2. Ядролық сәулеленудің зат құрылысына әсері.
Радионуклидтердің топырақтан өсімдікке өту және азықтық, экологиялық тізбектерге қосылу қарқыны, олардың топырақтан өзара әрекет-қатынасының сипатына әрі топырақтағы миграциялану ерекшеліктеріне немесе қабілеттеріне тікелей байланысты. Бұл тұста айта кету керек, миграция құбылысын топыраққа сіңірілу(сорбциялық) процесі мен керісінше, топырақтан ерітінліге оралу(десорбциялық) тәріздес әлсін - әлсін қайталанып, екі жақты толассыз жүретін процесс ретінде қарауға болады.

Атмосфераға түскенрадиоактивті заттардың әрі қарай таралуына жауын- шашын мен ауа қозғалысы әсер етеді. Соған байланысты радиоактивті заттардың, шартты атаумен «құрғақ» және «дымқылды» деп, екі түрлі таралу жолдарын ажыратып жүр. Егер біріншісін, бөлшектердің өз салмағымен жерге тартылғаны деп түсінсек, яки біліп жатсақ, екіншісінде – жауын-шашынның немесе қардың көмегімен жерге түсу құбылысын айтамыз. әрине, жауын-шашын арқылы радиоактивті заттардың жер бетіне түсуі жылдамырақ жүретіндігі, ал олардың кеңістікте таралуы жел құбылысының құзырында болатындығы да оқырман үшін түсінікті болар деп ойлаймыз. Табиғи экологиялық жүйелер арасында радионуклеотидтерді басымырақ қабылдайтыны орманды алқап көрінеді, әсіресе қылқан жапырақты ормандар.

Ал су көздеріне(көл, тоған, шалшық сулар, т.б) түскен радиоактивті заттар өзіндік салмағы жоғары бөлшектер ретінде су түбіне тұнатын көрінеді. Осы көлшік немесе көл табанындағы тұнбаларда су бетіне түскен радионуклеотидтердің 95-98% қоныс табады. Дегенмен, олардың бір бөлігі суда еріп, оны да ластап үлгереді екен.
Радионуклеотидтердің топырақта сіңірілу және қозғалу мүмкіндіктері көптеген факторлардың әсеріне тәуелдігі белгілі. Солардың ішінде, төмендегідей орта ерекшеліктерінң ықпалы әжептәуір:

А) радионуклеотидтердің әр түрлі топырақта сіңірілу ерекшелігі.
Уранның негізгі бөлініс өнімдері болып саналатын стронций–90 мен цезий-137 радионуклидтерін сіңіруде топырақ пен топырақ минералдарының жоғары сорбциялау қабілеттерінің зор екендігі жайлы топшыламалар көптеген зерттеушілердің еңбектерінде айтылып жүр. Сол ғылыми еңбектерді зерделеп талдау нәтижесінде түйген пікір, негізінен аталмыш радионуклидтер үшін топыраққа сіңірілу қарқыны әрі сипаты топырақтың минералогиялық құрамына және сіңірілу сыйымдылығына тікелей байланысты екендігі айқындалған. Сондай – ақ, топырақтың құрамындағы органикалық заттар мен балшықты минералдардың мөлшері көп болған сайын, олардың топыраққа сіңірілу қабілеттері де жоғарылай түсетіндігі анықталған. Ал гумусы аз жеңіл топырақта радионуклидтердің сіңіріліуі әрі сақталынуы төмендеу дәрежеде болады, оның басты себебі – бұл топырақтардың сіңіру сыйымдылығы шағын ғана шамаға ие. Топырақтардың мұндай қасиеті – ауылшаруашылығы мамандарына аян.
Б) радионуклидтердің ерітінді реакциясы мен аналог-элементтердің концентрациясына байланысты топыраққа сіңірілу ерекшелігі.
Қандай да болмасын химиялық элементтердің, оның ішінде радионуклидтердің миграциялануға қабілеттігі, олардың ерітіндіде төзімді пішіндерінің болуымен сипатталады. Мысалға суда ауырлау еритін радионуклидтер (кобальт, стронций және цезий) үшін, мұндай пішін кейпі ретінде иондық пішінде болуы саналса, жеңіл радионуклидтер (темір, иттрий және церий) үшін, иондық пішінмен қатарлас жұқа шашырмалы коллоидтар күйінде болуы да белгілі дәрежеде сіңірілуіне әсер етеді.

Ал енді радионуклидтердің ерітіндідегі күйі мен бір физикалы-химиялық пішіннен екіншісіне ауысуы көптеген факторлардың әсеріне тәуелді көрінеді. Олардың қатарында негізгілері ретінде сол ортаның реакциясы мен аналог-элементтердің концентрациялары есепке алынады. Өйткені ерітінді реакциясы мен құрамындағы элементтер концентрациясының өзгеруі нәтижесінде болатын ерігіштік құбылысының күрт артуы, олардың химиялық пішіндерінің ауысуына ұласады. Бұл өзгерістердің аяғы, химиялық элементтердің топырағы қозғалғыштық қабілетінің артуына немесе азаюына әкеледі.

Ішкі комплекстік берік қосылыстар құрамына енген радионуклидтер топыраққа сіңісе қоюға қабілетті емес, сол себептен олардың миграциялану мүмкіндігі әрдайым жоғары болады. Мұндай жағдайда радионуклидтердің топырақ ерітіндісімен миграциясының күшеюі олардың өсімдіктер бойына түсетін мөлшерінің артуына әкеледі.

Осы бағытта жүргізілген зерттеу жұмыстарының нәтижесінде, өсімдік қалдықтарының шіру процесі кезінде туындайтын әртүрлі суда ерігіш қосылыстардың топырақ қойнауындағы табиғи суларға және ерітіндіге қосылуы байқалды.
Г) топырақ ылғалдылығы режимінің радионуклидтер миграциясында атқарар ролі.
Баршамызға белгілі жайт, өсімдік қалдықтарының шіру қалпы, соның нәтижесінде туындайтын органикалық заттардың сандық және сапалық құрамы топырақ ылғалдылығына тәуеллді екндігі.

«Топырақ –ерітінді» жүйесінде радионуклидтердің қозғалғыштық қабілетіне тигізер әртүрлі режимдегі топырақ ылғалдылығының ықпалы, оның сұйық фазасының құрамына өткен радионуклидтер мөлшерінің үлесіне көбірек тиеді. Топырақ қабатының бойымен миграцияланатын әрі өсімдік тамырларына сіңетін радионуклидтер негізінен осы еріген пішін өкілдері болып табылады.

Қорыта айтқанда радионуклидтердің топыраққа сіңірілу ауқымы мен оған беку беріктігінің шамасы, радионуклидтердің химиялық қасиеттеріне және сол топырақ-ерітінді ортасының физикалы-химиялық ерекшеліктеріне байланысты. Ал бұл ерекшеліктерге жататын факторлар тізбегі:

• 
  ерітіндінің реакциясы (рН) мен температурасы;
  
• 
  ерітінді құрамында әртүрлі катиондар мен комплекс түзеуші заттардың болуы;
  
• 
  топырақтың химиялық құрамы мен ылғалдылық режимі;
  

Адам баласының сан алуан қызметтерінің ауқымы дамыған сайын қоршаған ортада радиоактивті элементтердің мөлшері көбейе түсуде. Дәлелді айтсақ, ауыл шаруашылығы үшін калийлі тыңайтқыштарды өндіру және егістікке шашудың өте кең ауқымда атқарылуы салдарынан сол ортада калий-40 радиоактивті затының үлесі арта түскені байқалады. Сондай-ақ фосфор тыңайтқышының өндірісі де табиғи радиациялық деңгейдің өсуіне себеп болуы ықтимал. Өйткені, фосфор кенін өңдеу нәтижесінде, оның құрамында болмашы ғана мөлшерде кездесетін радий-226, торий-232, уран-238 сияқты радиоактивті заттар өндірілген фосфорлы тыңайтқыштар құрамында егістікке жетеді.

Радиоактивті заттардың толық бөлініс кезеңіне сәйкес алынатын доза мөлшерінің негізінде, радиоактивті іздер түзілген аймақтар шартты түрде 4 зонаға бөлінеді.

Бұл зоналардың аумағы жарылыстың қуаты мен желдің жылдамдығы бойынша анықталады. Сөйтіп бүгінгі күні, ядролық тарихы бар қоршаған ортада және онымен еншілес жатқан аймақтарда табиғи радиациялық фонға қосымша ластану көздерінің пайда болуы байқалады.

Радиациялық қауіпсіздік және экология институтының бұрынғы Семей сынақ полигонындағы жарылыстардан таралған радиоактивті іздердің бойымен ауқымдық тексеріс жұмыстарын белгілі бір масштабта жүргізіп келеді.