Исследование радиации в городе Набережные Челны

ВВЕДЕНИЕ

Еще в 8 классе я увлекся радиацией и ее воздействием на наш организм. В связи с аварией на АЭС “Фукусима” это тема стала актуальной, поэтому я решил заняться этой работой. Возможность изучения появилась благодаря дозиметру, который мне дал мой научный руководитель.

Цель

1) Ознакомится с явлением радиоактивности.
2) Изучить радиационную обстановку в городе, в котором я живу

Задачи

1) Ознакомится с литературой по радиоактивности и способы защиты от неё
2) Научится работать с дозиметром РАДЕКС РД1503
3) Оценить радиационную ситуацию в различных помещениях(в школе, в квартире, на различных этажах жилых зданий, в магазинах) на улице и у родников.
4) Измерить радиацию от возможных ее источников

ГЛАВА 1. РАДИАЦИЯ И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

1.1. Что такое радиация?

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель случайно обнаружил, что после продолжительного соприкосновения с куском минерала, содержащего уран, на фотографических пластинках после проявки появились следы излучения. Позже этим явлением заинтересовались Мария Склодовская ( автор термина “радиоактивность” ) и ее муж Пьер Кюри. В 1898 году они обнаружили, что в результате излучения уран превращается в другие элементы, которые молодые ученые назвали полонием и радием. К сожалению, люди, профессионально занимающиеся радиацией, подвергали свое здоровье и даже жизнь опасности из-за частого контакта с радиоактивными веществами. Несмотря на это исследования продолжались, и в результате человечество располагает весьма достоверными сведениями о процессах протекания реакций в радиоактивных массах, в значительной мере обусловленных особенностями строения и свойствами атома.

Известно, что в состав атома входят три типа элементов: отрицательно заряженных электронов, движущихся по орбитам вокруг ядра, плотно сцепленных положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Химические элементы различают по количеству протонов. Одинаковое количество протонов и электронов обуславливает электрическую нейтральность атома. Количество нейтронов может варьироваться, и в зависимости от этого меняется стабильность изотопов.

Некоторые нуклиды (ядра изотопов химических элементов) не стабильны и постоянно превращаются в другие нуклиды. Цепочка превращений сопровождается излучениями: в упрощенном виде, испускание ядром частицы (двух протонов и двух нейтронов) называют излучением, испускание электрона излучением, причем оба этих процесса происходят с выделением энергии. Иногда дополнительно происходит выброс чистой энергии, называемый излучением.

Альфа-частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия.
Бета-частицы – это электроны и позитроны.
Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью.
Нейтроны – электрически нейтральные частицы, возникают главным образом непосредственно вблизи работающего атомного реактора, куда доступ, естественно, регламентирован.

Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию. Кстати, наше Солнце – один из естественных источников ультра-фиолетового, гамма, рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту.

Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от альфа- и бета-излучения является любой, даже очень тонкий слой твердого или жидкого вещества – например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи).

В своей работе, для измерений, я буду использовать экспозиционную дозу и мощность экспозиционной дозы.

Экспозиционная доза – отношение суммарного заряда dq всех ионов одного знака созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме:

X=dq/dm

Экспозиционная доза выражается в кулонах на килограмм.

Имея в виду отказ от практического использования экспозиционной дозы от ее мощности по завершении переходного периода, во время этого периода значения этих величин следует указывать не в единицах СИ (Кл/кг, А/кг), а во внесистемных единицах – рентгенах и рентгенах в секунду.

1 Р=2,58*10^-4 Кл/кг

Мощность экспозиционной дозы – отношение приращение экспозиционной дозы dX за интервал времени dt к этому интервалу времени:

X=dX/dt

Единицы мощности экспозиционной дозы – ампер на килограмм. Однако, как уже говорилось, в переходный период следует принимать не эту единицу СИ, а внесистемную единицу – рентген в секунду:

1 Р/с = 2,58*10^-4 А/кг

Следует различать радиоактивность и радиацию. Источники радиации – радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т. п.) – могут функционировать значительное время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе.

1.2. Естественная и техногенная радиоактивность

Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87.

Естественные радионуклиды делятся на четыре группы: долгоживущие (уран-238, уран-235, торий-232, радон-222); короткоживущие; долгоживущие одиночные, не образующие семейств (калий-40); радионуклиды, возникающие в результате взаимодействия космических частиц с атомными ядрами вещества Земли (углерод-14). Разные виды излучения попадают на поверхность Земли либо из космоса, либо поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, причем земные источники ответственны в среднем за 5/6 годовой эффективной эквивалентной доз, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения.

Учтем, что современный человек до 80% времени проводит в помещениях – дома или на работе, где и получает основную дозу радиации: хотя здания защищают от излучений извне, в стройматериалах, из которых они построены, содержится природная радиоактивность. Существенный вклад в облучение человека вносит радон и продукты его распада.

Опасность радона заключается в его широком распространении, высокой проникающей способности и миграционной подвижности (активности). Период полураспада радона сравнительно невелик и составляет 3,823 суток. Радон трудно идентифицировать без использования специальных приборов, так как он не имеет цвета или запаха.

Одним из важнейших аспектов радоновой проблемы является внутреннее облучение радоном: сами атомы радиоактивного радона и образующиеся при его распаде продукты в виде мельчайших частиц проникают в органы дыхания и желудок, и их существование в организме сопровождается альфа-излучением. И в России, и на западе радоновой проблеме уделяется много внимания, так как в результате проведенных исследований выяснилось, что в большинстве случаев содержание радона в воздухе в помещениях и в водопроводной воде превышает ПДК. Так, наибольшая концентрация радона и продуктов его распада, зафиксированная в нашей стране, соответствует дозе облучения 3000-4000 бэр в год, что превышает ПДК на два-три порядка. Полученная в последние десятилетия информация показывает, что в Российской Федерации радон широко распространен также в приземном слое атмосферы, подпочвенном воздухе и подземных водах, а также в строительных материалах.

Техногенная радиоактивность возникает вследствие человеческой деятельности. Искусственные источники радиационного облучения существенно отличаются от естественных не только происхождением. Во-первых, сильно различаются индивидуальные дозы, полученные разными людьми от искусственных радионуклидов. В большинстве случаев эти дозы невелики, но иногда облучение за счет техногенных источников гораздо более интенсивно, чем за счет естественных. Во-вторых, для техногенных источников упомянутая вариабельность выражена гораздо сильнее, чем для естественных. Наконец, загрязнение от искусственных источников радиационного излучения (кроме радиоактивных осадков в результате ядерных взрывов) легче контролировать, чем природно обусловленное загрязнение.

Осознанная хозяйственная деятельность, в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование естественных радионуклидов, приводит к заметным изменениям естественного радиационного фона. Сюда относится добыча и сжигание каменного угля, нефти, газа, других горючих ископаемых, использование фосфатных удобрений, добыча и переработка руд.

Такой вид транспорта, как гражданская авиация, подвергает своих пассажиров повышенному воздействию космического излучения.
И, конечно, свой вклад дают испытания ядерного оружия, предприятия атомной энергетики и промышленности.

Безусловно, возможно и случайное (неконтролируемое) распространение радиоактивных источников: аварии, потери, хищения, распыление и т. п. Примером того являются аварии на Чернобыльской АЭС и на АЭС “Фукусима”.

1.3. Воздействие радиации на живые организмы и человека

Считается, что радиация в любых дозах очень опасна. Ее влияние на живой организм может носить позитивный характер: использование в медицине, так и негативный: лучевая болезнь. Любопытные результаты получили ученые, исследуя воздействие радиации на растения и животных. Результаты экспериментального облучения показывают, что наиболее чувствительны к действию радиации млекопитающие, за ними следуют птицы, рыбы, пресмыкающиеся и насекомые. Чувствительность растений к излучению варьируется в самых широких пределах, частично совпадая с показателями для животных. Менее всего чувствительны к высоким дозам радиации мхи, лишайники, водоросли и микроорганизмы, в частности бактерии и вирусы. Воздействие радиации на человека называют облучением. Основу этого воздействия составляет передача энергии радиации клеткам организма. Облучение может вызвать нарушения обмена веществ, инфекционные осложнения, лейкоз и злокачественные опухоли, лучевое бесплодие, лучевую катаракту, лучевой ожог.

Сложность в отслеживании последовательности процессов, вызванных облучением, объясняется тем, что последствия облучения, особенно при небольших дозах, могут проявиться не сразу, и зачастую для развития болезни требуются годы или даже десятилетия. Кроме того, вследствие различной проникающей способности разных видов радиоактивных излучений они оказывают неодинаковое воздействие на организм: частицы наиболее опасны, потому что, вследствие своих больших размеров, они способны ионизировать гораздо больше атомов, чем бета- или гамма- излучения, однако для излучения даже лист бумаги является непреодолимой преградой; излучение способно проходить в ткани организма на глубину один-два сантиметра; наиболее безобидное излучение характеризуется наибольшей проникающей способностью: его может задержать лишь толстая плита из материалов, имеющих высокий коэффициент поглощения, например, из бетона или свинца.

Существует три пути поступления радиоактивных веществ в организм: при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду, через кожу, а также при заражении открытых ран. Наиболее опасен первый путь, поскольку:

1) объем легочной вентиляции очень большой;
2) значения коэффициента усвоения в легких более высоки;

Пылевые частицы, на которых сорбированы радиоактивные изотопы, при вдыхании воздуха через верхние дыхательные пути частично оседают в полости рта и носоглотке. Отсюда пыль поступает в пищеварительный тракт. Остальные частицы поступают в легкие. Степень задержки аэрозолей в легких зависит от дисперсности. В легких задерживается около 20% всех частиц; при уменьшении размеров аэрозолей величина задержки увеличивается до 70%.

Радионуклиды накапливаются в органах неравномерно. В процессе обмена веществ в организме человека они замещают атомы стабильных элементов в различных структурах клеток, биологически активных соединениях, что приводит к высоким локальным дозам. При распаде радионуклида образуются изотопы химических элементов, принадлежащие соседним группам периодической системы, что может привести к разрыву химических связей и перестройке молекул. Эффект радиационного воздействия может проявиться совсем не в том месте, которое подвергалось облучению. Превышение дозы радиации может привести к угнетению иммунной системы организма и сделать его восприимчивым к различным заболеваниям. При облучении повышается также вероятность появления злокачественных опухолей.

Основные этапы воздействия излучения на ткани:

Заряженные частицы. Проникающие в ткани организма частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят (Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые, в конечном счете, также приводят к электрическим взаимодействиям.)

Электрические взаимодействия. За время порядка десяти триллионных секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходного нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы.

Физико-химические изменения. И свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционно-способные, как “свободные радикалы”.

Химические изменения. В течение следующих миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.

Биологические эффекты. Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток, или такие изменения в них могут привести к раку.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ПРИБОРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Индикатор радиоактивности РАДЕКС РД1503 предназначен для обнаружения и оценки уровня ионизирующего излучения. Изделие оценивает обстановку по величине мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения с учетом загрязненности объектов источниками бета частиц и рентгеновского излучения или по величине мощности экспозиционной дозы гамма-излучения с учетом загрязненности объектов источниками бета частиц.

Технические характеристики:

Диапазон измерений мощности амбиентного эквивалента дозы от 0.05 мкЗв/ч до 9.99 мкЗв/ч
Диапазон измерений мощности экспозиционной дозы от 5 мкР/ч до 999 мкР/ч
Диапазон энергий регистрируемого гамма-излучения от 0.1 МэВ до 1.25 МэВ

Случайная погрешность при доверительной достоверности 0.95 (воспроизводимость показаний) + или – (15+6/Р)%, где Р – мощность амбиентного эквивалента дозы в мкЗв/ч

Случайная ошибка + или – 3,5мкР/ч
Уровни звуковой сигнализации – 0.30, 0.60, 1.20мкЗв/ч и 30, 60, 120мкР/ч
Время измерения 40с

У моего прибора есть одна ионизационная камера, где находится разреженный газ. К концам камеры подведены катод и анод. Попадая в ионизационную камеру, бета-частицы и гамма-кванты ионизируют атомы газа, в результате образуются отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный ион, которые идут к аноду и катоду. Образующийся электрический ток пропорционален уровню радиации.

Методика измерений:

Для измерения радиации в помещениях я выбирал такое место, чтобы от стен, потолка и пола до моего прибора было приблизительно равное расстояние (то есть центр помещения).

Для измерения радиационного фона на улице я выбирал места, которые максимально удалены от стен домов, поскольку именно стройматериалы являются главным источником радиоактивного газа радона.

Если я хотел измерить радиоактивность определенного предмета или вещи, то я подносил к этому предмету РАДЕКС РД1503 правыми прорезями (там находится ионизационная камера).

Но прежде чем начать свои измерения, я решил экспериментально выяснить случайную погрешность своего прибора. Я измерил уровень радиационного фона в своей квартире 5 раз в одном и том же месте, в одних и тех же условиях. После, на основании полученных данных, я вычислил погрешность своего прибора. Она оказалась равна + или -3 мкР/ч.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Уровень радиации в проветренной и непроветренной квартире

Первым объектом моих измерений стала моя собственная квартира. Я захотел провести более тщательные измерения, поэтому составил план своей квартиры в масштабе 1:53. Сделав замеры в каждой из комнат, я занес полученные данные на план квартиры. Результаты вы можете просмотреть на схеме. Как видно на плане, уровень радиации больше в маленьких по объему комнатах, чем в больших. Это объясняется тем, что в больших помещениях расстояние до стен, пола и потолка выше, а значит, уровень радиации будет меньше (чем дальше от источника радиации, тем меньше радиационный фон).

Я подумал, а если проветрить квартиру, изменится ли уровень радиации? По моим предположениям он должен был уменьшиться, потому что воздух насыщенный радоном выветривается из помещения. Однако после замеров оказалось, что это не так. На схеме в скобках указан результат измерений после проветривания квартиры. Как видно из показаний, в некоторых комнатах уровень радиации уменьшился (детская, коридор, прихожая, кухня), а в других – увеличился (зал, спальня).
Я решил, что это связано с особенностями вентиляции. Воздух, насыщенный радоном, выветривался из детской и спальни в сторону зала, где наблюдается 12 мкР/ч. Уровень радиации в спальне, скорее всего, связан с погрешностью прибора. Есть и другая версия, что на уровень радиации повлияла солнечная и космическая радиация, а в тот день было солнечно. Но, так или иначе, можно сделать вывод, что на уровень радиации будет влиять такой фактор, как вентиляция, а плохо или хорошо будет влиять – это уже зависит от погоды и времени года на улице.

3.2. Уровень радиации водопроводной и канализационной воды

При измерении радиационного фона в квартире (я делал это неоднократно), уровень радиации в ванне и туалете варьировался от 17 до 11мкР/ч. Я заинтересовался, чем это может быть вызвано. Тщательно измерив радиацию в ванне и туалете, я обнаружил, что большая радиация идет от воды. Я открыл кран и измерил уровень радиации воды. Он оказался равен 18мкР/ч. Почему у воды повышенная радиоактивность? Потому что она течет из-под земли, где насыщается различными радиоактивными элементами, в том числе радоном. Из этого можно сделать второй вывод- вода, текущая по канализации и по водопроводным трубам, обладает повышенной радиоактивностью.

3.3. Уровень радиации по этажам

Я захотел узнать, изменится ли радиационный фон с повышением высоты. Для этого я измерял радиацию по этажам дома. Результаты вы можете видеть на таблице ниже.

Сравнив показания уровня радиации на разных этажах, я понял, что насколько бы не было высоко здание, уровень радиации внутри здания с высотой не изменяется, поскольку стены, выделяющие радон, находятся на каждом этаже. Однако с изменением высоты на открытом пространстве уровень радиации, скорее всего, спадет, поскольку большая часть радиации идет от земли и строительных материалов.

3.4. Уровень радиации вне помещений

Естественно я измерял уровень радиации на улицах, во дворах, и подземных переходах. Вот более точные данные, которые я получил:

Уровень радиации на улице, в основном был меньше, чем уровень радиации в помещениях, потому что на улице не было стен, а следовательно и радона. Уровень радиации в подземном переходе наоборот, значительно превышал уровень радиации в помещениях. Это вызвано тем, что подземный переход находится под землей, а следовательно в более радиоактивной зоне.

3.5. Уровень радиации у монитора

Излучают ли мониторы радиацию? Это давно интересовало меня, и я не упустил случай сделать замеры. К сожалению, монитор моего компьютера не излучал сильно радиации. Но тут я задумался – ведь существуют разные виды мониторов. Монитор моего компьютера был жидкокристаллическим, но экран телевизора, стоящего у нас в зале, был электронно-лучевой. Я измерил уровень радиации экрана телевизора, и оказалось, что он превышал норму. Ниже вы можете увидеть более точные показатели:

Можно сделать еще один вывод – электронно-лучевой монитор более радиоактивный, чем ЖК (если только его экран не защищен).

3.6. Уровень радиации в помещениях и в школе

Эти данные даны в качестве статистических показателей и объясняются теми же факторами, которые названы выше.

ВЫВОД

Итак, какие самые главные выводы можно сделать:

1)Уровень радиации в помещениях выше, чем уровень радиации на улице
2)Уровень радиации воды, текущей по канализации и по водопроводным трубам, превышает ПДУ
3)Уровень радиации по этажам особо не изменяется, однако  с изменением высоты на открытом пространстве уровень радиации, скорее всего, спадет.
4)Вентиляция влияет на радиационный фон в помещениях,