extracted_text:
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
«Биологическое действие радиации» I.
1.1.
1.2.
1.3.
II.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
III.
IV.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Атомная энергетика в современном мире.
Перспективы развития атомной энергетики.
Атомная   энергетика   в   сравнении   с   тепловой   и
гидроэнергетикой.
Плюсы и минусы атомной энергетики.
Радиация.
Виды излучений.
Радиация в повседневной жизни.
Источники радиации.
Радиационный фон местности.
Как защитить себя от радиации.
Измерение радиационного фона местности.
Социологический опрос населения.
Заключение.
Список используемых источников.
Приложение.
3
4  7
4  5
6
6  7
7  20
7  9
10  12
12  15
15  18
19  20
21  22
23  24
25
26
27  29 Введение.
Тема "Биологическое действие радиации" важна и актуальна для современного и
общества,   и человека.   Для нашей страны атомная энергетика имеет огромное значение,
так как именно в СССР в г. Обнинске в 1954 году  27 июня была введена в эксплуатацию
первая в мире промышленная атомная электростанция. С   тех пор этот вид энергетики
постоянно   совершенствовался   и   улучшался,   а   к   2012   году   атомная   энергетика   уже
производила 13% мировой энергии.
Наблюдая за новостями, происходящими в мире, я столкнулся с такой проблемой:
люди все чаще слышат слова «Ядерная энергетика, «Радиация», которые в большинстве
случаев  вызывают  только  опасение   и  страх. Что  на самом  деле   мы  знаем  о  радиации,
которая нас окружает и стоит ли ее так бояться?
Пытаясь найти для себя ответ на этот вопрос, мне захотелось изучить эту тему
подробнее.
Цель проекта: выяснить, что представляет собой радиация, какими свойствами она
обладает, какое биологическое действие оказывает.
В данном проекте показана важность развития ядерной энергетики для улучшения
качества жизни населения, описать последствия влияния радиации на жизнь и здоровье
людей.
Методы   исследования:  анализ   информации   из   научной   литературы   и   интернет
ресурсов, социологический опрос населения поселка.
Задачи :
1. Определить уровень развития ядерной энергетики в России на данный момент времени
2. Выяснить, каково влияние радиоактивного излучения на организм человека.
3. Проанализировать состояния радиационного фона  различных объектов.
4. Популяризировать информацию, полученную в результате проекта.
Гипотеза: если люди будут знать о радиации больше, смогут различать, при каких
условиях она опасна, а где не представляет угрозы, то атомная энергетика в стране может
выйти на новый уровень своего развития. Глава 1. Атомная энергетика в современном мире.
1.1. Перспективы развития атомной энергетики.
Энергия      это   область   хозяйственноэкономической   деятельности   человека,
состоящая в преобразовании, распределении и использовании энергетических ресурсов на
благо   человека.   Вся   история   человечества   неразрывно   связана   с   добыванием   энергии:
тепловой (чтобы приготовить пищу, либо согреться),  электрической и т.д.  Производство
энергии – экономическая основа любого государства, ведь если её не будет, то и людей в
таком государстве не будет.  Потребность современного человека в энергии возрастает с
каждым днем,   а ресурсов, нужных для её производства все меньше, значит, на человеке
лежит огромная ответственность за сохранение трудновостанавливаемых ресурсов – угля,
нефти, газа. Именно поэтому человечество пришло к новому виду добывания энергии –
атомной энергетике. Для неё требуется меньшее количество маловозбновляемых ресурсов,
а так же  более эффективными  являются  возобновляемые  виды  энергии,    в   частности
солнечная.
На   все   более   конкурентном   и   многонациональном   глобальном   энергетическом
рынке ряд важнейших факторов будет влиять не только на выбор вида энергии, но также и
на степень и характер использования разных источников энергии. Эти факторы включают в
себя:
 оптимальное использование имеющихся ресурсов;
 сокращение суммарных расходов;
 сведение к минимуму экологических последствий;
 убедительную демонстрацию безопасности;
 удовлетворение потребностей национальной и международной политики.
Что такое атомная энергетика?
Атомная   энергетика   –   это   область   энергетики,   занимающаяся   производством
тепловой   и   электрической   энергии   путём     преобразования   ядерной   энергии.   Наиболее
значительна   там,   где   есть   недостаток   энергоресурсов,   а   именно   во   Франции,   Бельгии,
Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии.   Мировыми лидерами по ее производству являются:   США,   Франция   и   Япония.   Ежегодно   в   России   атомной   энергетикой
вырабатывается около 18% всей энергии.   В наши дни в России функционируют такие
АЭС   как:   Балаковская,   Белоярская,   Билибинская,   Калининская,   Кольская,   Курская,
Ленинградская, Нововоронежская, Ростовская, Смоленская.
Перспективы   развития   атомной   энергетики   в   мире   будут   различны   для   разных
регионов   и   отдельных   стран,   исходя   из   потребностей   и   электроэнергии,   масштабов
территории,   наличия   запасов   органического   топлива,   возможности   привлечения
финансовых   ресурсов   для   строительства   и   эксплуатации   такой   достаточно   дорогой
технологии, влияния общественного мнения в данной стране и ряда других причин.
Рассмотрим  перспективы   атомной   энергетики   в   России.   Созданный   в   России
замкнутый   научнопроизводственный   комплекс   технологически   связанных   предприятий
охватывает  все сферы,  необходимые  для функционирования  атомной  отрасли,  включая
добычу   и   переработку   руды,   металлургию,   химию   и   радиохимию,   машино   и
приборостроение, строительный потенциал. Уникальным является научный и инженерно
технический потенциал отрасли. Промышленносырьевой потенциал отрасли позволяет уже
в   настоящее   время   обеспечить   работу   АЭС   России   на   много   лет   вперед,   кроме   того,
планируются работы по вовлечению в топливный цикл накопленного оружейного урана и
плутония.   Россия   может   экспортировать   природный   и   обогащенный   уран   на   мировой
рынок,   учитывая,   что   уровень   технологии   добычи   и   переработки   урана   по   некоторым
направлениям   превосходит   мировой,   что   дает   возможность   в   условиях   мировой
конкуренции удерживать позиции на мировом урановом рынке.
Но дальнейшее развитие отрасли без возврата к ней доверия населения невозможно.
Для   этого   нужно   на   базе   открытости   отрасли   формировать   позитивное   общественное
мнение   и   обеспечить   возможность   безопасного   функционирования   АЭС.   Учитывая
экономические   трудности   России,   отрасль   сосредоточится   в   ближайшее   время   на
безопасной эксплуатации существующих мощностей с постепенной заменой отработавших
блоков первого поколения наиболее совершенными российскими реакторами (ВВЭР1000,
500, 600), а небольшой рост мощностей произойдет за счет завершения строительства уже
начатых   станций.   На   длительную   перспективу   в   России   вероятен   рост   мощностей   в
переходом на АЭС новых поколений, уровень безопасности и экономические показатели
которых обеспечат устойчивое развитие отрасли на перспективу.
В диалоге сторонников и противников атомной энергетики необходимы полная и
точная информация по состоянию дел в отрасли как в отдельной стране, так и в мире, научно обоснованные прогнозы развития и потребности в атомной энергии. Только на пути
гласности   и   информированности   могут   быть   достигнуты   приемлемые   результаты.
Миллионы людей в мире добывают уран, обогащают его, создают оборудование и строят
атомные станции, десятки тысяч ученых работают в отрасли. Это одна из наиболее мощных
отраслей современной индустрии, ставшая уже ее неотъемлемой частью.
1.2. Атомная энергетика
в сравнении с тепловой и гидроэнергетикой.
1. Тепловая энергетика. Одна из самых развитых, она начинает отходить на второй план,
так как на нее затрачивается очень большое количество природных ресурсов, а так же
наносит большой вред окружающей среде.   Загрязнение воздуха, биосферы, «лунные
ландшафты»  все это воздействие тепловой энергетики.
2. Гидроэнергетика.  Дешевое средство добывания электроэнергии. Не наносит  такого
воздействия на окружение, как тепловая, но также имеет свои минусы, а это затопление
земель,   разрушение   большого   количества   рек,   загрязнение   водных   ресурсов,   гибель
рыбы и т.д
3. Атомная (ядерная) энергетика.  Самая   молодая   промышленность,   по   производству
энергии.     Является   самой   безопасной.   Единственным   минусом,   наверное,   является
тепловое загрязнение, по статистике сравнимое с тепловой энергетикой.
Из всего этого можно сделать вывод, что на сегодняшний день атомная энергетика –
самая  приемлемая  и  безопасная  энергетика  в мире.  Её влияние  на окружающую среду
минимально, не считая теплового загрязнения и  радиации.
1.3. Плюсы и минусы атомной энергетики.
Основными   преимуществами   атомной   энергетики   являются   высокая   конечная
рентабельность  и отсутствие  выбросов в атмосферу продуктов сгорания (с этой точки
зрения она может рассматриваться  как экологически  чистая), основными недостатками
является   потенциальная   опасность   радиоактивного   заражения   окружающей   среды
продуктами   деления   ядерного   топлива   при   аварии   (типа   Чернобыльской   или   на
американской   станции   Тримайл   Айленд)   и   проблема   переработки   использованного
ядерного топлива.
Остановимся на преимуществах. Рентабельность атомной энергетики складывается
из нескольких составляющих. Одна из них   независимость от транспортировки топлива. Если для электростанции мощностью 1 млн. кВт требуется в год около 2 млн. т.у.т. (или
около 5 млн. низкосортного угля), то для блока ВВЭР1000 понадобится доставить не
более 30 т. обогащенного урана, что практически сводит к нулю расходы на перевозку
топлива   (на   угольных   станциях   эти   расходы   составляют   до   50%   себестоимости).
Использование ядерного топлива  для производства энергии не требует кислорода  и не
сопровождается   постоянным   выбросом   продуктов   сгорания,   что,   соответственно,   не
потребует   строительства   сооружений   для   очистки   выбросов   в   атмосферу.   Города,
находящиеся   вблизи   атомных   станций,   являются   в   основном   экологически   чистыми
зелеными   городами   во  всех   странах  мира,   а  если  это  не  так,  то  это  происходит  изза
влияния других производств и объектов, расположенных на этой же территории. В этом
отношении   ТЭС   дают   совсем   иную   картину.   Анализ   экологической   ситуации   в   России
показывает, что на долю ТЭС приходится более 25% всех вредных выбросов в атмосферу.
Около 60% выбросов ТЭС приходится на европейскую часть и Урал, где экологическая
нагрузка существенно превышает предельную. Наиболее тяжелая экологическая ситуация
сложилась в Уральском, Центральном и Поволжском районах, где нагрузки, создаваемые
выпадением серы и азота, в некоторых местах превышают критические в 22,5 раза.
К   недостаткам   ядерной   энергетики   следует   отнести   потенциальную   опасность
радиоактивного заражения окружающей среды при тяжелых авариях типа Чернобыльской.
Сейчас на АЭС, использующих реакторы типа Чернобыльского (РБМК), приняты меры
дополнительной   безопасности,   которые,   по   заключению   МАГАТЭ   (Международного
агентства по атомной энергии), полностью исключают аварию подобной тяжести: по мере
выработки проектного ресурса такие реакторы должны быть заменены реакторами нового
поколения повышенной безопасности. Тем не менее в общественном мнении перелом по
отношению к безопасному использованию атомной энергии произойдет, повидимому, не
скоро.   Проблема   утилизации   радиоактивных   отходов   стоит   очень   остро   для   всего
мирового сообщества. Сейчас уже существуют методы остекловывания, битумирования и
цементирования радиоактивных отходов АЭС, но требуются территории для сооружения
могильников,  куда будут помещаться эти отходы на вечное хранение. Страны с малой
территорией   и   большой   плотностью   населения   испытывают   серьезные   трудности   при
решении этой проблемы. Глава 2. Радиация.
2.1. Виды излучений.
  Радиация  обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть
которых встречается в природе, другие получаются искусственным путем. [Приложение,
рис.6 Проникающая способность излучения]
Ионизирующее излучение, если говорить о нем в общем виде, – это различные виды
микрочастиц и физических полей способных ионизировать вещество. Основными видами
ионизирующего излучения является электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма
излучение), а также  потоки заряженных частиц – альфачастицы и бетачастицы, которые
возникают   при   ядерном   взрыве.   Защита   от   поражающих   факторов   является   основой
гражданской обороны страны. Рассмотрим основные виды ионизирующего излучения.
Альфа   излучение  –   поток   положительно   заряженных   частиц,   образованная   2
протонами и 2 нейтронами. Частица идентична ядру атома гелия4. Образуется при альфа
распаде   ядер.   Впервые   альфаизлучение   открыл   Э.   Резерфорд.   Изучая   радиоактивные
элементы, в частности изучая такие радиоактивные элементы как уран, радий и актиний, Э.
Резерфорд пришел к выводу что все радиоактивные элементы испускают альфа и бета
лучи. И, что еще более важно, радиоактивность любого радиоактивного элемента через
определенный   конкретный   период   времени   уменьшается.   Источником   альфаизлучения
являются радиоактивные элементы. В отличие от других видов ионизирующего излучения
альфаизлучение   является   наиболее   безобидным.   Оно   опасно   лишь   при   попадании   в
организм   такого   вещества   (вдыхание,   съедание,   выпивание,   втирание   и   т.д.).   Альфа
излучение попавшего в организм радионуклида наносит поистине кошмарные разрушения,
т.к. коэффициент качества альфа излучения с энергией меньше 10 МэВ равен 20мм,   а
потери энергии происходят в очень тонком слое биологической ткани. Оно практически
сжигает   его.   При   поглощении   альфачастиц   живыми   организмами   могут   возникнуть
мутагенные (факторы, вызывающий мутацию), канцерогенные (вещества или физический
агент (излучение), способные вызвать развитие злокачественных новообразований) и другие
отрицательные   эффекты.   Проникающая   способность   альфа   –   излучения     невелика   т.к.
задерживается листом бумаги.
Бетаизлучение.  Бетачастица   ( частица),   заряженная   частица,   испускаемая   в
результате   бетараспада.   Поток   бетачастиц   называется   беталучи   или   бетаизлучение.
β Энергии   бетачастиц   распределены   непрерывно   от   нуля   до   некоторой   максимальной
энергии, зависящей от распадающегося изотопа. Беталучи способны ионизировать газы,
вызывать   химические   реакции,   люминесценцию,   действовать   на   фотопластинки.
Значительные   дозы   внешнего   бетаизлучения   могут   вызвать   лучевые   ожоги   кожи   и
привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бетаактивных
радионуклидов, попавших внутрь организма. Бетаизлучение имеет значительно меньшую
проникающую способность, чем гаммаизлучение (однако на порядок большую, чем альфа
излучение).
Гаммаизлучение     вид   электромагнитного   излучения   с   чрезвычайно   маленькой
длиной   волны   и   вследствие   этого   ярко   выраженными   корпускулярными   и   слабо
выраженными волновыми свойствами. Гаммаквантами являются фотоны высокой энергии.
Гаммаизлучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных
ядер, при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде
нейтрального   пиона   и   т.д.),   а   также   при   отклонении   энергичных   заряженных   частиц   в
магнитных и электрических полях. Гаммалучи характеризуются большой проникающей
способностью. Гаммакванты вызывают ионизацию атомов вещества.
Облучение гаммаквантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может
вызвать   хроническую   и   острую   лучевую   болезнь.   Стохастические   эффекты   облучения
включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гаммаоблучение
подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гаммаизлучение является
мутагенным и тератогенным фактором.
Защитой от гаммаизлучения может служить слой вещества. Эффективность защиты
(то есть вероятность поглощения гаммакванта при прохождении через неё) увеличивается
при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания  в нём тяжёлых ядер
(свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).
Нейтроны     электрически   нейтральные   частицы,   возникают   главным   образом
непосредственно   вблизи   работающего   атомного   реактора,   куда   доступ,   естественно,
регламентирован.
Рентгеновское излучение  подобно гаммаизлучению, но имеет меньшую энергию.
Кстати, наше Солнце  один из естественных источников рентгеновского излучения, но
земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту.
Ультрафиолетовое   излучение  и   излучение   лазеров   в   нашем   рассмотрении   не
являются радиацией. 2.2. Радиация в повседневной жизни.
Окружающий   нас   мир   радиоактивен.   Обычно   техногенная   радиация   дает   малый
вклад по сравнению с природными источниками. Только в исключительных случаях она
может угрожать здоровью человека.
«Большой взрыв», с которого, как сейчас полагают ученые, началось существование
  сопровождался   образованием   радиоактивных   элементов   и
нашей   Вселенной,
радиоактивным   изучением.   С   тех   пор   радиация   постоянно   наполняет   космическое
пространство. Солнце – мощный  источник  света  и тепла,  также создает  ионизирующее
излучение. Радиоактивные вещества есть и на нашей планете, причем с самого ее рождения.
Человек, как и весь окружающий его мир, радиоактивен. В пище, питьевой воде и
воздухе   также   всегда   присутствуют   следовые   количества   естественных   радиоактивных
веществ. Поскольку природная радиация  неотъемлемая часть нашей повседневной жизни,
ее называют фоновой.
За   последние   полвека   человек   научился   искусственно   создавать   радиоактивные
элементы и использовать энергию атомного ядра в самых разных целях. Возникающее при
этом излучение стали называть техногенным. По мощности техногенная радиация может во
много   раз   превосходить   природную,   но   физическая   суть   у   них   одна.   Поэтому   на
окружающие предметы и живые организмы природная и техногенная радиация действуют
одинаково.
Природная радиация опасений обычно не вызывает. В процессе эволюции мы к ней
мы   достаточно   хорошо   приспособились,   причем   с   учетом   того,   что   природный   фон   в
разных местах разный. И это никак не отражается на показателях здоровья населения.
В некоторых местах люди получают дополнительное облучение в связи с тем, что
живут на радиоактивно загрязненных территориях, например, в зоне чернобыльской аварии
или в зоне аварии 1957 года на Южном Урале. Для большинства таких территорий вклад
«аварийного» облучения меньше природного фона.
Техногенная радиация всегда вызывает вопрос: а это не опасно? Все зависит от
полученной дозы облучения. Причем доза от природных и техногенных источников должна
суммироваться. Если суммарная доза находится в диапазоне колебаний природного фона,
реальной опасности для здоровья нет. Это все равно, что оказаться в Финляндии или на
Алтае. Для организма эти дозы  малые.
Опасность возникает, когда доза в сотни и тысячи раз выше природного фона. В
повседневной жизни такого не бывает. Мощные техногенные источники имеют хорошую биологическую защиту, поэтому в норме их вклад в облучение намного меньше природного
фона.
Получить   высокую   дозу   облучения   можно   только   при   чрезвычайных
обстоятельствах. Например, при заболевании раком пациенту назначают курс интенсивной
радиотерапии (дозы в тысячи раз выше фоновых). Или, что бывает вообще крайне редко,
произошла тяжелая авария на ядерном реакторе, и человек оказался в эпицентре (дозы в
десятки тысяч раз выше уровня фона).
Гибель   и   мутации   клеток   нашего   тела   –   еще   одно   естественное   явление,
сопровождающее нашу жизнь. В организме, состоящем примерно из 60 триллионов клеток,
клетки   стареют   и   мутируют   по   естественным   причинам.   Ежедневно   гибнет   несколько
миллионов клеток. Множество физических, химических и биологических агентов, включая
природную радиацию, также «портят» клетки, но в обычных ситуациях организм легко
справляется с этим.
При делении атомных ядер высвобождается большая энергия, способная отрывать
электроны   от   атомов   окружающего   вещества.   Этот   процесс   называется   ионизаций,   а
несущее   энергию   электромагнитное   излучение   –   ионизирующим.   Ионизированный   атом
меняет   свои   физические   и   химические   свойства.   Следовательно,   изменяются   свойства
молекулы, в которую он входит. Чем выше уровень радиации, тем больше число актов
ионизации, тем больше будет поврежденных клеток.
Для живых  клеток наиболее опасны изменения в молекуле  ДНК. Поврежденную
ДНК клетка может «починить». В противном случае она погибнет или даст измененное
(мутировавшее) потомство.
Погибшие клетки организм замещает новыми в течение дней или недель, а клетки
мутанты   эффективно   выбраковывает.   Этим   занимается   иммунная   система.   Но   иногда
защитные системы  дают сбой. Результатом в отдаленном времени может быть рак или
генетические изменения у потомков, в зависимости от типа поврежденной клетки (обычная
или половая клетка). Ни тот, ни другой исход не предопределен заранее, но оба имеют
некоторую вероятность. Самопроизвольные случаи рака называют спонтанными.
Если  установлена ответственность того или иного агента за возникновение рака,
говорят, что рак был индуцированным.
Если   доза   облучения   превышает   природный   фон   в   сотни   раз,   это   становится
заметным для организма. Важно не то, что это радиация, а то, что защитным системам
организма   труднее   справляться   с   возросшим   числом   повреждений.   Изза   участившихся сбоев возникает дополнительные «радиационные» раки. Их количество может составлять
несколько процентов от числа спонтанных раков.
Очень большие дозы, это  в тысячи раз выше фона. При таких дозах основные
трудности организма связаны не с измененными клетками, а с быстрой гибелью важных для
организма   тканей.   Организм   не   справляется   с   восстановлением   нормального
функционирования самых уязвимых органов, в первую очередь, красного костного мозга,
который относится к системе кроветворения. Появляются признаки острого недомогания
острая лучевая болезнь. Если радиация не убьет сразу все клетки костного мозга, организм
со временем восстановится. Выздоровление после лучевой болезни занимает не один месяц,
но дальше человек живет нормальной жизнью. [Приложение, рис.3 Последствия облучения]
Теоретически кроме рака могут быть и другие последствия облучения в высоких
дозах.
Если радиация повредила молекулу ДНК в яйцеклетке или в сперматозоиде, есть
риск, что повреждение будут передано по наследству. Этот риск может дать небольшую
добавку   к   спонтанным   наследственным   нарушениям,   Известно,   что   самопроизвольно
возникающие генетические дефекты, начиная с дальтонизма и кончая синдромом Дауна,
встречаются у 10 % новорожденных. Для человека радиационная добавка к спонтанным
генетическим   нарушениям   очень   мала.   Даже   у   переживших   бомбардировку   японцев   с
высокими дозами облучения, вопреки ожиданиям ученых, выявить ее не удалось. Не было
добавочных радиационноиндуцированных дефектов после аварии на комбинате «Маяк» в
1957 году, не выявлено и после Чернобыля.
2.3. Источники радиации.
Существует   два   способа   облучения.   Первый,   если   радиоактивные   вещества
находятся вне организма и облучают его снаружи – это внешнее облучение. Второй способ
– внутренний: радионуклиды попадают внутрь организма с воздухом, пищей и водой.
Источники   радиоактивного   излучения   объединяются   в   две   большие   группы:
естественные и искусственные, то есть созданные человеком. Ученые заявляют – именно
земные   источники   радиации   ответственны   за   большую   часть   облучения,   которому
подвергается человек. [Приложение, рис.1 Источники радиации]
Естественные  виды  излучения  попадают на поверхность Земли  либо  из  космоса,
либо   от   радиоактивных   веществ,   находящихся   в   земной   коре.   Интенсивность   влияния
космического излучения зависит от высоты над уровнем моря и широты, поэтому люди, живущие   в   горных   районах,   и   те,   кто   постоянно   пользуется   воздушным   транспортом,
подвергаются дополнительному риску облучения.
Излучение   земной   коры   в   основном   представляет   опасность   только   вблизи
месторождений.   Но   радиоактивные   частицы   могут   попасть   к   человеку   в   виде
стройматериалов, фосфорных удобрений, а затем и на стол в виде продуктов питания.
Причиной радиоактивности строительных материалов становится радон — радиоактивный
инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Радон скапливается под землей, а на поверхность
же он выходит при добыче полезных ископаемых или через трещины в земной коре.
Открытие   радиоактивности   послужило   толчком   для   прикладного   использования
этого явления, в результате чего были созданы искусственные источники радиоактивного
излучения,   которые   применяются   в   медицине,   для   производства   энергии   и   атомного
оружия, для поиска полезных ископаемых и обнаружения пожаров, в сельском хозяйстве и
археологии. Опасность представляют и предметы, вывезенные из «запретных» зон после
аварий АЭС, и некоторые драгоценные камни.
В   медицине   человек   подвергается   радиационному   облучению   при   прохождении
рентгеновских обследований, при использовании радиоактивных веществ для диагностики
или   лечения   различных   заболеваний.   Также   ионизирующие   излучения   используют   для
борьбы   со   злокачественными   болезнями.   Лучевая   терапия   воздействует   на   клетки
биологической ткани с целью устранения их способности к делению и размножению.
Открытие   такого   явления   как   радиация   привело   к   созданию   ядерного   оружия,
испытания   которого   в   атмосфере   являются   дополнительным   источником   облучения
населения Земли.  Почти 40 лет атмосфера Земли  сильно загрязнялась радиоактивными
продуктами атомных и водородных бомб.
Атомные электростанции (АЭС) также являются источником радиации, так как в
основе производства электроэнергии лежат цепные реакции деления тяжелых ядер. Одним
из   факторов   облучения   человека   после   аварий   на   атомных   электростанциях   является
техногенный радиационный фон атомной энергетики, который при обычной работе ядерной
установки   невелик.   В   зависимости   от   характера   аварии   на   атомной   электростанции,
радиоактивные  вещества, выброшенные в атмосферу, попадают в окружающую среду и
переносятся воздушными потоками на различные расстояния от эпицентра аварии.  Вся
среда обитания, флора, фауна, находящаяся в зоне взрыва, будет подвергаться облучению.
Радиоактивное облако осаждается на землю с дождевыми осадками. Но АЭС  представляет собой повышенную опасность только в случае чрезвычайной
ситуации.   Примером   может   служить   печально   известный   на   весь   мир   Чернобыль,   а   с
недавнего времени – Фукусиму.
Во всем мире после аварии на японской АЭС «Фукусима» в марте 2011г. начались
споры   о   будущем   ядерной   энергетики.   События   активизировали   противников   ядерной
энергетики   во   всем   мире.   В   некоторых   странах   пересматриваются   планы   по   развитию
ядерной энергетики. Многие проекты строительства АЭС были заморожены.
Уровень радиации на одном из ядерных реакторов АЭС «Фукусима1» в Японии
превысил   норму   в   тысячу   раз;   на   внешней   границе   территории   АЭС   –   в   восемь   раз.
Повышение уровня радиации произошло в связи с отключением охладительной системы
внутри АЭС, вызванным мощным землетрясением 11 марта 2011 года. Из строя вышли
системы  охлаждения  трех  ядерных реакторов другой  АЭС – «Фукусима   2», которая
находится в 11,5 километра от «Фукусимы  1».
Фукусиму   сравнивают   с   Чернобылем:   и   в   том   и   в   другом   случае   авариям   был
присвоен максимальный, седьмой уровень ядерной опасности по шкале ядерных событий
МАГАТЭ. Как и в СССР в 1986 г., в Японии была проведена массовая эвакуация населения
из зоны радиоактивного поражения. Как и в Чернобыле, в Фукусиме почва и вода заражены
опасными для живых организмов радиоактивными изотопами, период распада некоторых из
них составляет более 30 лет.
В связи с этим многие страны решили отказаться от атомной энергетики. Например:
Италия:13 июня 2011 года в Италии прошел всенародный референдум, на котором
47   миллионам   граждан   предлагалось   высказаться   по   ряду   вопросов,   в   том   числе   в
отношении правительственной программы о возобновлении атомной энергетики. По итогам
проведенного   голосования   страна   откажется   от   атомной   энергетики;   усилия   будут
направлены на развитие возобновляемых источников.
Швейцария:  Швейцарские   депутаты   8   июня   2011   года   поддержали   планы
правительства   отказаться   от   использования   ядерной   энергии   к   2034   году.   Согласно
решению,   принятому   Федеральным   советом   Швейцарии,   действующие   на   территории
Конфедерации АЭС будут отключаться после того, как срок их эксплуатации достигнет 50
лет; таким образом, самая старая АЭС перестанет подавать электричество в 2019 году,
самая новая – в 2034 году.
Япония:  В соответствии с требованиями  агентства по ядерной и промышленной
безопасности Японии,  реакторы АЭС проходят техническую проверку каждые 13 месяцев. Если   в   апреле   2012   года   будет   остановлен   на   проверку   последний   из   действующих
реакторов, а прошедшие техосмотр установки так и не будут запущены, это будет означать,
что   Япония   окончательно   отказывается   от   вырабатывания   электроэнергии   на   атомных
станциях.
[Приложение, рис.2. Наиболее радиоактивные страны мира]
2.4. Радиационный фон местности.
Доз метр
ии
 —   прибор   для   измерения  эффективной   дозы  или   мощности
ионизирующего   излучения  за   некоторый   промежуток   времени.   [Приложение,   рис.4
Дозиметр]. Само измерение называется дозиметрией.
Типы дозиметров:
Профессиональный.
 Помимо   измерения   дозы   излучения   могут   измерять
активность   радионуклида   в   каком   либо   образце:   предмете,   жидкости,   газе   и т. д.
Дозиметрырадиометры могут измерять плотность потока ионизирующих излучений для
проверки на радиоактивность различных предметов или оценки радиационной обстановки
на местности.
Бытовой. Недорогие индивидуальные дозиметры, которые измеряют мощность дозы
ионизирующего излучения на бытовом уровне с не высокой точностью измерения— для
проверки   продуктов   питания,   строительных   материалов   и т. д..   Бытовые   дозиметры   в
основном различаются по следующим параметрам:
 типы регистрируемых излучений — только гамма, или гамма и бета;
 тип блока детектирования ионизирующего излучения — газоразрядный счетчик (также
известен как счетчик Гейгера, или усовершенствованный его аналог, счетчик Гейгера
Мюллера)   или   сцинтилляционный   кристалл/пластмасса;   количество   газоразрядных
счетчиков варьируется от 1 до 4х;
 размещение блока детектирования — выносной или встроенный;
 наличие цифрового и/или звукового индикатора;
 время одного измерения — от 3 до 40 секунд;
 габариты и вес.
Единицы измерения радиоактивности. Мерой радиоактивности служит  активность. Измеряется в Беккерелях (Бк), что
соответствует 1 распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на
единицу веса вещества (Бк/кг) или объема (Бк/куб.м).
Также встречается еще такая единица активности, как Кюри (Ки). Это  огромная
величина: 1 Ки = 37000000000 Бк. Активность радиоактивного источника характеризует
его мощность. Так, в источнике активностью 1 Кюри происходит 37000000000 распадов в
секунду.
Как   было   сказано  выше,   при   этих   распадах   источник   испускает   ионизирующее
излучения.   Мерой   ионизационного   воздействия   этого   излучения   на   вещество   является
экспозиционная доза. Часто измеряется в Рентгенах (Р). Поскольку 1 Рентген  довольно
большая величина, на практике удобнее пользоваться миллионной (мкР) или тысячной (мР)
долями Рентгена.
Действие распространенных бытовых дозиметров основано на измерении ионизации
за   определенное   время,   то   есть  мощности   экспозиционной   дозы.   Единица   измерения
мощности экспозиционной дозы  микроРентген/час.
Мощность дозы, умноженная на время, называется  дозой. Мощность дозы и доза
соотносятся так же как скорость автомобиля и пройденное этим автомобилем расстояние
(путь).
Для   оценки   воздействия   на   организм   человека   используются   понятия
эквивалентная доза  и  мощность эквивалентной дозы. Измеряются, соответственно, в
Зивертах   (Зв)   и   Зивертах/час.   В   быту   можно   считать,   что   1   Зиверт   =   100   Рентген.
Необходимо указывать на какой орган, часть или все тело пришлась данная доза.
Можно показать, что упомянутый выше точечный источник активностью 1 Кюри
(для определенности рассматриваем источник цезий137) на расстоянии 1 метр от себя
создает мощность экспозиционной дозы приблизительно 0,3 Рентгена/час, а на расстоянии
10 метров  приблизительно 0,003 Рентгена/час. Уменьшение мощности дозы с увеличением
расстояния от источника происходит всегда и обусловлено законами распространения
излучения.
Величина
Наименование и обозначение
Соотношения между
Активность радионуклида Беккерель
Кюри
1 Бк=2.7 •1011Ки
единицы измерения
СИ
Внесистемные
единицами Эквивалентная доза
(Бк, Bq)
Зиверт
(Ки, Ci)
Бэр
1 Ки=3.7• 1010Бк
1 Зв=100 бэр
Природные источники дают суммарную годовую дозу примерно 200 мбэр (космос
до 30 мбэр, почва  до 38 мбэр, радиоактивные элементы в тканях человека  до 37 мбэр,
(Зв, Sv)
(бэр, rem)
1 бэр=102Зв
газ радон  до 80 мбэр и другие источники).
Искусственные   источники   добавляют   ежегодную   эквивалентную   дозу   облучения
примерно в 150200 мбэр (медицинские приборы и исследования  100150 мбэр, просмотр
телевизора 13 мбэр, ТЭЦ на угле  до 6 мбэр, последствия испытаний ядерного оружия
до 3 мбэр и другие источники).
Всемирной   организацией   здравоохранения   (ВОЗ)   предельно   допустимая
(безопасная) эквивалентная доза облучения для жителя планеты определена в 35 бэр, при
условии её равномерного накопления в течение 70 лет жизни.
Биологические нарушения при однократном облучении всего тела человека
Доза
облучения,
(Гр)
Степень лучевой
болезни
До 0,250  1,0 Видимых   нарушений
Начало
проявления
первичной
реакции
Характер
первичной реакции
Последствия
облучения
нет.
Возможны изменения в
крови.
Изменения   в   крови,
трудоспособность
нарушена
Лёгкая
1  2
Через 23 ч Несильная тошнота с
рвотой.   Проходит   в
день облучения
2  4
Средняя
Через 12 ч
Длится 1 сутки
Рвота,
недомогание

слабость,
4  6
Тяжёлая
Через 2040 мин. Многократная рвота,
сильное
недомогание,
температура до 38
Как   правило,   100%
ное   выздоровление
даже   при   отсутствии
лечения
Выздоровление у 100%
пострадавших
при
условии лечения
Выздоровление   у   50
80% пострадавших при
условии спец. лечения

Более 6
Крайне тяжелая
Через 2030 мин. Эритема   кожи   и
  жидкий
  температура
слизистых,
стул,
выше 38
Выздоровление   у   30
50% пострадавших при
условии спец. лечения
610
Переходная
  форма
(исход непредсказуем)
Более 10 Встречается   крайне
(100%ный
редко смертельный исход)
Что такое "нормальный радиационный фон" или
"нормальный уровень радиации"?
Радиационный   фон   –   это   излучение   радиоактивного   происхождения,   которое
присутствует на Земле от техногенных и естественных источников. Следует отметить, что
на   человека   оно   влияет   постоянно.   Невозможно   полностью   избежать   радиоактивного
излучения. На Земле жизнь возникла и развивается при постоянном облучении.
Радиационный фон состоит из таких компонентов как   излучение от техногенных
радионуклидов,   то   есть   от   искусственных,     излучение   от   радионуклидов,   которые
находятся   в   воздухе,   земной   коре   и   прочих   объектах   внешней   среды,   космическое.
Радиационный фон на местности измеряется в мощности экспозиционной дозы.
На  Земле  существуют   населенные  области   с  повышенным  радиационным  фоном.
Это,   например,   высокогорные   города   Богота,   Лхаса,   Кито,   где   уровень   космического
излучения примерно в 5 раз выше, чем на уровне моря. Это также песчаные зоны с большой
концентрацией  минералов,  содержащих  фосфаты  с примесью  урана и  тория  в Индии
(штат Керала) и Бразилии (штат ЭспиритуСанту). Можно упомянуть участок выхода вод с
высокой концентрацией радия в Иране (г. Ромсер).
Хотя   в   некоторых   из   этих   районов   мощность   поглощенной   дозы   в   1000   раз
превышает среднюю по поверхности Земли, обследование населения не выявило сдвигов в
структуре заболеваемости и смертности.
Кроме того, даже для конкретной местности не существует "нормального фона" как
постоянной   характеристики,   его   нельзя   получить   как   результат   небольшого   числа
измерений.
В любом месте, даже для неосвоенных территорий, где "не ступала нога человека",
радиационный фон изменяется от точки к точке, а также в каждой конкретной точке со
временем.   Эти   колебания   фона   могут   быть   весьма   значительными.   В   обжитых   местах
дополнительно накладываются факторы деятельности предприятий, работы транспорта и
т.д.  Например,   на  аэродромах,   благодаря   высококачественному  бетонному  покрытию  с
гранитным щебнем, фон, как правило, выше, чем на прилегающей местности. 2.5. Как защитить себя от радиации.
Радиация   может   попадать   в   наш   организм   как   угодно,   и   часто   виной   этому
становятся предметы, не вызывающие подозрений. Действенный способ обезопасить себя
— использовать дозиметр радиации. Этим миниатюрным прибором можно самостоятельно
контролировать безопасность и экологическую чистоту окружающего вас пространства и
предметов. При угрозе реального радиоактивного заражения первое, что надо сделать  это
спрятаться. Фактически важно как можно быстрее укрыться в помещении, защитить органы
дыхания и защитить тело.
В помещении с закрытыми окнами и дверями и с отключённой вентиляцией можно
снизить   потенциальное   внутреннее   облучение.   Обычные   хлопчатобумажные   ткани   при
использовании в качестве фильтров уменьшают концентрацию аэрозолей, газов и паров в 10
раз и более. При этом защитные свойства ткани и бумаги можно увеличить, если намочить
их.
Защитить кожу от радиоактивного заражения можно тщательно омыв тело, а волосы
и   ногти   необходимо   дезинфицировать   специальными   средствами.   Одежду   желательно
уничтожить.   Если   не   удалось   избежать   контакта   с   радиоактивными   элементами,   то   с
действием пагубных веществ можно бороться с помощью особых йодовых таблеток. Также
врачи рекомендуют наносить йодовую сеточку на тело или принять одну ложку морской
капусты. С йодом лучше не переусердствовать, так как употребление йода без достаточных
оснований и в чрезмерных количествах не только бесполезно, но и опасно.
Если   вы   опасаетесь   радиации,   то   можно   ввести   в   свой   ежедневный   рацион
морепродукты. Чтобы защитить себя от радиации в обычной жизни, избегайте потребления
в пищу неизвестно как выращенных ранних овощей.
Больше всего от радиации страдают половые органы, молочные железы, костный
мозг,   легкие,   глаза.   Поэтому   некоторые   врачи   рекомендуют   лишь   в   случае   острой
необходимости обследоваться на медицинских рентгеновских аппаратах: не чаще одного
раза в год.
  Не редкость  случаи,   когда  общеупотребительные  предметы   оказывались  сильно
излучающими. Часы с самосветящимся циферблатом — тоже источник «рентгенов», а уран
могут использовать для придания блеска искусственным фаpфоpовым зубам.
Если   говорить   о   дозах   радиации,   то   она   вредна   для   жизни   в   любых   дозах.
Последствия облучения могут проявиться через 1020 лет или в следующих поколениях.
При этом для  детей  радиация  гораздо более  опасна, чем для  взрослых.  4/5  облучения обычный   человек   получает   от   естественного   фона,   а   атомная   электростанция   при
соблюдении всех правил эксплуатации  безопасна. «Экономия тепла» в помещениях, то
есть непроветривание комнат или офисов, и рентгеновские обследования вызывают гораздо
большее облучение, чем соседняя АЭС.
[Приложение, рис.5 Диаграмма вреда превышения радиационного фона] Глава 3. Измерение радиационного фона местности.
Ежегодно   сотрудники   Роспотребнадзора   во   время   приемки   школы   с   помощью
дозиметра   проводят   измерения   радиационного   фона   некоторых   кабинетов   школы
(представлены в таблице). Так же из источников Интернета я нашел результаты измерений
радиационного фона различных объектов.
Результаты измерений.
Радиационный фон,
мкЗв/ч
Объекты
Территория школы
Кабинет физики
Кабинет информатики
Подвал
Территория вблизи радиолокаторов
Дом (гостиная комната)
Телевизор  на ЭЛТ
ЖК телевизор
Вышка сотовой связи
Магазин строительных материалов
Склад металлоконструкций
Фрукты отечественные
Фрукты импортные
0,08
0,13
0,26
0,11
0,16
0,07
0,16
0,10
0,13
0,15
0,16
0,09
0,10
Радиационный фон 0,04  0,23 мкЗв/ч  безопасная величина.
20,24      0,6   мкЗв/ч      допустимая   величина  радиационного   фона.   Повышенный
уровень может быть вызнан естественными причинами (излучение от гранитов и других
минералов,   влияние   космического   излучения   и   т.д.).   Здоровье   человека,   постоянно
живущего при такой мощности дозы, не подвергается опасности.
0,61  1,2 мкЗв/ч   тревожный (подозрительный) уровень: обнаружив подобный
  местности,   необходимо   сообщить   о   нем   в   ближайшую   санитарно
участок
эпидемиологическую станцию для тщательной проверки. Кратковременное пребывание на
такой местности не отражается на состоянии здоровья; Выше 1,2 мкЗв/ч    опасный уровень: не рекомендуется даже кратковременное
пребывание  необходимо по возможности быстрее покинуть это место.
Важно помнить, что опасна не мощность дозы, а сама накопленная организмом доза,
которая зависит от времени пребывания в загрязненной зоне. Даже при очень большой
мощности   дозы   вы   не   подвергнетесь   серьезной   опасности,   если   быстро   удалитесь   из
опасного места.
Итак,   проанализировав   полученные   данные   можно   сделать   вывод   о   том,   что
радиационный   фон   во   всех   местах,   где   проводились   измерения   находится   в   пределах
безопасной нормы.
В кабинете информатики радиационный фон 0,26 мкЗв/ч, что так же находится в
пределах   допустимой   нормы.   Там   сосредоточено   большое   количество   компьютерной
техники, которая в процессе своей работы излучает радиацию. Самый малый радиационный
фон был замечен дома в гостиной, а так же вблизи территории школы, т.е на улице.   Из
таблицы можно увидеть, что телевизор на ЭЛТ излучает большее количество радиации, чем
современны ЖК телевизор.
Данные   полученные   вблизи   радиолокаторов   были   больше,   чем   у   вышки   сотовой
связи. Оно и понятно, так как в первом случае сигнал, создаваемый локаторами в разы
мощнее сигнала сотовой вышки. Есть разница в показания уровня радиации импортных и
отечественных фруктов, но она незначительна.
Хотелось   бы   отметить,   что   люди   в   магазине,   увидев,   что   я   провожу   измерения
радиации дозиметром, насторожились. Стали спрашивать, что случилось, все ли в порядке?
Сразу вспомнили недавние события в Японии.
Как говорится в пословице «Предупрежден, значит вооружен».  Таким образом, в
результате   своего   исследования,   я   более   подробно   узнал   о   радиационном   фоне   своей
школы   и   города,   и   убедился   в   том,   что   радиационный   фон   находится   в   пределах
допустимых значений и опасности не представляет.
Измерение   радиационного   фона   –   один   из   главных   разделов   в   радиационной
безопасности, который имеет большую перспективу и активно развивается в наши дни. Глава 4. Социологический опрос населения.
С целью исследования уровня информированности населения по вопросу ядерной
энергетики в стране и области, а так же радиации, я опросил жителей поселка..
Всего было опрошено 20 человек, из них 6 мужчин, 14 женщин в возрасте от 20 и
более лет.
Анализ анкетирования показал следующие результаты.
Знаете ли вы что такое радиация?
Знаете ли вы способы и источники поступления радиации
в организм человека? Какие именно?
  Внешнее излучение;
 Загрязненная пища, вода;
 Воздух;
 Солнечное излучение;
 Компьютеры, сотовые телефоны;  Рентгеновское исследование.
Знаете ли вы, какое действие оказывает радиация на организм человека?
Знаете ли вы способы защиты от радиации? Какие именно?
 Защитная одежда;
 Убежища;
 Медицинские препараты.
Положительные стороны существования АЭС в поселке.
1. Дополнительные рабочие места.
2. Увеличение бюджета района.
3. Дополнительное финансирование.
4. Улучшение инфраструктуры города.
5. Льготы населению. Из построенных диаграмм видно, что не все люди имеют представление о том, что
такое радиация, как от нее защититься и есть ли у радиации какие либо положительные
стороны.   Из   всего   этого   делаю   вывод,   что   необходимо   распространить   информацию   о
радиации, изложенную в доступном виде в форме буклета.
Заключение.
Во многом радиация, для простых, не углубляющихся в это людей, представляется
прежде   всего   болезнями   со   смертельным   исходом.     Но   на   самом   деле,   при   умелом
использовании, она не будет наносить существенного вреда на человеческий организм.
По результатам социологического опроса, в большинстве случаев люди не имели
достаточного количество информации о радиации, но хотели бы знать о ней больше. Эта
проблема и является основой боязни слова «Радиация»  и именно её необходимо решать в
первую очередь.
Наука не стоит на месте, появляются все новые и новые способы работы с АЭС, с
каждым годом, с каждым  днем этот вид энергетики становится все более безопасным.
Примером   может   послужить   измерение   радиационного   фона:   советский   телевизор   был
более радиоактивным, нежели новый ЖКтелевизор.
Так   и   люди,   должны   узнавать   и   знать   об   АЭС,   её   свойствах   и   положительных
сторонах. Для этого, в большинстве случаев, будет достаточно всего лишь колонки в газете
и двухминутного ролика по телепередачам, новостям.
Таким образом, радиация, в сегодняшнем мире не является источником паники и
ужаса, не является такой опасной, какой её считают люди, что вызвано недостаточной
информированностью населения.  Ведь даже на улице, дома, в лесу – везде присутствует
такая  интересная и волнующая человеческий разум вещь – радиация!
Исходя   из   всего   вышеизложенного,   считаю,   что   выдвинутая   мной   гипотеза
подтверждается. Если люди будут знать о радиации больше, смогут различать, при каких
условиях она опасна, а где не представляет угрозы, то атомная энергетика в стране может
выйти на новый уровень своего развития. Список литературы.
1. Радиация.   Опасности   реальные   и   ложные.     Попытка   популярного   изложения
актуальных проблем радиационной экологии. Э. Кэбин.
2. Атомная   энергетика:   за   или   против?   Сравнительный   анализ   радиоактивного
загрязнения, создаваемого АЭС и ТЭС, работающими на угле. Т.Н.Таиров.
3. Радиационный риск при облучении в малых дозах ничтожно мал. И. Я. Василенко, О.
И. Василенко.
4. http://www.eprussia.ru/
5. http://www.rosatom.ru/
6. http://nuclphys.sinp.msu.ru/radiation/
7. http://www.radiation.ru/begin/begin.htm
8. http://ru.wikipedia.org/wiki Приложение.
Рис.1. Источники радиации.
Рис. 2. Наиболее радиоактивные страны мира. Рис. 3. Последствия облучения.
Рис. 4. Дозиметр. Рис. 5. Диаграмма вреда превышения радиоактивного фона.
Рис. 6. Проникающая способность излучения.

file_name: Проект Биологическое действие радиации.doc

intro: Индивидуальные проекты по физике учащиеся сдают после 9 класса обучаясь по ФГОС ООО. Темы представленных проектов: "Мыльные пузыри", "Биофизика человека", "Биологическое действие радиации", "Физика вокруг нас". По всем представленым проектам учащимися составлены презентации и выступления. По итогам проектов учащиеся защищали свои проекты.

title: Индивидуальные проекты по физике


extracted_text:
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
«БИОФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА»

2 I.
1.1.
1.2.
1.3.
II.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Биофизика как наука.
Цели, задачи, объекты изучения биофизики.
История развития биофизики.
Методы биофизических исследований.
Биофизика человека.
Прочней гранита.
Как мы дышим.
Дыхание и мыльные пузыри.
Как мы слышим.
Заключение.
Список литературы.
3
4  7
4
5  7
7
8  26
8  15
15  17
17  24
24  26
27
28
Введение.
Изучая   в   школе   разные   естественные   науки,   я   задумался     о   том,   как   все   они     связаны   с
человеком. Но самым интересным мне казалось узнать, как физика способна обогатить наши знания о
нас самих.
3 Поэтому целью моего проекта я поставил рассмотрение биофизических, химико–биологических
и физических  процессов протекающих в человеческом организме.
На протяжении многих веков биология была лишь описательной наукой и практически не объясняла
причин большинства явлений , происходящих в живом организме . И вот сейчас мы все являемся
свидетелями качественных изменений в биологических науках
Использование   достижений   физики   и   химии   сделало   возможным   исследование   основ   жизни   на
молекулярном  уровне.  В  результате  взаимопроникновения   химии  и биологии  , физики  и биологии
родились биохимия и  биофизика.
Эти науки, в свою очередь, кардинально изменили медицину, снабдив её огромным количеством
сложной диагностической и лечебной аппаратурой.
В этой работе я постараюсь решить следующие задачи:
 рассмотреть некоторые физические процессы, протекающие в человеческом организме и установить
межпредметные связи между физикой и биологией;
 выяснить, каким образом можно использовать полученные данные разных  наук.
Глава 1. Биофизика как наука.
1.1. Цели, задачи, объекты изучения биофизики.
Познание   функций   человека   –   одна   из   труднейших   задач.   Развитие   науки   на   первых   этапах
происходит – дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На
первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая
4 задача – как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных
специальностей.   Это   относится   и   к   биофизике,   которая   появилась   на   стыке   физиологии,   физики,
физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов
Биофизика – наука,  изучающая   физические  и  физикохимические  процессы  на разных уровнях

живой   материи   (молекулярном,   клеточном,   органном,   целого   организма),   а   также   закономерности   и
механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.
Задачи биофизики:
1. Установление закономерностей живой природы путем изучения физических и химических явлений в
организме.
2. Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм.
Разделы биофизики:
1. Молекулярная биофизика  кинетики и термодинамика процессов.
2. Биофизика клеток – изучение структуры клеток и физикохимические проявления – проницаемость,
образование биопотенциалов.
3. Биофизика   органов   чувств   –   физикохимические   механизмы   рецепции,   трансформацию   энергии,
кодирование информации ив рецепторах.
4. Биофизика сложных системы – процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические
особенности этих процессов.
5. Биофизика воздействия внешних факторов  исследует влияние на организм ионизирующей радиации,
ультразвука, вибрации, воздействия света
Биофизики изучают жизнь на всех уровнях организации живой материи  от атомов и молекул до
клеток, организмов и популяций.
Биологи изучают жизнь в ее разнообразии и сложности. Они описывают, как организмы получают
тепло, взаимодействуют, ощущают, размножаются. Физики – изучают математические законы природы,
предсказывают,   какие   силы   управляют   физическими   системами.   Сокращение   дистанции   между
сложностью жизни и простотой физических законов является главной проблемой биофизики. Биофизики
ищут физические и математические принципы, которые описывают богатое многообразие биологических
явлений.   Используя   эти   принципы   можно   понять   механизмы   биологических   процессов,   и   предсказать
поведение биосистемы в определенных условиях.
Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического
воздействия на организма.
Развивалась   биология   и   было   необходимо   проникнуть   в   тайны   биологических   процессов,
протекающих на молекулярном уровне
Потребность   промышленности,   развитие   которой   привело   к   действию   ан   организм   различных
физически факторов – радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки
1.2. История развития биофизики.
Развитие   и   становление   биофизики   как   пограничной   науки   проходило   ряд   стадий.   Уже   на
начальных этапах биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и
математики.
Проникновение   и   применение   законов   физики   для   описания   различных   закономерности   живой
природы встретило целый ряд трудностей.
Предметом биофизики является изучение физических и физикохимических процессов, лежащих в
основе жизни. По природе объектов исследования, биофизика является типичной биологической наукой, а
по   методам   изучения   и   анализа   результатов   исследования   является   своеобразным   разделом   физики.
Биофизические методы созданы на основе физических и физикохимических методов изучения природы. В
этих методах сочетаются трудно совместимые качества: высокая чувствительность и большая точность.
5 Ещё в прошлом веке делались попытки использовать методы и теории физики для изучения  и
понимания природы биологических явлений. Причём исследователи рассматривали живые ткани и клетки
как физические системы и не учитывали того факта, что основную роль в этих системах играет химия.
Именно поэтому попытки  решать задачи оценки свойств биологического объекта с чисто физических
позиций носили наивный характер.
Основным методом этого направления являлись поиски аналогий.
Биологические явления, сходные с явлениями чисто физическими трактовались, соответственно,
как физические.
Например эффект мышечного сокращения объясняли по аналогии с пьезоэлектрическим эффектом,
на основании только того факта, что при наложении потенциала на кристалл происходило изменение
длины   кристалла,   примерно   так   же   как   происходило   изменение   длины   мышцы   при   сокращении.   Рост
клеток   считали   аналогичным   росту   кристалла.   Клеточное   деление   рассматривали   как   явление,
обусловленное только поверхностноактивными свойствами наружных слоёв протоплазмы. Амебоидное
движение   клеток   уподоблялось   изменению   поверхностного   натяжения   и,   соответственно,   его
моделировали движением ртутной капли в растворе кислоты.
Даже значительно позже, в двадцатые годы нашего столетия, детально рассматривали и изучали
модель нервного проведения на анализе поведения так называемой модели Лили. Эта модель представляла
собой железную проволоку, которая погружалась в раствор кислоты и покрывалась при этом плёнкой
окиси.   При   нанесении   на   поверхность   царапины   окись   разрушалась,   а   затем   восстанавливалась,   но
одновременно   разрушалась   в   соседнем   участке   и   так   далее.   Другими   словами,   получилось
распространение   волны   разрушения   и   восстановления,   очень   похожее   на   распространение   волны
электроотрицательности возникающей при раздражении нерва.
Возникновение   и   развитие   в   физике   квантовой   теории   привело   к   попытке   объяснить   действие
лучистой энергии на биологические объекты с позиции статистической физики. В это время появляется
формальная теория, которая объясняла лучевое поражение как результат случайного попадания кванта
(или ядерной частицы) в особо уязвимые клеточные структуры. При этом совершенно упускались из вида
те   конкретные   фотохимические   реакции   и   последующие   химические   процессы,   которое   определяют
развитие лучевого поражения во времени.
Ещё   сравнительно   недавно   на   основании   формального   сходства   закономерностей
электропроводности   живых   тканей   и   электропроводности   проводников   полупроводников   пытались
применить теорию полупроводников для объяснения структурных особенностей целых клеток.
Это направление, базирующееся на моделях и аналогиях, хотя и может привлечь к работе весьма
совершенный математический аппарат, вряд ли приблизит биологов к пониманию сущности биологических
процессов.   Попытки   использования   чисто   физических   представлений   для   понимания   биологических
явлений и природы живой материи дали большое количество спекулятивных теорий и ясно показали, что
прямой путь физики в биологию не продуктивен, так как живые организмы стоят несравненно ближе к
химическим системам, чем к физическим.
Значительно более плодотворным оказалось внедрение физики в химию. Применение физических
представлений сыграло большую роль в понимании механизмов химических процессов. Возникновение
физической химии сыграло революционную роль. На основе тесного контакта физики и химии возникли
современная химическая кинетика и химия полимеров. Некоторые разделы физической химии, в которых
физика получила доминирующее значение, стали называться химической физикой.
Именно с возникновением физической химии связано развитие биофизики.
Многие важные для биологии представления пришли в неё из физической химии. Достаточно напомнить,
что применение физикохимической теории растворов электролитов к биологическим процессам, привело
к представлению о важной роли ионов в основных процессах жизнедеятельности.
6 С   развитием   физической   и   коллоидной   химии   расширяется   фронт   работ   в   области   биофизики
расширяется.   Появляются   попытки   объяснить   с   этих   позиций   механизмы   реагирования   организма   на
внешние воздействия. Так большую роль в развитии биофизики сыграла школа Лёба (J. Loeb 1906 г). В
работе   Лёба   были   выявлены   физикохимические   основы   явлений   партеногенеза   и   оплодотворения.
Конкретную физикохимическую интерпретацию получило явление антагонизма ионов.
Позднее   появились   классические   исследования   Шаде   (H.   Schde)   о   роли   ионных   и   коллоидных
процессов в патологии воспаления. Эти исследования завершаются фундаментальным трудом «Физическая
химия во внутренней медицине», которые издаётся в России в 1911–1912 гг.
Первая мировая война приостановила развитие биофизики как науки.
Но уже в 1922 году в СССР открывается «Институт биофизики», которым руководит П.П. Лазарев.
Здесь он разрабатывает ионную теорию возбуждения, которая в это же время разрабатывается и Нернстом
Было установлено, что в явлениях возбуждения и проведения решающая роль принадлежит именно ионам.
С.И.   Вавилов   занимается   вопросами   предельной   чувствительности   глаза.   В.Ю.   Чаговец
разрабатывает   ионную   теорию   возникновения   биопотенциалов,   Н.К.   Кольцов   обосновывает   роль
поверхностного натяжения, ионов и рН в морфогенезе.
Школа   Кольцова   сыграла   видную   роль   в   развитии   биофизики   в   СССР.   Его   ученики   широко
разрабатывали вопросы влияния физикохимических факторов внешней среды на клетки и их структуры.
Несколько позже (1934) Родионов С.Р. и Франк Г.М. открыли явление фотореактивации, Завойский
(1944) метод электронного парамагнитного резонанса.
Основной   итог   начального   периода   развития   биофизики   –   это   вывод   о   принципиальной
возможности   использования   в   области   биологии   основных   законов   физики   как   фундаментальной
естественной науки о законах движения материи.
Важное   общеметодическое   научное   значение   для   развития   разных   областей   биологии   имеют
полученные в этот период экспериментальные доказательства закона сохранения энергии (первый закон
термодинамики),
Применение   представлений   коллоидной   химии   к   анализу   некоторых   биологических   процессов
показало, что в основе протоплазмы различными факторами лежит коагуляция биоколлоидов. В связи с
возникновением учения о полимерах коллоидная химия протоплазмы переросла в биофизику полимеров,
и, особенно, полиэлектролитов.
Появление химической кинетики также вызвало появление аналогичного направления в биологии.
Ещё   Аррениус   –   один   из   основателей   химической   кинетики,   показал,   что   общие   закономерности
химической кинетики применимы к изучению  кинетических закономерностей в живых организмах и к
отдельным биохимическим реакциям.
Успехи применения физической и коллоидной химии при объяснении ряда биологических явлений
нашли отражение и в медицине.
Была   выявлена   роль   коллоидных   и   ионных   явлений   в   воспалительном   процессе.   Физико
химическую   интерпретацию   получили   закономерности   клеточной   проницаемости   и   её   изменений   при
патологических процессах, то есть физикохимическая (биофизическая патология).
С развитием биофизики в биологию проникли и точные экспериментальные методы исследований –
спектральные, изотопные, радиоскопические.
1.3. Методы биофизических исследований.
1. Рентгеноструктурный анализ – исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции
рентгеновских   лучей.   По   дифракционной   картине   устанавливают   распределение   электронной
7 плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они
расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
2. Колоночная   хроматография –   различное   распределение   и   анализ   смесей   между   2   фазами   –
подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к
различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ
используют в капиллярах  капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом – колончатая. Можно
проводить на бумаге, пластинках.
3. Спектральный   анализ –   качественное   и   количественное   определение   вещества   по   оптическим
спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания – эмиссионный спектральный анализ или
по спектру поглощения – абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или
абсолютной   толщине   линий   в   спектре.   Также   относят   радиоспектроскопию   –   электронный
парамагнитный резонанс и ядерномагнитный резонанс.
4. Изотопная индикация.
5. Электронная микроскопия.
6. Ультрафиолетовая   микроскопия –   исследование   в   УФ   лучах   биологических   объектов   повышает
контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные
клетки без предварительной окраски и фиксации препарата.

Глава 2. Биофизика человека.
2.1.  Прочнее гранита.
         Природа миллионы лет экспериментировала, прежде чем сделать нас такими, какие мы сейчас есть.
Мы   вполне   можем   быть   объективны,   обсуждая   элементы   механической   конструкции   нашего   тела,
сравнивая их характеристики с параметрами аналогичных элементов, используемых в технике и строитель
стве.
          Каркасом тела служит скелет, состоящий приблизительно из 200 костей, большинство из которых
(исключение составляют кости черепа и таза) соединено между собой таким образом, что при движении
относительное расположение их может изменяться. Кости приводятся в движение скелетными мышцами,
каждая   из   которых   прикрепляется   к   двум   различным   костям.   При   возбуждении   мышцы   ее   длина
уменьшается и угол между соответствующими костями скелета изменяется.
          На рис. 1 показаны условия одной из простейших задач биомеханикизадачи, касающейся удержания
рукой груза. По известным длинам костей плеча и предплечья и величине груза необходимо найти силу,
развиваемую мышцей.
8 Рис. 1. Решение задачи об удержании рукой груза Р (М — сила, развиваемая бицепсом)
               Если бы перед инженероммехаником поставили задачу сконструировать скелет человека, то он
наверняка сразу потребовал бы объяснения, для чего нужна каждая косточка. Действительно, форма,
размеры и внутренняя структура кости должны определяться ее функцией в скелете. Как же работают
наши кости?
               Как и любые строительные элементы, кости нашего скелета работают в основном на сжатие и
растяжение или на изгиб. Эти два режима работы предъявляют к костям как элементам скелета далеко не
одинаковые требования. Каждому ясно, что спичку или соломинку довольно трудно разорвать, растягивая
их вдоль оси, и очень легко сломать, изогнув их. Во многих случаях, как в инженерных конструкциях, так
и в скелетах
животных, желательно сочетание прочности с легкостью.
         Как добиться максимальной прочности конструкции при заданной ее массе и известной прочности
материала? Эта задача довольно проста, если элемент конструкции должен работать либо  на  продольное
растяжение,   либо     только       на   сжатие.   Пусть,   например,   надо   подвесить   некоторый   груз   на   тросе
определенной длины. Прочность троса будет равна прочности его самого тонкого участка, поэтому его вес
будет наименьшим при одинаковой площади сечения по всей длине. Форма этого сечения не играет роли,
так как прочность на разрыв пропорциональна площади поперечного сечения троса.
             Если элемент конструкции работает также на изгиб (см., например, локтевую кость на рис. 1), то
задача поиска максимальной прочности при заданной массе становится более сложной. Предположим, что
горизонтальная балка заданной длины должна поддерживать определенный груз (рис 2). В этом случае
сопротивление балки изгибу очень сильно зависит от формы ее поперечного сечения. Мы рассмотрим
несколько простых профилей этого сечения и попробуем выяснить, при каком из них балка, способная
выдержать заданный груз, может иметь наименьший вес.
9 Рис 2.  Поиск оптимальной  конструкции  балки,  сопротивляющейся силе F
         Как показано на рис 2, а, балка изгибается под действием силы так, что ее верхние слои сжимаются, а
нижние   растягиваются.   При   этом   в   середине   балки   существует   слой   (а   точнее   поверхность),   длина
которого не изменяется при изгибе балки. Этот нейтральный слой на рис 2а отмечен штриховой линией.
Материал, находящийся   в этом слое, не работает (т. е. не деформируется), а лишь утяжеляет балку.
Поэтому   часть   материала   около   этого   нейтрального   слоя   можно   удалить   без   большого   ущерба   для
прочности балки, работающей в таких условиях.
          Вот мы и нашли одно из решений задачи минимизации массы конструкции при сохранении заданной
прочности (рис.2,б). Это решение, однако, приемлемо только для балок с прямоугольным сечением. Кости
же скелета имеют, как правило, круглое (или почти круглое) сечение. Для них, очевидно, из этих же
соображений, оптимальной конструкцией будет кость с частично отсутствующей «сердцевиной», так как
цилиндрический слой около оси кости не претерпевает существенных деформаций при ее изгибе и только
увеличивает массу (рис.2,в).
            Естественно, что и Природа в процессе эволюции использовала такой способ уменьшения массы
человека и животных при сохранении прочности их скелета.
                  Посчитаем,   достаточно   ли   прочны   наши   кости.   В   табл.   2   приведены   значения   критических
напряжений,   при   которых   нарушается   целостность   различных   материалов,   испытанных   на   сжатие   и
растяжение. Как это не удивительно, но кость по своей прочности уступает только твердым сортам стали
и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. Чем же объясняется такая
высокая прочность костного материала?
Механические характеристики различных материалов
Таблица 2
Материал
Прочностьнa сжатие,
Прочность
Сталь
Кость
Гранит
Фарфор
Дуб
Бетон
Н/мм2
552
170
145
552
59
21
на растяжение, Н/мм2
827
120
4,8
55
117
2,1

Кость      композиционный   материал   и   состоит   из   двух   совершенно   различных   компонентов
коллагена   и   минерального   вещества.   Известным   примером   композиционного   материала   служит
стеклопластик, представляющий собой смесь стеклянных волокон и смолы. Коллаген, входящий в состав
кости,  это один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят все наши
сухожилия). Большая  часть  второго, минерального  компонента  кости   соли  кальция.  Атомы  кальция
составляют  22%  общего количества  атомов  в кости.  Следует отметить,  что  в  остальных  тканях  тела
(мышцах, мозге, крови и т. д.) количество атомов кальция близко к 23%.
          Так как кальций  самый тяжелый из химических элементов, содержащихся в нашем организме в
больших   количествах,  то  преимущественная  локализация   его  в  костях  делает  их  ясно  видимыми  при
исследовании   с   помощью   рентгеновских   лучей.   Это   явление   активно   используется   в   медицине   для
получения рентгеновских снимков костей.
10 Можно легко удалить любой из главных компонентов кости, практически не изменяя ее формы.
Если,   например,   подержать   достаточно   долго   кость   в   5   %ном   растворе   уксусной   кислоты,   то   весь
неорганический компонент (в том числе и соли кальция) в ней растворится. Оставшаяся кость, состоящая
в основном из коллагена, станет эластичной, как резиновый жгут, и ее можно будет свернуть в кольцо.
Наоборот, если сжечь кость, то весь коллаген сгорит, а неорганический компонент останется.
                 Причиной  высокой  прочности  кости является  ее композиционная природа. Многие  обычные
(некомпозиционные) материалы, обладая большой твердостью, очень хрупки. Каждый видел, как ломается
стекло. От места, где по стеклу ударили, разбегаются трещины, которые и раскалывают лист. Если тре
щины не успевают образоваться, как это происходит при ударе пули, то лист стекла остается целым, за
исключением области, куда был нанесен удар.
         Таким образом, прочность многих материалов была бы гораздо выше, если бы их структура препят
ствовала возникновению и распространению трещин. Наличие в кости коллагена, обладающего высокой
эластичностью, служит преградой для распространения в ней трещин.
         В то же время твердость кости обеспечивается кристаллами минерального вещества, отложившимися
на   поверхности   коллагеновых   нитей.   Кость   издавна   использовали   для   изготовления   самых   различных
инструментов. Причиной такого широкого применения кости является ее устойчивость к внешним воздей
ствиям.   Однако   в   живом   организме   кость   удивительно   изменчива   —   ведь   это   живая   ткань   нашего
организма.   В   течение   всей   жизни   старые   костные   клетки   отмирают,   а   новые   приходят   им   на   смену.
Особенно хорошо это заметно в течение первых тридцати лет жизни, когда происходит рост костей нашего
скелета. Известно, что кость растет там, где на нее действует нагрузка, и рассасывается там, где ее нет.
       Наблюдения показали, что пациенты, находящиеся все время в постели без движения, теряют около
0,5 г кальция в день, что говорит об уменьшении массы их костей. В первых космических полетах в
условиях   невесомости   космонавты   теряли   до   3   г   кальция   в   день,   и   поэтому   многие   специалисты
сомневались в возможности длительных космических полетов. Однако в дальнейшем были разработаны
специальные программы физических тренировок, создающие необходимую нагрузку на костную ткань,
которые привели к значительному уменьшению потерь кальция в условиях невесомости.
           Каким образом кость может изменять свою форму и массу в зависимости от величины действующей
нагрузки? Важную роль в этой цепи саморегуляции играют изменения электрического поля в костной
ткани.   Известно,   что   кость   обладает   пьезоэлектрическими   свойствами,   и   поэтому   ее   деформация
сопровождается возникновением электрического поля. При этом растягиваемая поверхность кости всегда
заряжается положительно по отношению к сжимаемой. Если кость работает на изгиб, как это изображено
на   рис.3,   то   вогнутая   ее   поверхность   заряжается   отрицательно,   а  выпуклая      положительно.   Данные
клинических наблюдений указывают на то, что при длительных деформациях, аналогичных той, которая
изображена   на   рис.3,   кость   способна   изменять   свою  форму,   «достраивая»   костную   ткань   в   вогнутых
участках и разрушая в выпуклых. В результате кость выпрямляется.
11

file_name: Проект Биофизика человека..docx

физика

group: Дисциплины

title: Индивидуальные проекты по физике


title: Индивидуальные проекты по физике