Контрольные вопросы к четвертому учебному модулю

1. Химические проблемы возникновения жизни на Земле. Источники мутаций.

2. Первичные процессы при действии ионизирующих излучений на биологические объекты.

3. Действие ионизирующих излучений на клетку и организм челове­ка. Концепция пороговости.

4. Нормы радиационной безопасности.

5. Общие закономерности радиоактивного распада. Естественная радиоактивность биосферы.

6. Антропогенные источники ионизирующих излучений. Последствия аварии на ЧАЭС для биосферы.

7. Источники и стоки тяжелых металлов (Pb, Hg, Cd), процессы трансформации в ОС, последствия накопления их в ОС для естественных экосистем.

8. Источники и стоки полихлорированных бефенилов, включая диоксины, процессы трансформации, вероятные последствия для естественных экосистем.

9. Источники и стоки ПАУ (на примере 3,4-бензпирена), процессы трансформации в ОС, последствия для естественных экосистем и человека.

Задачи к четвертому учебному модулю

Задача II.4.1

Может ли излучение с частотой 2,510¹⁵ Гц считаться ионизирующим по отношению к человеку?

Задача II.4.2

Оцените величину экспозиционной дозы, если при прохождении через 1 кг сухого воздуха  - излучения образовалось 18,7510¹⁴ пар ионов за 1 час. Превышает ли эта величина ПД?

Задача II.4.3

В результате аварии на АЭС произошел выброс I-131 в количестве 32 кг. Через 16 суток его осталось 8 кг. Определите срок исчер­пания I-131 в окружающей среде.

Задача II.4.4

В аварийной ситуации на АЭС в атмосферный воздух произошла утеч­ка I-131 и I-165 в количествах 48 и 12 кг. Пери­од полураспада I-131 и I-165 - 8 и 60 суток, соответственно. Оцените промежу­ток времени, через который количества обоих изотопов окажутся равными.

Задача II.4.5

В аварийной ситуации произошла утечка изотопа I-165 в количестве 64 кг. Через 120 суток его содержание в окружающей среде оцени­валось в 16 кг. Определите срок исчерпания изотопа I-165 в объ­ектах окружающей среды.

Задача II.4.6

Коэффициент ослабления  - излучения для Pb равен 50 м^-1 .Чему должна быть равна толщина защитного экрана для ослабления потока  - квантов в 1000 раз?

Задача II.4.7

Какой толщины должна быть книга, чтобы ослабить поток монохроматического  - излуче­ния с энергией Е = 9 МэВ в 1000 раз, если массовый коэффициент поглощения  - излуче­ния слабо завит от свойств вещества и описывается эмпирической зависимостью: (m) = 15,5E^-1,41 см²/г, где Е - энергия частиц в МэВ, плотность бумаги принять равной 1 г/см³?

Задача II.4.8

Ослабление потока  - квантов экраном из свинца зависит от их энергии и ослабление в 1000 раз происходит для энергии Е = 0,2 МэВ при толщине экрана h =1,5 см; для Е = 0,6 МэВ при h = 5,7 см; Е = 1 МэВ - h = 10,2 см; Е = 10 МэВ - h = 13,3 см. Рассчитайте массовый коэффициент ослабления (m) потока для каждой из указанных энергий  - квантов, постройте графическую зависимость (m) = f(E) и объясните её.

Задача II.4.9

Радиационный фон по  - излучению, в среднем, в течение года состав­лял 1 мкР/час. Оцените, не превышена ли в этом случае величина ПД (для населения категории Б величина ПД для III группы критических органов составляет 0,03 Зв/год).

Задача II.4.10

В останках мамонта отношение концентрации изотопов С-14/С-12 равно

10^-11. В настоящее время данное отношение в живых организмах составляет около 10^-4. Оцените, сколько прошло лет с момента смерти мамонта, если период полураспада изотопа С-14 составляет 5730 лет.

Задача II.4.11

Чувствительность измерения С-14 современными методами составляет 0,03 распада на 1 г углерода в 1 секунду. Каков верхний предел опреде­ления возраста образцов, содержащих углерод? Природный углерод, участвующий в круговороте, обладает активностью 14,2 распада на 1 г углерода в 1 минуту, период полураспада С - 14 равен 5 730 лет.

Задача II.4.12

Какая доля изотопов U-235, U-238, Pu -239 распалась за время существования Земли, если периоды полураспада составляют соответственно 0,7; 4,7 и 2,4410^-5 млрд. лет?

Задача II.4.13

По А.П. Виноградову среднее содержание радия в живом веществе составляет 10^-12 - 10^-11 % (массовых). Оцените вашу личную актив­ность, обусловленную распадом радия.

Задача II.4.14

При распаде радиоактивных нуклидов в земной коре выделяется 410^-5 Дж/(см²с) энергии. Скольким блокам АЭС с электрической мощностью 3000 МВт эквивалентна поверхность Земли?

Задача II.4.15

Какое количество атомов изотопа К-40 распадается в 1 г калия за 1 мину­ту, если содержание К - 40 в естественной смеси изотопов составляет 0,0117 %, а его период полураспада равен 1,28 млн. лет?

Задача II.4.16

Какая масса ископаемого углерода обладает активностью в 1 Ки? (период полураспада углерода С-14 равен 5 730 лет).

Задача II.4.17

Опишите явления, ответственные за природный радиоактивный фон. Возможны ли на нашей планете районы, где вели­чина природного радиоактивного фона существенно отличается от среднего значения?

Задача II.4.18

Среднее суточное потребление некоторых продуктов питания одним жителем России и их удельная активность по К-40 приведены ниже. Оцените годовое поступление К-40 в организм человека и опишите возможные последствия (период полураспада - 1,28 млн. лет).

Продукт	Суточное потребление, кг	Содержание калия, %	Удельная активность, нКи/кг
Зернобобовые	0,5	0,6	4,8
Крупы	0,2	0,13	1,1
Картофель	0,5	0,45	3,5
Овощи	0,1	0,4	2,7
Фрукты	0,1	0,15	1,2
Мясо	0,15	0,35	2,3
Рыба	0,15	0,26	2,1

Задача II.4.19

В теле человека содержится около 8 естественных радиоактивных изотопов, но доминирующими являются К - 40 (0,083 г в среднем на массу 70 кг), С - 14 (0,002 г), Rb - 87 (0,007 г) и U - 238 (0,0007 г). Оцените Вашу личную активность, обусловленную присутствующими изотопами, если периоды полураспада этих изотопов равны соответственно 1,28 млн. лет, 5 730 лет, 48 млрд. лет и 4,47 млрд. лет.

Задача II.4.20

Радиоактивность речной воды определяется главным образом присутствием в ней К - 40 и Ra - 226, среднее содержание которых соответственно составляет 1,5 и 0,02 Бк/л. Суточное потребление воды равно 2,5 л. Оцените количество естественных радионуклидов, поступающих в Ваш организм в течение года. Найденную величину сравните с данными, приведенными в предыдущей задаче, и сделайте выводы об основных источниках поступления радионуклидов в Ваш организм (период полураспада К - 40 составляет 1,28 млн. лет, а Ra - 226 равен 1 600 лет).

Задача II.4.21

Рассчитайте долю оставшихся ядер радионуклида через 10 периодов полураспада и обоснуйте, почему изотоп считается исчезнувшим через 10 периодов полураспада.

Задача II.4.22

Ниже приведены данные по физическим (Тф) периодам полураспада и биологическим (Тб) периодам полувыведения. Определите средний эффективный период воздействия излучения на организм в целом или его отдельный орган. Отметим, что биологический период полувыведения - это время, в течение которого половина количества радионуклида покинет организм.

Радионуклид	Тф (период полураспада)	Тб (период полувыведения)	Вид излучения
Углерод С - 14	5 730 лет	35 дней	-
Фосфор Р- 32	14,3 дня	10 лет	-
Калий К-40	1,28 млн. лет	37 дней	-, +
Кальций Са-45	165 дней	50 лет	-
Стронций Sr-90	28,1 года	11 лет	-, 
Иод I-131	8,07 дня	138 дней	-, 
Цезий Cs-137	30,23 года	70 дней	-, 
Радий Ra-226	1 600 лет	55 лет	, 
Уран U-223	16 200 лет	300 дней	, 

Какой из указанных в таблице радионуклидов наиболее опасен при внутреннем облучении?

Задача II.4.23

При сжигании на мусороперерабатывающих заводах отходов полиолефинов в присутствии хлорида натрия в составе дымовых газов были идентифицированы следующие различные хлорбензолы (цифры - это их количество в мкг на грамм сжигаемого полиолефина):

1. хлорбензол - 10;

2. дихлорбензолы (сумма) - 3,4;

3. трихлорбензолы (сумма) - 0,4;

4. тетрахлорбензолы (сумма) - 1,4;

5. пентахлорбензол - 0,03;

6. гексахлорбензол - 0,005.

Оцените, какова будет эмиссия хлорбензолов в атмосферу и их средняя концентрация в приземном слое воздуха, если все отходы полиолефинов будут уничтожаться термическим методом (по оценке сверху). В настоящее время производство полиолефинов на душу населения составляет около 8 кг/год. В чем опасность загрязнения геосфер данными соединениями?

Задача II.4.24

Экспериментально обнаружено, что при загрязнении воды замкнутого водоема 2,4,6 - трихлорфенолом с концентрацией 5 мг/л, содержание растворенного кислорода в воде составило всего 0,5 мг/л. Из-за каких процессов произошло столь резкое снижение концентрации растворенного кислорода в воде? Поясните опасность загрязнения водных объектов хлорорганическими соединениями.

Задача II.4.25

Основные каналы поступления кадмия в почву следующие ( цифры в г/га за год):

1. атмосферные выпадения - 5;

2. поступления из фосфорных удобрений - 6;

3. другие источники - 1.

Фоновое содержание кадмия в пахотном слое почв в доиндустриальную эпоху составляло около 0,1 мг/кг почвы (0,3 кг/га). Оцените содержание кадмия в пахотном слое почв в настоящее время. Сделайте выводы относительно качества продуктов растениеводства, если коэффициент усвоения Cd растениями из почвенного раствора описывается выражением:

С_р = kC_п,

где С_р - содержание в растении (мг/кг сухой массы растения),

С_п - содержание в почве (мг/кг),

k - коэффициент концентрирования, равный 0,01 (при рН = 6) и 0,1 при (рН = 5).

Задача II.4.26

При сжигании бытового мусора на заводах только 2,3,7,8-ТХДД (тетрахлодибензопарадиоксина) из отходящих газов выделяется в количестве 0,066 мг на каждую тонну бытовых отходов (ТБО). В среднем, в мире на каждого жителя планеты ежегодно образуется около 0,5 т ТБО. Оцените максимальную эмиссию ТХДД, при условии, что все ТБО будут обезвреживаться огневым способом. Определите, какова будет средняя концентрация ТХДД в тропосфере и сравните эту величину с ПДК (0,5 пг/м³).

Примеры решения задач

Задача 4.1

Может ли излучение частотой 10¹⁶ Гц считаться ионизирующим по отношению к парам воды?

Решение

Энергия излучения в эВ находится из хорошо известной формулы:

E = 1240/, где  - длина волны излучения в нм.

С другой стороны:  = с/, где с - скорость света,  - частота излучения в Гц. Тогда  = 310⁸/10¹⁶ = 310^-8 м или 30 нм. Окончательно получим, что:

E = 1240/30 = 41,3 эВ.

Любое излучение считается ионизирующим, если при его взаимодействии с веществом происходит образование ионных пар:

H₂O + h  H₂O⁺ + e.

Потенциал ионизации воды равен 12,6 эВ, энергия излучения превышает порог образования ионных пар (ионизации), то есть в рассматриваемом случае излучение данной частоты является ионизирующим.

Задача 4.2

В результате халатности персонала на городскую свалку был выброшен препарат изотопа Sr-90 в количестве 5 г. Через 3 года повторный анализ показал наличие данного изотопа в отходах, причем оцененное содержание составляло около 4,65 г. Оцените срок исчерпания данного изотопа в отходах и опишите опасность загрязнения ОС данным изотопом.

Решение

Любой изотоп считается исчезнувшим из ОС через 10 периодов полураспада (Т). Следовательно, для решения задачи следует найти период полураспада по закону радиоактивного распада:

,

где N₀, N - начальная и текущая (к моменту времени t) концентрация изотопа, t- время. После преобразований получим:

года.

Окончательно получим, что срок исчерпания  равен:

 = 10Т = 1028,6 = 286 лет.

Изотоп стронция (Sr-90) является аналогом кальция и легко встраивается в живые организмы, включая человека (преимущественно в костные ткани). Поскольку внутреннее облучение гораздо опаснее внешнего, загрязнение этим изотопом ОС является чрезвычайно опасным для живых организмов. Именно по этой причине (с учетом выброса и изотопа Сs-137) город Припять в районе ЧАЭС был законсервирован на 300 лет.

Задача 4.3

Массовый коэффициент ослабления  - излучения свинцом равен 501 см^-1. Чему должна быть равна толщина защитного экрана для ослабления потока  - квантов в 1000 раз, если плотность свинца равна  = 11,344 г/см³?

Решение

В результате поглощения (упругого и неупругого рассеивания)  - излучения интенсивность первичного пучка I₀ при прохождении слоя вещества толщиной х уменьшается по экспоненциальному закону:

I = I₀exp(-x),

где  - линейный коэффициент ослабления (см^-1). Если вещество состоит из атомов одного сорта, то часто вводят массовый коэффициент ослабления

(m) = /, где  - плотность (г/см³). После преобразований получим:

см.

В действительности величина коэффициента массового ослабления зависит от энергии  - квантов.

Задача 4.4

Радиоуглеродный анализ костей ископаемого человека показал его возраст, равный 30 000 лет. Определите соотношение между содержанием изотопов С-12 и С - 14 в костях современного человека, если период полураспада С -14 составляет 5 370 лет.

Решение

Решение задачи основано на применении закона радиоактивного распада (обозначения аналогичны обозначениям задачи 4.2):

.

После логарифмирования получим:

ln(N₀/N) = 0,693(t/T) = 0,693(30 000/5 370) = 3,87 или N₀/N = 48, что и требовалось найти.

Задача 4.5

Рассчитайте, какой массой обладает 1 Ku урана - 238 (период полураспада Т ~ 4,5 млрд. лет).

Решение

По определению активности общее число активных атомов данного изотопа n равно:

n = A/,

где А - активность изотопа (число распадов в единицу времени),  - постоянная распада (с^-1). Массовое количество радиоактивного вещества Q (в граммах) с активностью А равно:

Q = nM/N_a,

где N_a - число Авогадро, М - атомная масса изотопа.

Комбинируя эти два выражения и, учитывая, что  = 0,693/T (T - период полураспада для U - 238 равный 4,5 млрд. лет или Т = 1,4210¹⁷ с), получим:

Q = ATM/(0,693N_a) = 3,710¹⁰1,4210¹⁷238/(0,6936,0210²³) = 310⁶ г или 3 т.

Отметим, что А = 1 Ku = 3,710¹⁰ Бк (1 Бк = 1 распад/с).