Применение ионизирующего излучения в сельском хозяйстве и его последствия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

Контрольная работа

по теме:

«Применение ионизирующего излучения в сельском хозяйстве и его последствия»

Выполнила: студентка 3 курса заочного отделения

Технологического факультета

специальность: «Зоотехния»

Катасонова Наталья Бахадуровна

учебный шифр 10001

Проверил: преподаватель

Кукушкин В.Д.

2010 г.

1. Взаимодействие б и в - частиц с веществами

Альфа и бета-частицы являясь заряженными частицами, проходя через вещество, взаимодействуя с электронами и электрическим полем ядра, постоянно теряют свою кинетическую энергию следующим образом:

1. На ионизацию среды, т.е. отрыв электронов от атомов (это главный эффект).

2. На возбуждение атомов и молекул.

3. При торможении бета-частицы в электрическом поле ядра она изменяет направление своего движения и испускает тормозное рентгеновское излучение.

Существуют понятия:

Работа ионизации - это средняя энергия, затрачиваемая или -частицей при движении в веществе на образование одной пары ионов. Для воздуха этот показатель составляет 35 эВ для альфа-частицы и 34 эВ для бета-частицы.

Полная ионизация I - количество пар ионов, образованных на всем пути частицы, определится как

I = E / W, где

Е - полная энергия частицы;

W - средняя энергия, затраченная на образование 1 пары ионов,

Если сравнить поток альфа и бета частиц, обладающих одинаковой энергией, то они образуют и одинаковое число пар ионов.

Но Плотность ионизации (удельная ионизация) - число пар ионов на единицу пути частицы в веществе - будет сильно различаться.

Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы (частица с больших зарядом сильнее взаимодействует с электроном) и уменьшением скорости частицы (частица с меньшей скоростью больше времени находится вблизи электрона).

В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует несколько десятков тысяч пар ионов. А бета-частица - 50-100 пар ионов.

Проходя через вещество, заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, в связи с чем плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает максимума в конце пути.

2. Сцинтилляционный (люминесцентный) метод регистрации излучений

Сцинтиляционный (люминисцентный) метод регистрации излучений основан на свойстве сцинтилляторов испускать видимое световое излучение (световые вспышки - сцинтилляции) под действием заряженных частиц, которые преобразуются фотоэлектронным умножителем в импульсы электрического тока.

Работа ФЭУ:

Под действием ядерных частиц и гамма квантов в сцинтилляторе возбуждаются атомы и испускают кванты видимого цвета - фотоны. Фотоны бомбардируют катод и выбивают из него фотоэлектроны. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем первого динода, выбивают из него вторичные электроны, которые ускоряются полем второго динода и т. д., до образования лавинного потока электронов попадающих на катод и регистрирующихся электронной схемой прибора. Эффективность счета сцинтилляционных счетчиков достигает 100%. Разрешающая способность значительно выше чем в ионизационных камерах (10 в-5-й - !0 в-8-й против 10 в ионизационных камерах). Сцинтилляционные счетчики находят очень широкое применение в радиометрической аппаратуре

3. Поступление, распределение, накопление РВ в тканях и органах и выведение их из организма животных

Радионуклиды могут поступать в организм животных:

аэрозольно - через легкие при вдыхании загрязненного воздуха;

перорально - через пищеварительный тракт с кормом и водой (основной путь);

резорбтивно - через слизистые оболочки, кожу и раны.

Биологическое действие радионуклидов при внутреннем поступлении зависит от агрегатного состояния вещества. Наибольшее действие оказывают РВ в виде газа и водорастворимых соединений. Они интенсивно и в большом количестве всасываются в кровь, быстро распространяются по всему организму или концентрируются в соответствующих органах. Нерастворимые радиоактивные частицы могут на длительное время задерживаться на слизистых оболочках легких, ЖКТ, вызывая местное радиационное поражение.

Р/активные аэрозоли размером менее 0,5 мкм, попадая в легкие, почти полностью удаляются при выдохе, частицы от 0,5 до 1 мкм задерживаются на 90%, пылинки более 5 мкм фиксируются до 20%. Более крупные частицы, оседая в верхних дыхательных путях, отхаркиваются и попадают в желудок. Большая часть р/нуклидов, задержавшихся в легких, быстро всасываются в кровь, а часть надолго остается в легких.

Относительное количество усвоения организмом радиоизотопа зависит от соотношения его с носителем. Изотопный носитель это нерадиоактивный изотоп этого элемента (напр. J-125 для J-131). Неизотопный носитель - другой элемент - химический аналог радиоактивного изотопа (Са для Sr-90, K для Cs-137).

Всасывание и отложение радионуклида в тканях прямо пропорционально отношению его к носителю.

При основном пути поступления РВ в организм через ЖКТ резорбция (всасывание) некоторых радионуклидов лежит в диапазоне от 100 до 0,01% (Cs, J - 100%, Sr- от 9 до 60%, Cj - 30%, Po-6%, U-З%, Pu-0,01%).

Распределение радионуклидов в организме может быть аналогично стабильным изотопам этих элементов (например, кальций идёт в костную систему, йод в щитовидную железу) или равномерным по всему организму.

Различают следующие типы распределения радиоактивных элементов:

равномерный (H, Cs, Rb, К и др.) - печёночный (Се церий, Pu, Th, Мg и др.)

скелетный (остеотропный) (Са, Sr, Ra и др.) почечный (Bi, Sbсурьма, U, Asмышьяк)

тиреоотропный (J, Br бром).

Орган, в котором происходит избирательная концентрация радионуклида и вследствие чего он подвергается наибольшему облучению и повреждению), называется критическим.

Легкие, ЖКТ являются критическими органами при поступлении через них нерастворимых соединений радионуклидов. Для йода критический орган - всегда щитовидная железа, для стронция, кальция, радия - всегда кости.

Кроветворная система и половые железы, как наиболее уязвимые системы даже при малых дозах радиации, являются критическими органами для всех радионуклидов.

Типы распределения радионуклидов в организме для всех видов млекопитающих (в том числе и человека) одинаковы.

Для молодых животных свойственно более интенсивное всасывание и депонирование радионуклидов в тканях. У беременных самок радиоактивные изотопы проходят через плаценту и откладываются в тканях плода.

Радиоактивные изотопы (также как и стабильные) выводятся в результате обмена из организма с калом, мочой, молоком, яйцом и другими путями.

Биологический период полувыведения (Тб)- это время, в течение которого из организма выводится половина поступившего количества элемента. Но убыль изотопа ускоряется в организме и за счет радиоактивного распада.(Характеризующегося Т1/2 )

Фактическую убыль радионуклидов из организма выражают эффективным периодом полувыведения, (Тэфф).

Тэфф = (Тб Т1/2)/( Тб +Т1/2)

Подсчитаем для Сs-137 (Тб = 0,25 года, Т1/2 = 30лет. Тэфф= (0,25*30)/(0,25+ 30) = 0,24 года (90дней)

Радионуклиды о коротким Тэфф (Cs-137, Y-90иттрий, Ba-140 и др.) при однократном или непродолжительном поступлении их в организм почти одной и той же дозой могут вызвать острое или хроническое течение лучевого заболевания, после чего происходит быстрая нормализация картины крови и общего состояния животного.

При тех же условиях воздействия радионуклидов с большим Тэфф (Sr-90,Ra-226 Pu-239 и др.) отмечается значительное отличие в дозах, обуславливающих острое или хроническое течение болезни. Восстановительный период болезни при этом очень продолжительный, часто возникают злокачественные опухоли, на многие годы затягивается тромбоцитопения, анемия, бесплодие и другие нарушения.

У животных предназначенных для убоя на мясо, эти эффекты могут не успеть проявиться, однако у племенного и молочного скота опасность их возникновения вполне реальна

Животные в пищевой цепочке человека служат своеобразным фильтром радионуклидов и снижают их поступление в организм человека с пищей.

4. Генетические последствия действия ионизирующих излучений

ионизирующее излучение радиоактивный сельское хозяйство

Исследованием действия радиации на наследственность занимается - радиационная генетика. Ген - элементарная единица наследственности - участок молекулы ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты). Гены заложены в структуре хромосом. Число хромосом у каждого вида животных и растительных организмов постоянно. (Человек -46, корова -60. Лошадь -66, свинья -40, пшеница -42. Кукуруза -20) В каждой клетке два подобных, но не идентичных набора хромосом, унаследованных один от отца, другой от матери. При делении клетки хромосомы точно копируются и дочерные клетки являются копиями материнских с такой же структурой хромосом и генов. Это может повторяться в громадном числе поколений.

Под действием различных внешних и внутренних факторов (радиация, УФО, химические вещества) молекулярная структура хромосомы или гена может изменяться. Образуется ген с новыми признаками - произойдёт мутация (это изменение в гене или хромосоме). При последующем делении изменённая хромосома воспроизводит свою копию и происшедшие изменения передаются последующим поколениям клеток. Мутант - это организм, в котором появляются признаки мутировавшего гена. Если мутация произошла в половой клетке, то развивающийся организм, будет иметь новые наследственные признаки.

Огромное количество генов, имеющихся у каждого вида организмов, есть результат мутаций, многие из которых произошли под влиянием естественного радиационного фона.

Различают генные, хромосомные и геномные мутации .

Генные (точковые) - изменения одного гена.

Хромосомные (хромосомные аберрации) - изменения в структуре хромосом. Они возникают путем: - транслокации - перемещения участка хромосомы; -дубликации -удвоения, утроения и т.д. отдельных участков хромосом; - делеции - (нехватки) потери участка хромосомы; - инверсии - перевернутости участка хромосомы.

Геномные связаны с изменением числа хромосом.

Характер мутаций от всех факторов (радиация, ультрофиолет, химия, температура) одинаков и не отличается от самопроизвольных естественных мутаций. Под действием ионизирующих излучений возникают в основном генные и хромосомные. При инкорпорации радионуклидов наиболее опасными в генетическом отношении считаются Sr-90, Cs-137, C-14.

В результате мутаций появляются доминантные (господствующие) и рецессивные (подавленные) гены. При доминантном гене соответствующий признак проявляется у потомства первого поколения (достаточно присутствия гена у половой клетки хотя бы одного родителя). Если ген рецессивный, то признак проявляется начиная с правнуков, затем передаваясь из поколения в поколение (только при наличии гена в половых клетках отца и матери).

Мутации в соматических клетках ведут к возникновению соматических эффектов радиации, одним из которых является злокачественный рост клеток. Мутации соматических клеток по наследству не передается.

В настоящее время не установлен дозовый порог, ниже которого изучение не вызывает мутаций Введено понятие удваивающей дозы радиации - это доза, влияние которой увеличивает количество мутаций в 2 раза по сравнению с естественным мутированием. По предложению академика Н.П.Дубинина МКРЗ (при ООН) признала дозу 10Р (гамма или рентгеновских лучей) удваивающей частоту мутаций.

Генетическое действие ионизирующих излучений проявляется при воздействии только малыми дозами (при больших дозах животное либо погибает, либо становится бесплодным и генетические эффекты не проявляются). Вообще 10% новорождённых имеют генетические дефекты. Из них 3% мутаций (людей) за счёт естественной радиоактивности. Новые признаки, вызванные мутацией, в большинстве случаев отрицательны (чаще заболевают, меньше живут) (могут быть и положит. признаки от мутаций). Доза обучения половых желез, удваивающая число мутаций у животных по отношению к числу спонтанных мутаций составляет 30-80Р. В мире животных и растений радиация была и есть фактор, влияющий на темпы и формы эволюции.

5. Использование ионизирующих излучений в сельском хозяйстве (в растеневодстве)

В растениеводстве.

В растениеводстве широко внедрена радиационно-биологичекая технология, использующая в основном источники облучения Со-60 и Сs-137.

Для нужд с/х и научных исследований создан целый ряд передвижной и стационарной техники.

Стационарная установка типа “Гамма-поле” предназначена для хронического и острого облучения с/х растений в селекционной работе. Установка «Гамма-панорама» используется для облучения растений в целях селекции и стимуляции их роста и развития. Для аналогичных целей она используется и в животноводстве.

Передвижные установки типа «Колос», «Стебель», «Стерелизатор», смонтированные на грузых автомобилях или прицепах, предназначены для предпосевного облучения семян зерновых, зернобобовых, технических и других культур в условиях хозяйств.

Широко применяется метод изотопных индикаторов для:

Разработки рациональных способов удобрений и других химических средств.

Изучения состояния и сорбции веществ в почвах.

Изучения динамики переноса воды и солей в почвогрунтах.

Определения влажности и плотности почвогрунтов.

Радиационная обработка с/х продукции, закладываемой на хранение, даёт значительное увеличение сроков хранения.

Широко применяются радиационные методы борьбы с насекомыми - вредителями по направлениям половой стерилизации самцов, радиационной селекции болезнетворных для насекомых - вредителей микроорганизмов, радиационной дезинсекции.

В выше перечисленных методах радиационно - биологических технологий используются высокие дозы ионизирующих облучений и источники большой активности.

Предпосевное облучение 102 - 103 рад.

Ингибирование прорастания корнеплодов 103 - 104 рад.

Пастеризация 105 - 106 рад.

Стерилизация 106 - 107 рад.

Прямая дезинсекция 104 - 105 рад.

Селекция 103 - 105 рад.

Консервирование до 106 рад.

Применяются излучатели с мощностью дозы от 10 рад/с до 103 рад/с и активности радиоизотопных источников гамма излучения от 103 г/экв Ra до 106 г/экв Ra (от тысячи до миллиона кюри).

Для научных и практических целей в с/х созданы мощные ренгеновские установки, генерирующие излучения с мощностью дозы до 104 рад/с (36 миллионов Р/ч).

Задача № 1

Определить массы, снижение активности радиоактивных изотопов Йода-131 и Цезия-137 с течением времени и зараженности земель радиоцезием при аварийном выбросе на АЭС.

Задача № 2

а) Определение дозы естественного фона.

б) Определение мощности экспозиционной дозы от точечного источника Кобальт-90 заданной активности на расстоянии 1 см и 1 м и экспозиционную дозу за 8 часов.

Задача № 3

Определение количества РВ в ЖКТ КРС и степень лучевой болезни по результатам измерения мощности дозы в левой голодной ямке.

Задача № 4

Определение возможности использования молока и мяса (непосредственно для целей или на переработку) по результатам измерения прибором СРП 68-01

Задача № 5

Определение дозы работников радиологического отдела ветлаборатории за 8-часовой рабочий день от точечного источника радиации.

Исходные данные для каждой задачи задаются номером варианта - Nв.

Решение задач

Задача № 1

Определить массы, снижение активности радиоактивных изотопов Йода-131 и Цезия-137 с течением времени и зараженности земель радиоцезием при аварийном выбросе на АЭС и заполнить приведенную ниже таблицу 3.2.

Изотопы	Йод-131	Цезий-137
Исходные данные
Атомная масса изотопа (а.е.м.)	131	137
Период полураспада Т 1/2	8 суток	30 лет
Активность (количество) изотопа в выбросе в миллионах Кюри (МКи)	(Nв + 7)	0,2(Nв + )
	Nв - номер варианта
Рассчитанные параметры
1. Активность изотопа на момент выброса в Беккерелях (БК)
2. Масса изотопа в выбросе (грамм)
3. Активность йода-131 в БК:
- через 1 месяц
- через 3 месяца
4. Активность йода-131 в % к первоначальной:
- через 1 месяц
- через 3 месяца
5. Активность изотопа цензий-137 в Ки:
- через 30 лет
- через 100 лет
6. Активность изотопа цензий-137 в % к первоначальной:
- через 30 лет
- через 100 лет
7. Зараженность цензием-137 земель Н-ской области, если 1 % выброшенного в атмосферу цензия равномерно распределился по территории области имеющей площадь 38 тысяч кВ. км.

1. Определяем количество цензия-137 в выбросе в Беккерелях.

0,2 (7+10) МКи = 3,4 МКи ? 106 Ки

Т. к. 1 Ки = 3,7 ? 1010 Бк,

то 3.4 ? 106 Ки = 3.4 ? 106 ? 3,7 ? 1010 =

= 12.58 ? 1017 Вк.

2. Активность и масса изотопа связаны соотношением

m = 0,24 ? 10- 23 ? М ? А, (1)

где m - масса радиоактивного изотопа (граммы)

М - масса атома изотопа в атомных единицах массы (а.е.м.)

- период полураспада изотопа (сек)

А - активность изотопа (Вк)

m = 0,24 ? 10- 23 ? 137 а.е.м. ? 30 лет ? 365 дней ? 24 часа ? 3600 сек. ? 12.58 ? 1017 Вк = 39.1 ? 104 = 391 кг

3. и 4. Параметр рассчитывается так же, как в п. 5 и 6 (см. ниже).

5. Измерение активности с течением времени определяется соотношением

Аt = А0 ? 2 - t/Т1/2 (2)

где А0 - активность и начальный момент времени (в Вк и Ки)

Аt - активность по прошествии времени t (в Вк и Ки)

t - время, на которое определяется величина активности (в тех же единицах, что и (сек, сутки, года)).

А через 30 лет = 6 ? 106 Ки ? 2- 30/30 = 6 ? 106 ? 2- 1 = 3 ?106 Ки

А через 100 лет = 6 ? 106 Ки ? 2- 100/30 = 6 ? 106 ? 2- 3,33 = 6 ? 106 ? 0,99 =0,59 ? 106 Ки

6. Активность цензия-137 в момент выброса составила 6?106 Ки. Активность цензия-137 через 30 лет - 3 ?106 Ки. Следовательно, через 30 лет активность снизилась на 50 %. Активность цензия-137 через 100 лет - 0,59 ? 106 Ки, что составляет 9,9 % к первоначальной.

7. 1 % от 6?106 Ки составит (6?106 : 100) 6?104 Ки. Зараженность земель определится как 60000 Ки/36000 км2 = 1,66 Ки/км2. (На территории ряда регионов России, где зараженность земель радиоцензием превышает 1 Ки/кв.км, населению по законодательству положены льготы. Принимаются меры по снижению радиоцензия в сельхозпродукции и осуществляется ее радиационный контроль).

Задача № 2

а) Определить дозу, получаемую организмом человека (животного) от естественного фона радиации (NB+10) мкР/ч за сутки, месяц, год, 70 лет.

б) Определить мощность экспозиционной дозы от точечного источника кобальт-60 активностью (7 ? 104) Вк на расстоянии 1 см и 1 м и экспозиционную дозу за 8 часов.

а) - величина фона естественной радиации для NB=20

7 + 10 = 17 мкР/ч.

- доза за сутки:

17 мкР/ч ? 24 ч = 408 мкР = 0,41 мР = 0,41 мБэр

- доза за месяц:

0,41 мР ? 30 суток = 12.3 мР = 12.3 мБэр = 0,123мЗв

- доза за год:

12.3 мР ? 12 мес. = 147.6 мР = 0,15 Р = 0,15 Бэр

- доза за 70 лет:

0.15 Р ? 70 = 10.5 Р = 10.5 Бэр = 0.105 мЗв

Примечание, предел дозы для населения (без учета естественного фона и рентгенологических освидетельствований) нормами радиационной безопасности НРБ 75/87 установлен в 0,5 Бэр/год, а НРБ-96 с 1.01.2000 г. снижают ее до 0,1 Бэр/год (0,001 Зв/год).

б) - активность источника кобальт-60 для NB=7 составит

7 ? 104 Бк = 0.7 ? 105 Бк.

- мощность экспозиционной дозы определяется по соотношению:

Р = (3)

где Р - мощность экспозиционной дозы в Р/ч,

А - активность источника в миллкюри (мКи)

R - расстояние от источника в см,

К? - полная гамма-постоянная источника (Р/ч ? см2/мКи)

для кобальта-60 К? = 13,2 Р/ч ? см2/мКи

- определяем активность источника в мКи

т.к. 1 Бк = 2,7 ? 10-8 мКи, то

0.7 ? 105 Бк = 0.7 ? 105 ? 2,7 ?10-8 мКи = 1.89 ? 10-3 мКи

- мощность дозы на расстоянии 1 см

Р = 71,3 ? 10-3 Р/ч = 71,3 мР/ч

- доза за 8 часов: 71,3 ? 8 = 570 мБэр

- мощность дозы на расстоянии 1 м

Р = = 71,31 ? 10-7 Р/ч = 7,13 мкР/ч

- доза за 8 часов: 7,13 мкР/ч ? 8 = 57 мкБэр = 0,57 мкЗв

Задача № 3

Какое количество РВ окажется в ЖКТ КРС и какую степень лучевой болезни получит стадо КРС, находящиеся на пастбище после выпадения радиоактивного осадка, если намерения на «чистой» местности рентгенометром ДП-5В в левой голодной ямке показали мощность дозы (NB) (Р/ч).

Для решения воспользоваться соотношением:

Мощность дозы в левой голодной ямке, Р/ч	Количество РВ в ЖКТ, Кюри	Доза, рад	Степень лучевой болезни
1 - 2	1 - 2	150 - 200	Легкая
2 - 6	2 - 6	200 - 400	Средней тяжести
6 - 14	6 - 14	400 - 600	Тяжелая
> 14	> 14	600 - 800	Крайне тяжелая

Задача № 4

Определить возможность использования молока и мяса (непосредственно для пищевых целей или на переработку), если измеренная прибором СРП-68-01 радиоактивность пробы молока составила Рпр = (NB/2 + 20) мкР/ч, мяса Рпр = (NB/5 + 20) мкР/ч. Радиационный фон в месте измерений составляет РФ = 20 мкР/ч. Допустимое содержание радионуклидов цензия-137 (объемная доля или удельная активность) по ВДУ-93 составляет в молоке 1 ? 10-8 Ки/кг (370 Бк/кг), в мясе 1,6 ? 10-8 Ки/кг (600 Бк/кг).

Методика решения задачи (NB = 11)

- активность (или удельная) определяется по соотношению

А = К (Рпр - РФ) Ки/л (кг),

где для молока К = 2 ? 10-9 ;

для мяса К = 6 ? 10-9

- радиоактивность пробы составит:

для молока

Рпр = (NB/2 + 20) = (11/2 + 20) = 25,5 мкР/ч

для мяса

Рпр = (NB/2 + 20) = (11/5 + 20) = 22,5 мкР/ч

- активность для молока

А = 2 ? 10-9 (25,5 - 20) = 1,1 ? 10-8 Ки/л (407 Вк/кг).

Непосредственно для пищевых целей молоко не пригодно. Отправить на переработку (на сливочное масло, сгущенное или сухое молоко).

- Активность для мяса

А = 6 ? 10-9 (22 - 20) = 1,32 ? 10-8 Ки/л (488 Вк/кг).

Мясо пригодно непосредственно для пищевых целей.

Задача № 5

Какую дозу получат работники радиологического отдела областной ветлаборатории за 8 часовой рабочий день от точечного источника радиации (кобальт - 60) с мощностью дозы 1 Р/ч, помещенной в свинцовый контейнер с толщиной стенки (3 + Nв/10) см, находящегося в отдельной комнате с толщиной кирпичной стенки 25 см. Расстояние (R) до контейнера равно 1 м.

Методика решения задачи (для Nв = 21).

- для NB = 21 толщина свинцовой стенки составляет

3 + 21/10 = 5,1 см

- коэффициент ослабления радиации толщей какого-либо материала

- слой половинного ослабления

для свинца = 1,2 см,

для кирпичной кладки = 8,7 см

- общий коэффициент ослабления радиации

К = R2 ? Косл. св. ? Косл. кирп. = 1002 ? 25,1/1,2 ? 225/8,7 = 1,39 ? 106

- доза за 8 часовой рабочий день составит

Д = 5,75 мкР.

Размещено на Allbest.ru