Строение атома. Пути миграции радионуклидов в окружающей среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГУ ВПО Уральская государственная сельскохозяйственная академия

Контрольная работа

по Радиобиологии

г. Екатеринбург 2011г.

Строение атома

атом радионуклид ионизирующее излучение

Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малых размеров (10?13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом оказывается электрически нейтральным.

В среднем размер целого атома принимается равным 10?8см. Следовательно, ядро атома приблизительно в 100000 раз меньше атома.

Открытия о строении атома и атомного ядра относятся к началу XX века. В 1911г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Первые сведения о структуре ядра получены в 1919г., когда в составе ядра открыли протоны. Нейтроны были открыты в 1932г. После этого структура атома окончательно определилась. Согласно современным представлениям, любой атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Характеристика элементарных частиц

Элементарная частица в свободном состоянии характеризуется такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или отсутствие заряда), устойчивость и другие свойства. Протон и электрон относятся к так называемым совершенно устойчивым и стабильным частицам, тогда как нейтрон является стабильным, лишь находясь в ядре.

Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы (физическую) принята 1/12 массы изотопа атома углерода 6С12. Одна атомная единица массы равняется 1,66*10?27 кг.

Энергию в ядерной физике выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая частица вещества, имеющая заряд) при про­хождении электрического поля с разностью потенциалов в 1 вольт.

Обычно пользуются кратной электрон-вольту единицей - мегаэлектронвольт (Мэв), равной миллиону эв (1 Мэв--106 эв).

Энергетический эквивалент 1 а. е. м. составляет 931,14 Мэв (или 14,84*Ю?4 эрг). Электрон - устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а. е. м., энергетический эквивалент которой составляет 0,511 Мэв. Электрон (символ-е) несет один элементарный отрицательный заряд электричества - 1,602-10?19 кулона. Отрицательно заряженные электроны находятся на относительно очень больших расстояниях (10?8 см) вокруг атомного ядра и образуют оболочку атома. Электроны удерживаются в области атома электромагнитными силами притяжения, действующими на них со стороны положительно заряженного ядра. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.

Электроны могут двигаться в атоме по орбитам вполне определенного радиуса. Если электронов три и больше, то они вращаются на орбитах разных радиусов или, как говорят, на разных уровнях. Орбиты группируются в определенные электронные слои, окружающие ядра, создавая его оболочку. Таких слоев максимально может быть семь. Электронные слои принято обозначать (начиная с ближайшего к ядру слоя) буквами K,L,M,O,P,Q. Соответственно числу электронных слоев в периодической системе все элементы размещаются в семи периодах.

Наибольшее количество электронов, которое может находиться в одном слое, определяется квантовым соотношением т = 2п2, где п - главное квантовое число, которое является и номером слоя (п=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). Следовательно, в К-слое (п=1) может находиться максимум 2 электрона, в L-слое (п-2) -- 8 электронов, М-слое (п-3) - 18 электронов и т.д. Общее число электронов в атоме равно положительному, заряду ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии атом в целом электрически нейтрален. Чем ближе к ядру вращается электрон, тем больше его энергия связи с ядром (потенциальная энергия), а уровень энергии вращения (кинетическая энергия) меньше. Поэтому электроны с внешней орбиты, где их энергия связи не превышает 1-2 эв, сорвать легче, и они на внешних орбитах легче, чем на других орбитах, взаимодействуют с окружающей средой, обусловливая важнейшие свойства вещества - его электропроводность, валентность и др.

Перескок отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии. Однако орбиты имеют определенные диаметры, поэтому изменения энергии при перескоках не могут иметь любое значение, а совершаются ступенчато, определенными порциями.

Атомное ядро - это положительно заряженная центральная часть атома, в которой находится основная его масса. Почти вся масса атома (99,95 - 99,98%) сосредоточена в его ядре, которое вследствие огромной плотности занимает примерно лишь одну стотриллионную часть объема. Размеры атомного ядра ничтожно малы (10?13 - 10?12 см) по сравнению с размером атома (10?8 см). Плотность атома составляет 2*1014 г/см3, или 200 млн. тонн в 1 см3, т.е. ядерное вещество в 2*1014 раз тяжелее воды.

Атомное ядро несет заряд положительного электричества и состоит из протонов и нейтронов.

Протон - элементарная частица любого атомного ядра. Масса покоя протона составляет 1,6724-10?27 кг или в относительных единицах 1,007825 а.е.м., т.е. в 1836,13 раза больше массы электрона. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона, т.е. элементарному заряду = 1,6009 * 10?19 кулона. Символ протона - латинская буква р.

Число протонов в ядре (Z) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Поэтому порядковый или атомный номер элемента является синонимом числа протонов. Так как каждый протон несет элементарный положительный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных зарядов в ядре. Число электронов в оболочке атома определяется числом протонов в ядре, а не наоборот, и химические свойства элементов определяются в конечном итоге числом протонов.

Нейтрон - другой вид ядерных частиц всех элементов. Его нет лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Масса покоя нейтрона немного больше массы протона и составляет 1,6748-10?27 кг, или 1,009665 а.е.м., т.е. больше массы электрона в 1838,7 раза. В отличие от протона нейтрон не имеет заряда, он электрически нейтрален. Символ нейтрона -- латинская буква п.

В атомном ядре нейтроны являются стабильными, а в свободном состоянии они неустойчивы. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же элемента может колебаться, поэтому число нейтронов в ядре (N) не характеризует элемент.

Общее название протонов и нейтронов - нуклоны

Нуклоны удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы гораздо (раз в 100) сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживают внутри ядра, одноименно заряженные протоны. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях (10?13см). При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны. Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра, которая при некоторых превращениях частично высвобождается, переходит в кинетическую энергию.

Как указывалось, заряд (Z) атомного ядра любого химического элемента определяется числом протонов в ядре и равен атомному номеру элемента. Массу атома (А) практически принимают равной массе ядра, так как масса электронов весьма мала. Но масса ядра слагается из масс всех нуклонов, входящих в ядро, следовательно, сумма чисел протонов Nр и нейтронов NП должна быть равна массовому числу атома, т.е. целому числу А, ближайшему к атомному весу.

Таким образом, число нейтронов в атомном ядре элемента равно разности между массовым числом и атомным номером элемента: NП=А-Z. В принятой в настоящее время транскрипции атомные ядра химических элементов обозначают символом ZХА, где X - символ элемента, А - массовое число, Z - атомный номер.

Простейшим ядром является ядро атома водорода, оно состоит из одного протона. Его заряд и массовое число соответственно равны единице 1Н1.

Следующий за водородом в периодической системе элемент гелий имеет более сложное ядро, состоящее из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов 2Не4.

Изотопы

Ядра атомов, принадлежащих одному и тому же химическому элементу, всегда имеют одинаковое количество протонов, но могут содержать разное число нейтронов. Эти атомы имеют одинаковые химические свойства, но различаются по массе. Такие атомы одного элемента, обладающие различной массой, называются изотопами. Ядра этих атомов имеют одинаковый заряд. В периодической системе элементов Менделеева изотопы одного элемента помещаются в одной и той же клетке; термин «изотоп» означает «занимающий то же место».

Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь от двух до десяти (олово) изотопов, причем в смеси изотопов одного и того же элемента обычно преобладает какой-либо один изотоп, а остальные составляют лишь небольшой процент. Например, известны изотопы кислорода 8О16 и 8О18. Первый изотоп значительно больше распространен в природе, чем второй. В природной смеси на долю первого изотопа приходится приблизительно 99,7%, на долю второго - 0,2% (0,1% приходится на долю других изотопов кислорода). Ядро О18 содержит на два нейтрона больше, чем ядро О16.

Азот представлен в природе двумя основными изотопами: 7N14 - 99,6% и 7N15 - 0,4%; водород также состоит из двух изотопов: протия 1Н1-99,984% и дейтерия 1Н2 - 0,016%. Природный калий состоит из трех изотопов: К39, К40 и К41, а процентное содержание их соответственно равно 93,08; 0,0119 и 6,91.

Атомы, принадлежащие к различным элементам и имеющие ядра с соответственно разными зарядами, могут иметь одинаковое массовое число. Так, например, один из изотопов фосфора имеет массовое число 32 - 15Р32. Такое же массовое число имеет и один из изотопов серы 16S32. Атомы, ядра которых имеют одинаковые массовые числа, но разные заряды и, следовательно, различные свойства, называются изобарами.

Различают стабильные изотопы - изотопы, ядра которых устойчивы и в обычных условиях неизменяемы, и радиоактивные изотопы, ядра которых распадаются, образуя при этом ядра атомов Других элементов. Для атомов, отличающихся составом ядра, употребляется название «нуклиды», а для радиоактивных атомов - «радионуклиды».

Разные типы атомных ядер отличаются друг от друга числом содержащихся в них протонов и нейтронов. В легких ядрах число протонов примерно равно числу нейтронов, в тяжелых ядрах протонов примерно 40%, а нейтронов - 60%. Ядра легких элементов, которые находятся в начале периодической системы и состоят из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов, наиболее устойчивы. У более тяжелых элементов, расположенных в конце! периодической системы (после свинца), ядра состоят из большого числа нуклонов (с преобладанием нейтронов). Ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Эти ядра могут самопроиз-1 вольно распадаться, превращаясь в ядра более легких элементов. Такое явление называется естественной радиоактивностью. Первыми были открыты радиоактивные элементы, расположенные в конце периодической системы элементов Менделеева - уран (U), торий (Тh), полоний (Ро), радий (Rа).

Природная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках земли - литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере. Сохранившиеся на нашей планете радиоактивные элементы условно могут быть разделены на три группы.

1. Радиоактивные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран (U238), торий (Th232) и актиний-уран (AcU235).

2. Генетически не связанные с ними радиоактивные элементы: калий (К40), кальций (Ca48), рубидий (Rb87) и др.

3. Радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на земле в результате ядерных реакций, под воздействием космических лучей. Наиболее важные из них - углерод (С14) и тритий (Н3).

Естественные радиоактивные вещества широко распространены во внешней среде. Это в основном долгоживущие изотопы с периодом полураспада 108-1016 лет. В процессе распада они испускают частицы, а также лучи.

Главным источником поступающих во внешнюю среду естественных радиоактивных веществ, к настоящему времени широко распространенных во всех оболочках земли, являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты. Благодаря деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, происходящих непрерывно, радиоактивные вещества подверглись широкому рассеиванию.

Естественная радиоактивность растений и пищевых продуктов обусловлена поглощением ими радиоактивных веществ из окружающей среды. Из естественных радиоактивных веществ наибольшую удельную активность в растениях составляет К40, особенно в бобовых растениях. Многие наземные растения, особенно водоросли, обладают способностью концентрировать в своих тканях радий из почв и воды, некоторые накапливают уран. Анализы различных продуктов питания показали, что радий постоянно присутствует в хлебе, овощах, мясе, рыбе и других продуктах питания.

Сельскохозяйственные животные за свою жизнь поедают растительные корма с больших площадей. Вместе с кормом в их организм поступают радиоактивные продукты деления, которые в небольших количествах не приводят к регистрируемым поражениям организма. В животных организмах К40 обычно содержится меньше, чем в растениях. U238, Th232 и С14 по сравнению с К40 встречаются в биологических объектах в очень незначительных концентрациях.

Пути миграции радионуклидов в окружающей среде

Радиоактивные вещества попадающие в атмосферу, в конечном счёте концентрируются в почве. Через несколько лет после радиоактивных выпадений на земную поверхность поступления радионуклидов в растения из почвы становится основным путём попадания их в пищу человека и корм животным. При аварийных ситуациях, как показала авария на Чернобыльской АЭС, уже на второй год после выпадений основной путь попадания радиоактивных веществ в пищевые цепи - поступление радионуклидов из почвы в растения.

Радиоактивные вещества, попадающие в почву, могут из неё частично вымываться и попадать в грунтовые воды. Однако почва довольно прочно удерживает попадающие в неё радиоактивные вещества. Поглощение радионуклидов обуславливает очень длительное (в течение десятилетий) их нахождение в почвенном покрове и непрекращающееся поступления в сельскохозяйственную продукцию. Почва как основной компонент агроценоза оказывает определяющее влияние на интенсивность включения радиоактивных веществ в кормовые и пищевые цепи.

Поглощение почвами радионуклидов препятствует их передвижению по профилю почв, проникновению в грунтовые воды и в конечном счёте определят их аккумуляцию в верхних почвенных горизонтах.

Механизм усвоения радионуклидов корнями растений сходен с поглощением основных питательных веществ - макро и микроэлементов. Определённое сходство наблюдается в поглощении растениями и передвижения по ним стронция - 90 и цезия - 137 и их химических аналогов - кальция и калия поэтому содержание данных радионуклидов в биологических объектах иногда выражают по отношению к их химическим аналогам, в так называемых стронциевых и цезиевых единицах.

Радионуклиды Ru - 106, Ce - 144, Co - 60 концентрируются преимущественно в корневой системе и в незначительных количествах передвигаются в назёмные органы растений. В отличие от них стронций - 90 и цезий - 137 в относительно больших количествах накапливаются в наземной части растений.

Радионуклиды, поступившие в подземную часть растений, в основном концентрируются в соломе (листья и стебли), меньше - в мягкие (колосья, метёлки без зерна. Некоторые исключения из этой из этой закономерности составляет цезий, относительное содержание которого в семенах может достигать 10 % и выше общего количества его в надземной части. Цезий интенсивно передвигается по растению и относительно в больших количествах накапливается в молодых органах, чем очевидно вызвана повышенная концентрация его в зерне.

В общем накопление радионуклидов и их содержание на единицу массы сухого вещества в процессе роста растений наблюдается такая же закономерность, как и для биологически важных элементов: с возрастом растений в их надземных органах увеличивается абсолютное количество радионуклидов и снижается содержание на единицу массы сухого вещества. По мере увеличения урожая, как правило, уменьшается содержание радионуклидов на единицу массы.

Из кислых почв радионуклиды поступают в растения в значительно больших количествах, чем из почв слабокислых, нейтральных и слабо щелочных. В кислых почвах повышается подвижность стронция - 90 и цезия - 137 снижается прочность их растениями. Внесение карбонатов кальция и калия или натрия в кислую дерново-подзолистую почву в количествах, эквивалентных гидролической кислотности, снижает размеры накопления долгоживущих радионуклидов стронция и цезия в урожае.

Существует тесная обратная зависимость накопления стронция - 90 в растениях от содержания в почве обменного кальция (поступление стронция уменьшается с увеличением содержания обменного кальция в почве).

Следовательно, зависимость поступления стронция - 90 и цезия -137 из почвы в растения довольно сложная, и не всегда её можно установить по какому-либо одному из свойств, в разных почвах необходимо учитывать комплекс показателей.

Пути миграции радионуклидов в организм человека различны. Значительная их доля поступает в организм человека по пищевой цепи: почва > растения >сельскохозяйственные животные > продукция животноводства > человек.

В принципе радионуклиды могут поступать в организм животных через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и поверхность кожи. Если в период радиоактивных выпадений крупных рогатый скот находится на пастбище, то поступление радионуклидов может составить (в относительных единицах): через пищеварительный канал 1000, органы дыхания 1, кожу 0,0001. Следовательно, в условиях радиоактивных выпадений основное внимание должно быть обращено на максимально возможное снижение поступления радионуклидов в организм сельскохозяйственных животных через желудочно-кишечный тракт.

Так как радионуклиды поступая в организм животных и человека могут накапливаться и оказывая неблагоприятное воздействие на здоровье и генофонд человека необходимо проводить мероприятия, снижающие поступление радионуклидов в сельскохозяйственные растения, снижение накопления радиоактивных веществ в организмах сельскохозяйственных животных.

Влияние ионизирующих излучений на организм

Основное действие всех ионизирующих излучений на организм сводится к ионизации тканей тех органов и систем, которые подвергаются их облучению. Приобретенные в результате этого заряды являются причиной возникновения несвойственных для нормального состояния окислительных реакций в клетках, которые, в свою очередь, вызывают ряд ответных реакций. Таким образом, в облучаемых тканях живого организма происходит серия цепных реакций, нарушающих нормальное функциональное состояние отдельных органов, систем и организма в целом. Есть предположение, что в результате таких реакций в тканях организма образуются вредные для здоровья продукты - токсины, которые и оказывают неблагоприятное влияние.

При работе с продуктами, обладающими ионизирующими излучениями, пути воздействия последних могут быть двоякими: посредством внешнего и внутреннего облучения. Внешнее облучение может иметь место при работах на ускорителях, рентгеновских аппаратах и других установках, излучающих нейтроны и рентгеновские лучи, а также при работах с закрытыми радиоактивными источниками, то есть радиоактивными элементами, запаянными в стеклянные или другие глухие ампулы, если последние остаются неповрежденными. Источники бетта- и гамма-излучений могут представлять опасность как внешнего, так и внутреннего облучения. aльфа-излучения практически представляют опасность лишь при внутреннем облучении, так как вследствие весьма малой проникающей способности и малого пробега альфа-частиц в воздушной среде незначительное удаление от источника излучения или небольшое экранирование устраняют опасность внешнего облучения.

При внешнем облучении лучами со значительной проникающей способностью ионизация происходит не только на облучаемой поверхности кожных и других покровов, но и в более глубоких тканях, органах и системах. Период непосредственного внешнего воздействия ионизирующих излучений - экспозиция - определяется временем облучения.

Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивных веществ внутрь организма, что может произойти при вдыхании паров, газов и аэрозолей радиоактивных веществ, занесении их в пищеварительный тракт или попадании в ток крови (в случаях загрязнения ими поврежденных кожи и слизистых). Внутреннее облучение более опасно, так как, во-первых, при непосредственном контакте с тканями даже излучения незначительных энергий и с минимальной проникающей способностью все же оказывают действие на эти ткани; во-вторых, при нахождении радиоактивного вещества в организме продолжительность его воздействия (экспозиция), не ограничивается временем непосредственной работы с источниками, а продолжается непрерывна до его полного распада или выведения из организма. Кроме того, при попадании внутрь некоторые радиоактивные вещества, обладая определенными токсическими свойствами, кроме ионизации, оказывают местное или общее токсическое действие.

В организме радиоактивные вещества, как и все остальные продукты, разносятся кровотоком по всем органам и системам, после чего частично выводятся из организма через выделительные системы (желудочно-кишечный тракт, почки, потовые и молочные железы и др.), а некоторая их часть отлагается в определенных органах и системах, оказывая на них преимущественное, более выраженное действие. Некоторые же радиоактивные вещества (например, натрий - Na24) распределяются по всему организму относительно равномерно. Преимущественное отложение различных веществ в тех или иных органах и системах определяется их физико-химическими свойствами и функциями этих органов и систем.

Комплекс стойких изменений в организме под воздействием ионизирующих излучений называется лучевой болезнью. Лучевая болезнь может развиться как вследствие хронического воздействия ионизирующих излучений, так и при кратковременном облучении значительными дозами. Она характеризуется главным образом изменениями со стороны центральной нервной системы (подавленное состояние, головокружение, тошнота, общая слабость и др.), крови и кроветворных органов, кровеносных сосудов (кровоподтеки вследствие ломкости сосудов), желез внутренней секреции.

В результате длительных воздействий значительных доз ионизирующего излучения могут развиваться злокачественные новообразования различных органов и тканей, которые: являются отдаленными последствиями этого воздействия. К числу последних можно отнести также понижение сопротивляемости организма различным инфекционным и другим заболеваниям, неблагоприятное влияние на дегородную функцию.

Список используемой литературы

1. Автор: Ярмоненко, С.П.; Вайнсон, А.А. Издание: М.: Высшая школа, 2004

2. Анненков Б.Н., Юденцева Е.В. Основы сельскохозяйственной радиологии. - М.: Агропромиздат, 1991.

3. Белов А.Д., Киршин В.А. Ветеринарная радиобиология. - М.: Агропромиздат, 1987.

4. Белов А.Д., Косенко А.С., Пак В.В. Радиационная экспертиза объектов ветеринарного надзора. - М.: Колос, 1995.

5. Карташов П.А., Киршин В.А., Ильин В.Г. Лучевая болезнь сельскохозяйственных животных. - М.: Колос, 1978.

6. Киршин В.А, Бударков В.А. Ветеринарная противорадиационная защита. - М.: Агропромиздат, 1990.

7. Рябочкин В.М., Назаренко Г.И. Медицина катастроф. - М.: «ИНИ Лтд», 1996.

Размещено на Allbest.ru