Радіоактивний розпад хімічних елементів. Вплив радіації на живі організми

Тема: Радіоактивний розпад хімічних елементів. Вплив радіації на живі організми.

Мета: ознайомити учнів з радіоактивним розпадом хімічних елементів, його значенням у природі та техніці, з впливом радіації на живі організми. Формувати зважене ставлення до проблеми радіоактивного забруднення навколишнього середовища, розуміння  необхідності комплексного підходу до її вирішення.

Обладнання: друкована  інформація  для  роботи  в  групах,  схеми, таблиці, моделі ядер атомів Карбону та Урану.     

ХІД  УРОКУ

І. Психологічний момент.

Учитель.

                 Не пізнаю – ні зблизька, ні здаля,

                 Це ти, Маріє, знов ідеш за гробом?

                 Тепер тут зона, а була земля.

                 Тут був чорнозем,  а  тепер – Чорнобиль.

                               Б.  Олійник “Чорнобильська  мадонна”

Для мільйонів українців слово “радіація” стало синонімом слова “Чорнобиль”. Чорнобиль… Його попіл стукає в наші  серця. Гадаю, тема нашого уроку не залишить байдужим нікого.

ІІ. Проблема уроку.

Учитель пропонує два варіанти девізу  уроку:

І. “Ворога необхідно знати в обличчя. Знати – значить перемогти!”

                                                                  академік  А. Н. Несмєянов

ІІ. “Розум є здатність використовувати сили навколишнього світу без руйнування цього світу“.                        письменники-фантасти брати  Стругацькі

Проблемне запитання:

Який з двох висловів доцільніше обрати девізом уроку? Для цього слід з'ясувати: чим, на вашу думку, є для нас радіація – ворогом, страшною небезпекою, якої слід уникати, чи могутньою силою, якою людина може і повинна  користуватися?

ІІІ. Вивчення та закріплення нового матеріалу.

Світ навколо нас єдиний і неподільний. Для зручності вивчення людина розподілила його на окремі галузі знань. Але для вирішення багатьох проблем необхідний синтез відомостей різних наук. Так, питання радіоактивного розпаду елементів цікавить фізиків та хіміків, медиків та біологів, психологів та соціологів. Тому, знайомлячись з даним явищем природи, ми використаємо відомості не лише хімії,  але й фізики, медицини, біології.

1. Поняття про радіоактивний розпад хімічних елементів (розповідь, бесіда)

ХІХ століття іноді називають “віком фізики”, саме в цій області знань були зроблені найважливіші відкриття.

За чотири роки до початку ХХ століття французьким  вченим Анрі Бекерелем було відкрито здатність сполук Урану випускати невідомі промені. Це явище дістало назву радіоактивності (від латинського radius – промінь) . 

Як виявилося згодом, явище радіоактивності досить поширене в природі. Для того, щоб зрозуміти зміст поняття “радіоактивність“, звернемося до знань про будову атома.

- Яку будову має атом?

                 ( атом складається з ядра, навколо якого рухаються електрони)  

- Яку будову має ядро атома?

                 (ядро атома складається з протонів та нейтронів)

- Який заряд мають протони, нейтрони, електрони, який заряд має ядро?

                 ( р  – +1; n – 0; е –  -1;  ядро заряджене позитивно)

Негативно заряджені електрони притягуються до ядра за допомогою електростатичних сил. Сили ці добре вивчені і широко використовуються людиною. Коли ми вмикаємо світло, або будь-який електричний прилад, ми використовуємо енергію руху електронів.

Але яка сила тримає вкупі протони ядра – заряджені позитивно, і нейтрони – частинки, які не мають заряду? Про природу ядерних сил ми не маємо точних даних, відомо лише, що вони в мільйони, сотні мільйонів разів більші, ніж електростатичні.

Але іноді навіть величезні ядерні сили не можуть утримати ядерні частинки. Ядро  розпадається на осколки – відбувається ядерна реакція.

Розглянемо моделі ядер атомів Карбону та Урану (моделі можуть виготовити самі  учні з пластиліну, бісеру, гороху тощо).

- Чому для виготовлення моделі ядра ви використовували матеріал двох кольорів?

 (бо ядра атомів складаються з двох видів  частинок – протонів та  нейтронів)

- Як визначити кількість протонів і нейтронів, що входять до складу ядра атома?

(кількість протонів дорівнює порядковому  номеру  елемента, кількість нейтронів – різниці відносної атомної маси елемента та його порядкового номера).

- З  якої  кількості  частинок складаються  ядра  атомів  Карбону та Урану?

(Карбон: протонів – 6, нейтронів – 6, усього 12частинок;

Уран: протонів – 92, нейтронів – 205,  усього  297 частинок).

-  Як ви гадаєте, яке з ядер більш схильне до розпаду: легкого елемента Карбону, чи важкого елемента Урану?

(учні висловлюють свої припущення) 

Дійсно, радіоактивний розпад більш характерний для важких елементів. Усі елементи з порядковими номерами більшими за 82 є радіоактивними. А Уран (порядковий номер 92) є найважчим з елементів, які зустрічаються в природі. Усі трансуранові елементи синтезовані штучно.

Радіоактивними можуть бути не лише важкі елементи, але й деякі нукліди легких  елементів з “незручними“ числами протонів та нейтронів, наприклад  ³ Н (тритій); ¹⁴С , ⁴⁰К.

2. Значення радіоактивного розпаду в природі, науці, техніці (повідомлення учнів)

“Радіоактивний розпад”, “радіація” – слова ці викликають негативне, навіть вороже ставлення.  І це є цілком зрозумілим у суспільстві, яке в недалекому минулому зіткнулося з найбільшою,  найстрашнішою в  світі  аварією  на  ЧАЕС.

Але, не можна забувати, що радіоактивний розпад елементів – одне  з фундаментальних явищ природи, без якого не було б ні людини – як найвисокоорганізованішої істоти на Землі, ні життя взагалі, ні самого Всесвіту, який, як стверджують учені, утворився в результаті радіоактивного вибуху.

Клас об’єднується у вісім груп. Кожна група отримує друковану інформацію про значення радіоактивного розпаду елементів. Необхідно ознайомитися з даною інформацією та на її основі зробити невелике повідомлення про значення радіоактивного розпаду в природі, науці, техніці.

       Друкована інформація для роботи в групах (скорочено)

1.      «ТЕОРІЯ ВЕЛИКОГО ВИБУХУ»

10 – 12 млрд. років тому Всесвіт наш мав розміри менші, ніж ядро атома   Гідрогену. В якому стані перебувала тоді матерія, важко навіть уявити, адже маса  цієї мікроскопічної частинки дорівнювала масі усіх планет, зірок, Галактик, що утворюють наш Всесвіт. Внаслідок Великого Вибуху вся ця енергія і маса вивільнилася. Синтезувалися хімічні елементи, вони створили речовини, з яких утворилися космічні тіла, в тому числі Сонце і Земля.

 А те, що Великий Вибух мав радіоактивну природу, доводить наявність космічного  випромінювання – потоку радіоактивних променів, що рухаються від центру Всесвіту в усі сторони.

Таким чином, можна стверджувати, що наш Всесвіт утворився в результаті радіоактивного  вибуху.

2.      «ГАРЯЧЕ СЕРЦЕ ЗЕМЛІ»

Що є джерелом тепла на нашій планеті?  Сонце, скаже кожен. Але Сонце – не єдине природне джерело тепла на Землі. Порівнявши середню температуру на поверхні Землі та Місяця, помітимо  суттєву різницю: +6°С для Землі  і  -40°С для Місяця. Ця різниця має принципове значення: якщо температура  планети  знизиться нижче 0°С, замерзне Світовий океан, і життя на водній основі стане неможливим.

У чому ж причина відмінності температури Землі та Місяця, які знаходяться на однаковій відстані від Сонця?

Виявляється, крім сонячного тепла, поверхня Землі отримує енергію земних  глибин. Мантія Землі має температуру 1-2  тисячі  градусів, а ядро розжарене до 5  тисяч градусів, тобто має майже таку ж температур, що й поверхня Сонця.

Висока температура ядра Землі підтримується внаслідок радіоактивного розпаду хімічних елементів. Місяць має значно менші  розміри і процеси  радіоактивного розпаду тут практично припинилися.

3.      «МУТАЦІЇ – МАТЕРІАЛ ДЛЯ ЕВОЛЮЦІЇ».

Спадковість – одна з найцікавіших та найнезвичайніших властивостей життя.  Справді, чому організми схожі на своїх предків? Виявляється, що вся спадкова інформація  записана в  молекулах ДНК, які ми отримуємо від своїх батьків.  ДНК складається з окремих генів, кожен з яких відповідає за формування певної ознаки (колір шкіри, волосся, очей; зріст; група крові тощо). Сукупність усіх генів організму становить його генотип.

Мутації – спадкові зміни генотипу. У нормальних умовах частота мутацій незначна – окремий ген змінюється лише в однієї з 100000 особин, або раз на 100000 поколінь.

Радіація значно підвищує частоту мутацій. Ті з них, які дають переваги в  боротьбі за існування, закріплюються у потомстві. 

Таким чином, випадкові мутації є матеріалом для еволюції, радіація ж  збільшує частоту мутацій, а отже й темпи еволюції, в тисячі разів.

Колосальна швидкість еволюційного процесу: 4 млрд. років від амеби до  людини розумної, значною мірою зумовлюються наявністю на нашій планеті радіоактивного випромінювання.

4.      «СИНТЕЗ ШТУЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ»

Алхіміки мріяли отримати філософський камінь, що перетворював би неблагородні метали на золото. Довгий час здавалося, що ця мрія нездійсненна.  Але сучасна радіохімія не лише дає можливість перетворювати одні елементи на  інші, а, навіть, дозволяє створювати нові, раніше невідомі елементи.

Так, у 1937 році вперше було отримано елемент № 43, названий Технецієм. У 1940 році, опромінюючи Уран протонами, отримали два нових елемента: Нептуній і Плутоній. Усі трансуранові елементи створені в лабораторіях вчених.  Їх синтез має не лише наукове, але й практичне значення, наприклад: створення і утилізація ядерного палива.

5.      «ВИКОРИСТАННЯ РАДІАЦІЇ В МЕДИЦИНІ»

Радіонукліди використовуються в медицині для вивчення процесів, що відбуваються в організмі людини. Вводячи в кров невеликі дози радіоактивних нуклідів, можна спостерігати за особливостями кровообігу, швидкістю руху крові в окремих ділянках кровоносної системи, вивчати роботу серця.

Іще одна важлива галузь застосування радіонуклідів – діагностика та лікування онкологічних захворювань. Ракові клітини мають властивість нагромаджувати деякі радіонукліди. Їх невеликі дози вводять в кров, і на рентгенівському знімку пухлини з’являються у вигляді темних плям. А для лікування злоякісних новоутворень використовують так звану «кобальтову  гармату» – пухлину опромінюють радіоактивними променями, що випускаються радіонуклідами Кобальту.

6. «ВИКОРИСТАННЯ РАДІАЦІЇ В СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ»

Природний добір забезпечує виживання найбільш пристосованих до певних умов існування організмів. На відміну від нього, штучний добір – це відбір організмів з корисними для людини ознаками. У результаті штучного добору з’явилися різноманітні сорти сільськогосподарських рослин і породи тварин. 

Еволюція – процес досить повільний, відбувається на протязі мільйонів років. Людина не має скільки часу. Так само, як природний радіоактивний фон,  збільшуючи частоту мутацій, прискорив темпи еволюції,  використання  радіації  в сільському господарстві дозволило штучно підвищити рівень мутацій і, тим самим, прискорити процес штучного добору.

7.    «ВИКОРИСТАННЯ  РАДІАЦІЇ  В  АРХЕОЛОГІЇ»

У повітрі міститься радіоактивний нуклід Карбону ¹⁴С. Він утворюється в атмосфері під дією космічного випромінювання, і вміст його в повітрі є постійним. Живий організм, дихаючи атмосферним повітрям, засвоює з нього цей  нуклід. Після смерті організму, обмін речовин припиняється і вміст нукліду ¹⁴С поступово зменшується. Таким чином, порівнявши вміст ¹⁴С в повітрі і в рештках  організму, можна досить точно визначити вік останків живих організмів (рештки рослин, скелети тварин тощо).

     Для визначення віку гірських порід та мінералів радіовуглецевий метод непридатний. У цьому допоможе так званий «свинцевий  годинник». У зразку породи визначають вміст Плюмбуму, що утворився внаслідок розпаду нуклідів Урану. Таким чином було визначено і вік нашої планети. Він становить близько 5  млрд. років.

8.    «ВИКОРИСТАННЯ  РАДІАЦІЇ  В  АТОМНІЙ  ЕНЕРГЕТИЦІ»

У 1954 році в місті Обнінську дала струм перша в світі атомна електростанція. На вході в неї були викарбувані слова: «Хай буде атом робітником, а не солдатом!».

З тих пір у всьому світі стали до  ладу десятки атомних електростанцій.  Вони мають ряд переваг порівняно з тепловими: дають дешевшу електроенергію,  значно менше забруднюють довкілля, використовують набагато меншу кількість палива (1 кг Урану заміняє 2500  тонн антрациту).

В Україні працюють 4 атомні електростанції, які дають майже половину електроенергії країни.

Але результати аварії на АЕС можуть бути катастрофічними, що показали події 26 квітня 1986  року.

Учитель.

Відкриття та вивчення радіоактивного розпаду не  лише  розширили  знання  людини  про  світ, але й зробили її могутнішою. Століття мріяли алхіміки про філософський камінь, який може перетворити неблагородні метали в золото. Сучасний вчений здатний не лише перетворювати  свинець на золото, але може отримати елементи, раніше  невідомі  в  природі. Використовуючи енергію ядерних  реакцій, працюють АЕС, які дають біля половини електроенергії України.  Коли  ми  повністю  оволодіємо  ядерними  силами ,  то станемо  практично  всемогутні . 

Але радіація, як той джин з пляшки – може допомогти своєму повелителю, а може знищити його.

3. Вплив радіації на організм людини

Марія Склодовська-Кюрі. Кілька рядків присвячено їй у шкільному підручнику. Єдина жінка, що двічі нагороджувалася Нобелівською премією. Разом з чоловіком відкрила два нових елементи – Полоній,  який назвала на честь своєї батьківщини, і Радій, за дослідження якого отримала другу Нобелівську премію. І жодного слова про чотири роки каторжної праці в старому сараї, переобладнаному під лабораторію, про сотні тисяч дослідів, у результаті яких з 8 тон руди було отримано 0,1 г чистого Радію. 

Але, не лише про Радій і Полоній, не лише про дві Нобелівські премії нагадує нам ім'я цієї жінки. Послухайте уривок з спогадів про неї: 

«Я закриваю очі і чую, як пронизливо тріщить лічильник Гейгера. Він лежить поряд з дамськими рукавичками. Відвідувачі всесвітньої виставки в Брюсселі були вражені, побачивши ці рукавички, що прикривали виразки на тендітних жіночих руках. Півстоліття потому вони чули не запах вишуканих парфумів, що йшов від рукавичок, а  «голос» того самого радію, до якого сміливо доторкалися руки цієї жінки». Це була перша в світі людина, що захворіла на страшну, ще невідому тоді хворобу. Вона дістала назву променевої. 

Ознайомтеся з інформацією «Променева хвороба» та дайте відповіді на запитання.

Променева хвороба

Опромінення організму приводить до тяжкого його ураження. Сукупність порушень в роботі органів внаслідок радіоактивного опромінення організму  дістали назву променевої хвороби. 

Тяжкість перебігу хвороби залежить від двох факторів: дози опромінення і  фізичного стану організму. Так, при однаковому рівні опромінення діти хворіють важче, ніж дорослі. 

Є закономірність: вражаються молоді організми, клітини яких часто діляться. Це  стосується і різних тканин одного організму. Шкіра вражається значно частіше,  бо для епітеліальної тканини характерний швидкий поділ клітин, часто вражається і червоний кістковий мозок. А нервова система вражається лише при дуже значній дозі опромінення. 

Нервова форма променевої хвороби – найважча. Настає вона при дуже високій дозі опромінення – біля 200 бер. Смерть настає через 1-2 доби. Доза в 20-30 бер спричиняє  середньотяжкий перебіг хвороби.

Дози до 5 бер, як правило, клінічно не проявляються. Але необхідно знати, що не існує нешкідливих доз опромінення: навіть природний радіоактивний фон може призвести до порушень геному. Наслідок: мутації та злоякісні пухлини.

Запитання:

-  Що називають променевою хворобою?

-  Які клітини є найуразливішими до дії радіації?

-  Чому діти більш уразливі до дії опромінення, ніж дорослі?

-  Від чого залежить тяжкість перебігу хвороби?

-  Які органи та тканини вражаються найчастіше? Чому?

-  Чи існує безпечний рівень радіації?

Променеву хворобу викликає велика доза опромінення в 30-100 бер, яку можна отримати лише безпосередньо працюючи з  радіоактивними речовинами. Але і набагато менші дози можуть викликати небезпечні наслідки.

Вам, напевно відомий вираз: “Життя висить на волосинці“? Життя кожного з нас тримається на в сотні разів тоншій за волосинку подвійній спіралі ДНК. Саме вона регулює поділ клітин і передачу спадкової інформації. Порушення структури ДНК може привести до порушення поділу клітин і, як наслідку, злоякісних пухлин, або до змін в генотипі, що може викликати появу аномалій у майбутніх дітей.

Щодня в прогнозі погоди по радіо після звичних даних метеорологічних умов вказують і на рівень радіаційного фону. Як правило, він становить 12-13 мікрорентген за годину. Багато це, чи мало?

Визначимо, яку дозу опромінення отримає людина на протязі 70 років життя.  Якщо природний фон становить 12 мікрорентген за годину, то опромінення організму становитиме:

12 мікроР/год ´ 24 год ´ 365 діб ´ 70 років = 7,3 бер за життя (бер – біологічний еквівалент рентгена) .

 До природного радіаційного фону додається опромінення від будматеріалів, медичного обстеження, ядерної енергетики, тож на протязі життя середньостатистична людина отримує дозу опромінення в 25-30 бер. Для жителя України до цієї величини слід додати ще 5 бер – наслідок аварії на ЧАЕС.

Розглянемо  схему :                           

                          1генетична хвороба

1бер                                                                   на 10 000 населення

                          5 онкозахворювань                     

                           скорочення життя на 4-5 діб на 1 людину

Як зменшити негативний вплив радіації?

По-перше – це захист організму шляхом створення екрану між ним і джерелом опромінення. Від a та b випромінювання захистить навіть тонкий шар одягу чи взуття, від електромагнітного g  випромінювання захищають свинцеві щити чи бетонні стіни.

Наведу приклад: вчитель фізики з Білорусії в день аварії на ЧАЕС виявив значне підвищення рівня радіації за допомогою лічильника Гейзера, що знаходився в лабораторії, і закликав учнів не виходити з приміщення. Згодом виявилося, що цей елементарний захід безпеки врятував здоров’я дітей: жоден з них не захворів.

Але людина не може весь час жити в свинцевій оболонці, не може вдягнути свинцевий скафандр на корову, молоко якої вона п’є, і на траву, яку з’їсть та корова.

Запобігти накопиченню радіонуклідів в організмі дозволяють деякі харчові продукти та лікарські препарати.

Пропонуємо учням виконати наступне завдання, на основі інформації, отриманої з газет, перегляду телепрограм, розподілити продукти на дві групи: ті, які виводять радіонукліди з організму або запобігають їх накопиченню і ті, які можуть стати постачальниками радіоактивних речовин.

До першої групи відносяться: лікарські препарати вітамінів та мікроелементів, сир, овочі, відвари, чаї, яблука, лимони, плоди шипшини і чорної смородини.

До другої групи відносяться: дари природи (гриби, ягоди), кісткові бульйони, варені яйця (шкарлупа може містити радіоактивний стронцій, який при варінні переходить у білок), овочі і фрукти неприродно великих розмірів, кава (затримує радіонукліди в організмі).

Пропонуємо учням порівняти вплив радіації та шкідливих звичок на організм людини: у матерів, що зловживають алкоголем, ризик народження неповноцінних дітей у 5 – 35 разів більший, ніж у непитущих; ймовірність захворіти на рак легенів для курця у 15 разів більша, ніж у того, хто не палить.

У результаті віддалених наслідків аварії на ЧАЕС в Україні загинуло від 5 до 30 тисяч чоловік (це за весь період після аварії). А від зловживання алкогольними напоями щороку гине 100 тисяч чоловік, від куріння – 150 тисяч. Викурювання щодня 2 сигарет рівноцінне отриманню за життя 50 бер радіації (10 Чорнобилів!). 

IV. Узагальнення знань учнів.

Учитель.

Наше суспільство ще не визначилося у своєму ставленні до радіації. Чим є для нас радіація: другом, чи ворогом?

Кожен з вас має знайти власну відповідь на це запитання, яке сьогодні  хвилює  все людство. Щоб більш чітко визначити свою позицію, пропоную розв’язати таку фантастичну ситуацію: «Уявіть, що стало можливим звільнитися від радіації. Винайдено спосіб, який припинить радіоактивний розпад елементів і позбавить світ від радіації. Чи доцільно ним скористатися?»

Висловіть власну думку з цього приводу.

В процесі обговорення заповнюємо  таблицю :

«ЗА» припинення радіоактивного розпаду

«ПРОТИ» припинення радіоактивного розпаду

- значно знизиться рівень мутацій та онкозахворювань; - зникне загроза атомної війни; - зменшиться небезпека появи нових мутантних форм вірусів, бактерій; - зникне небезпека радіоактивного забруднення довкілля.

- планета охолоне і все живе загине; - сповільняться процеси еволюції; - закриються всі АЕС; - археологи, геологи, палеонтологи втратять можливість визначати вік знахідок; - селекціонери не зможуть виводити нові сорти рослин, породи тварин; - лікарі не матимуть змоги використовувати  радіонукліди для лікування та діагностики хвороб; - можуть припинитися термоядерні  процеси, тоді погасне і Сонце, і всі зорі Всесвіту.

Звертаємося до проблемного запитання, заданого на початку уроку і з’ясовуємо, чи не змінилася думка учнів про значення радіоактивного розпаду в житті людини.

Учитель.

Аварія на ЧАЕС вважалася неймовірною: система захисту на АЕС така, що здатна сама, без втручання людини, запобігти аварії. В перші дні після катастрофи вчені не могли пояснити: що ж сталося. Лише пізніше з’ясувалося: ще 25 квітня систему аварійного охолодження було відключено – мав проводитися експеримент. Але випробування затримали на кілька годин, станція продовжувала працювати в звичному режимі з вимкненою системою аварійної безпеки! Причина аварії – не радіоактивний розпад – одна з могутніх сил природи, а злочинне   недбальство, свідоме порушення вимог безпеки, неуцтво та безвідповідальність.  Саме  вони призвели до таких тяжких наслідків.

Лише від нас залежить, чим буде для нас радіоактивний розпад хімічних елементів – другом чи ворогом. Від нашої відповідальності та моральності. Від наших знань та рівня компетентності.

V. Домашнє завдання.

Опрацювати  § 44 .

Виконати творчу робота: “Радіація – друг“, або “Радіація – ворог“ (міні-оповідання, вірш, памфлет, плакат тощо).

Поміркуйте:

У трилогії “Королеви не мають ніг“ Володимир Нефф висловив цікаву думку: філософський камінь середньовічних алхіміків був не чим іншим, як каталізатором ядерної реакції. Що ви думаєте з цього приводу?