Храмалюк Вікторія
Науковий керівник: д.п.н., професор Вовкотруб В.П.
Кіровоградський державний педагогічний університет
імені Володимира Винниченка
В статті порушується проблема ширшого експериментального відображення питань радіоактивності і радіоактивного випромінювання через приділення в змісті експериментальних завдань питань оцінки і дослідження кількісних характеристик радіоактивних джерел та захисту від нього.
Ключові слова: електромагнітний смог, характеристики електромагнітного випромінювання, дозиметри, мобільний телефон.
Актуальність. Широке використання сучасних електронних засобів тісно пов’язане з зростанням рівня йонізуючого випромінювання в різних галузях, а також в побуті. Тож виконання завдань щодо оцінки і дослідження кількісних характеристик радіоактивних джерел варте особливої уваги в плані впровадження в навчально-виховний процес як в основній, так і старшій та вищій школі. Дослідження і реєстрація йонізуючих випромінювань та методи захисту від них мають бути ефективно здійснені кожним учнем. Проте для цього необхідне відповідне матеріальне забезпечення. Традиційно таким слугували індикатори частинок на основі газорозрядної трубки Гейзера-Мюллера [5, с. 229-233]. Проте останніх практично в шкільних фізичних кабінетах нині не лишилось. Натомість з’являються новіші моделі типу «Белла», «ТЕРРА-П», «Нейва».
Мета: Навести варіанти методичних розробок щодо вирішення проблеми належного експериментального відображення змісту питань з ядерної фізики і електродинаміки, показати результати щодо провадження новіших зразків радіометрів і саморобного обладнання для вирішення проблеми відповідно до вимог навчальних програм з фізики, зокрема через виконання лабораторної роботи «Вивчення йонізуючого випромінювання та його біологічної дії»у варіантах, запропонованих рядом авторів [1-4].
Виклад основного матеріалу. Основними частинами будь-якого дозиметра є детектор і вимірювальний пристрій. Такі дозиметри розраховані на вимірювання одного з видів йонізуючого випромінювання ( або їх комбінації. Наприклад, дозиметром типу «Белла» вимірюють електромагнітні види йонізуючих випромінювань (рентгенівського і гамма-випромінювань). Він може працювати в режимах «Пошук» та «Вимірювання». В режимі «Пошук» радіаційну обстановку оцінюють за частотою сигналів звукового індикатора: частота до двох сигналів за секунду відповідає нормальному радіаційному фону; більша частота вказує на підвищення рівня фону. У режимі «Вимірювання» результат висвічується на табло у вигляді цифр через 40 секунд після ввімкнення режиму. Показання на табло зберігаються ще 40 секунд. Після вони зникають і розпочинається наступний цикл вимірювань.
Зміст наведеного варіанта лабораторної роботи охоплює детальне ознайомлення і повторення теоретичних основ щодо різноманітних видів випромінювання, зокрема: експозиційною дозою квантового випромінювання, потужністю експозиційної дози квантового випромінювання, поглинутою дозою випромінювання, потужністю поглинутої дози випромінювання, еквівалентною дозою випромінювання та потужністю еквівалентної дози випромінювання.
У природних умовах на поверхні Землі та в повітрі потужних джерел такого випромінювання немає, а вірніше не було. Тому організм людини еволюційно не виробив здатності реагувати на потоки йонізуючого випромінювання, які перевищують природний фон.
Разом діяльність людини, на жаль, супроводжується суттєвими впливами на рівень радіаційного випромінювання в різні періоди в різних місцях і з різними перевищеннями доз опромінення. Тож на часі впровадження до експериментальних завдань даного напрямку не лише фіксування опромінення, а й особливо, а й попереджати про можливу небезпеку, вчити здійснювати захист від надмірного опромінення.
Вагомими є в даному відношенні доробки О.Желюка [3], якими окрім завдання вимірювання природного фону радіоактивного випромінювання та інтенсивності природних малоактивних джерел запропоновано виконання і інших вагомих завдань щодо дослідження залежності інтенсивності іонізаційного випромінювання від відстані до джерела та встановлення залежності поглинаючої здатності від роду речовини та їх товщини. Також варто відмітити, що для виконання таких завдань дослідником розроблений і запропонований лабораторний радіометр, який має безперечно більші можливості щодо запропонованих вимірювань, але разом з тим ще не впровадженим до навчального обладнання, а представлений як саморобний прилад, що не під силу виготовити кожному вчителю чи викладачеві.
В доробках О.Волинко пропонується значно розширити зміст і завдання роботи практикуму через глибше вивчення і дослідження біологічної дії йонізуючого вопромінювання. Запропоновано збільшення кількості вимірювань до 45, за результатами вибудовувати гістограму статистичного розподілу інтервалів за кількістю частинок, зареєстрованих лічильником та обчислення середньої густини потоку -частинок, середню потужність експозиційної дози -випромінювання та середню потужність його еквівалентної дози. До теоретичних відомостей внесено додаток з формулою Бойде [2, с. 13] для обчислення площі шкіряного покриву тіла людини.
Особливої уваги заслуговують пропозиції і доробки [4] щодо впровадження до навчального процесу навчання фізики в школі організації і виконання експериментального завдання «Дослідження випромінювання мобільного телефону». Основна мета виконання – дослідження досить небезпечного явища, яке називають електромагнітним смогом, яке супроводжує користування мобільним телефоном.
Нині кожна людина тісно пов’язана з використанням сучасних побутових приладів: екранами телевізорів і моніторів комп’ютера, музикальними центрами, мікрохвильовими печами мобільними і радіотелефонами тощо, які випромінюють в різних діапазонах. Мобільний телефон практично має кожна людина, починаючи з шкільного віку. Досліджено і доведено, що використання мобільних телефонів у віці до 16 років може негативно впливати на здоров’я. Це виникнення цілого ряду хвороб, які можуть привести до пошкодження ДНК. Відповідно заслуговують особливої уваги поради і вимоги, яких необхідно дотримуватись в процесі використання мобільних телефонів. Вирішення проблеми можливе за введення до процесу навчання електродинаміки відповідного експериментального завдання.
Матеріальне забезпечення потребує саморобного виготовлення простого приладу. Його схема ідентична до схеми детекторного радіоприймача і являє собою спаяні чотири напівпровідникові діоди за схемою містка, до однієї з діагоналей якого приєднують мультиметр (мілівольтметр або мікроампетметр), а до другої вітки – «вуса» дипольної антени. Діоди доцільно використати з найменшою власною ємністю, наприклад ГД507, Д311, Д18, Д20.
Сигнал, прийнятий дипольним містком від антени подається на мультиметр. Для збільшення чутливості мілівольтметр доцільно підключити безпосередньо до виводів містка. В разі ж якщо рівень прийнятого сигналу виходить за межі вимірювань, варто добрати і послідовно включити додатковий опір від 100 кОм до 1 МОм. Виконану схему приладу разом з припаяними провідниками варто заключити в пластиковий корпус чи шматок ізоляційної трубки.
Розміри «вусів» антени мають відповідати половині довжини хвилі. Для кожного варіанта мобільного телефону антену виготовляють індивідуально. Наприклад, для діапазону хвиль, частоти яких близькі до 3000 МГц довжина хвилі рівна 0,1 м. Відповідно довжина кожного плеча диполя має бути довжиною 5 см. Для короткохвильового діапазону випромінювання використовують V- подібні диполі, , плечі яких розведені під кутами 40 – 70 градусів. Для маніпулювання антеною варто використати ізольовану ручку (стрижень, трубку тощо) довжиною до 0,5 метра до верхнього кінця якої кріплять вузол антени.
Для досягнення мети виконання роботи теоретичні відомості мають охоплювати і певну основну інформацію про мобільні телефони, на яку недостатньо акцентовано уваги в підручниках і посібниках.
Мобільний (стільниковий) телефон – це пристрій який не лише приймає, а й генерує високочастотні електромагнітні хвилі з частотами від 900 до 1900 МГц. Антена телефону випромінює такі хвилі за всіма напрямками. Вплив на біологічний організм таких хвиль характеризується довжиною хвилі, частотою коливань, інтенсивністю, потужністю енергії випромінювання, а також глибиною їх проникнення в живі тканини.
Потужність випромінювання Pu визначається через потік енергії електромагнітної хвилі , пронизану площу S протягом часу t:
(1)
Для густини потоку енергії одержують
(2)
а загальний потік енергії електромагнітної хвилі охоплює електричну і магнітну її складові:
оскільки wе=wм.
Інтенсивність хвилі, як середнє в часі значення величини густини потоку енергії, розраховують за формулою
(3)
Напруженість електричного поля визначається за напругою U, наведеною електромагнітною хвилею в провіднику довжиною l
(4)
Підставивши останній вираз в попередній, знаходять величину інтенсивності випромінювання електромагнітної хвилі за формулою
(5)
Результатами визначеними вченими показано, що за інтенсивності випромінювання електромагнітної хвилі 1 – 10 мВт/см2 проявляються зміни в імунній системі людини. За інтенсивності 10 – 100 мВт/см2 спостерігаються термічні стреси. За інтенсивності більшої 100 мВт/см2 спостерігається теплове пошкодження та розвиток катаракти ока.
Глибину проникнення електромагнітної хвилі в біологічний організм оцінюють за формулою:
(6)
де провідність тканини, - магнітна проникність матеріалу тканини, - частота падаючої електромагнітної хвилі.
В процесі виконання роботи знімають не менше трьох показань U для кожної з трьох фіксованих відстаней для різних моделей мобільних телефонів, результати записують до таблиці. Потім розраховують довжину хвилі випромінювання за формулою , інтенсивність випромінювання за формулою (5) і глибину проникнення випромінювання в головний мозок людини за формулою (6). Одержані розрахунки порівнюють з санітарно-гігієнічними нормативами впливу електромагнітного випромінювання на організм людини, роблять висновки.
Висновки. Наведені в статті варіанти експериментальних завдань мають охоплюватись навчальними програмами, так як суттєво осучаснюють експериментальне відтворення навчального матеріалу, досить тісно пов’язаного з нинішнім станом проблем оточуючого середовища і його впливу на людський організм. Запропонована лабораторна робота є чи не найсучаснішим заходом наочного представлення учням наслідків і особливостей користування мобільним зв’язком. Виявлення несприятливих, інколи навіть руйнівних для організму, ефектів накопичувального характеру і дії слабких фізичних полів викликає велику зацікавленість не лише учнів і студентів, а й всього населення.
Список літератури
1. Бугайов О.І., Мартинюк М.Т. Вивчення іонізуючого випромінювання та його біологічної дії // Фізика та астрономія в школі. – 1998. - №3. – С. 36-37.
2. Волинко О.В. Вимірювання характеристик природного гамма-фону // Фізика та астрономія в школі. – 2005. - №4. – С. 10-13.
3. Желюк О.М. Лабораторний радіометр // Фізика та астрономія в школі. – 1999. - №3. – С. 49-52.
4. Рахматуллин М.Т. Прибор для исследования излучения мобильного телефона // Физика в школе. – 2010. - №7. - С. 53-56.
5. Фізичний практикум.: в 2-х ч./ Під заг. ред.. Дущенко В.П. – К.: Вища школа. Головне вид., 1984. – Ч. 2. – 256 с.