ИЗУЧЕНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы: познакомиться с явлением радиоактивности. Определить коэффициент поглощения гамма-излучения в веществе.

Оборудование: контейнер с препаратом, счетчик импульсов радиоактивного излучения.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Естественная радиоактивность – это явление самопроизвольного распада ядер с превращением одних ядер в другие. Распад ядер происходит с испусканием α-, β- частиц, некоторых других элементарных частиц и сопровождается электромагнитным γ -излучением. На явление радиоактивного распада не влияет ни тепловое, ни электрическое, ни другие воздействия. Это обусловлено тем, что энергия этих воздействий ничтожно мала по сравнению с энергией связи ядер (несколько МэВ).

Рассмотрим виды распада. При альфа - распаде из ядер вылетают α -частицы. Они обладают двойным положительным элементарным зарядом, а их масса составляет 4 атомных единицы. То есть это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Испытывают α- распад в основном ядра тяжелых элементов, стоящих в таблице Менделеева за свинцом. Они образуют четыре радиоактивных семейства с массовыми числами: 4 n, 4 n +1, 4 n +2, 4 n +3.

Если материнское ядро X испытывает α -распад, то оно превращается в дочернее ядро Y, стоящее в таблице Менделеева на две клеточки ближе к началу, с массовым числом меньше на 4 единицы:

. (1)

Бета-распад происходит при распаде ядер с вылетом электрона или позитрона. Иногда ядро захватывает один из ближайших электронов с электронной оболочки и испытывает β- превращение. Кроме того, при электронном β- распаде из ядра вылетает еще антинейтрино, а при позитронном – нейтрино. Нейтрино – это элементарная частица без электрического заряда, масса покоя которой, возможно, равна нулю. Уравнение электронного распада имеет вид

. (2)

При электронном бета-распаде дочернее ядро смещается на одну клеточку к концу таблицы Менделеева, при позитронном распаде на одну клеточку к началу таблицы.

При радиоактивном распаде ядер выделяется энергия, которую можно определить по соотношению Эйнштейна Q= Δ m ₀c² как произведение разности масс покоя материнского ядра и частиц после распада на квадрат скорости света. Спектр энергии α -частиц дискретный, β- частиц − сплошной, так как некоторую, неопределенную часть энергии уносят нейтрино.

Альфа- и бета-распады сопровождаются гамма-излучением. Это жесткое, коротковолновое электромагнитное излучение с огромной энергией до нескольких МэВ, с большой проникающей способностью. Оно обусловлено излучением дочернего ядра, которое после распада оказалось в возбужденном состоянии, при переходе ядра в основное состояние.

При облучении вещества происходит поглощение γ- излучения. Возможно три механизма потери энергии γ- фотонами. Во-первых, при малой энергии фотонов преобладает фотоэффект. При этом фотон, отдав энергию при взаимодействии с электроном, исчезает. Во-вторых, при большой энергии фотона, когда энергией связи электрона с атомом можно пренебречь, взаимодействие фотона происходит упруго, как со свободной частицей в эффекте Комптона. Фотон многократно постепенно теряет энергию, взаимодействуя с электронам отдачи, пока не исчезнет в процессе фотоэффекта. В-третьих, при энергии фотонов более 1,02 МэВ происходят реакции превращения γ -фотонов в электронно-позитронную пару. Энергия фотона превращается в энергию двух частиц . (Позитрон – это античастица электрона, обладающая такой же массой, но положительным зарядом.)

Определим закон поглощения γ-излучения в веществе. Вероятно, что на некоторой небольшой толщине вещества доля поглощенных частиц пропорционально этой толщине:

. (3)

Чтобы определить количество частиц N, проникших на конечную глубину, проинтегрируем уравнение (3) . Откуда

. (4)

Здесь N ₀ – начальное количество частиц, μ – коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения зависит от вида вещества и от энергии γ -фотонов. Численно он равен величине, обратной толщине вещества, на котором происходит ослабление интенсивности в е =2,72 раза.

Для изучения радиоактивного излучения применяется счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера представляет собой тонкостенную металлическую трубку, наполненную газом при низком давлении. Трубка является катодом, а анодом служит тонкая нить, натянутая по оси трубки. Между ними приложено напряжение 400–1000 В. При пролете внутри трубки γ -фотона, α-, β- частиц, вследствие ионизации молекул газа, возникают электроны и положительные ионы.

Электроны, ускоряясь в сильном электрическом поле около нити, производят вторичную ионизацию молекул. В результате в счетчике возникает лавинный разряд. Чтобы зарегистрировать следующую частицу, разряд следует погасить. Для гашения разряда последовательно со счетчиком включается резистор с большим сопротивлением (рис. 1).

Лабораторная установка состоит из счетчика Гейгера, усилителя импульсов, пересчетного прибора, контейнера с источником со следами α -препарата и набора поглощающих пластинок. Пересчетный прибор считает импульсы счетчика Гейгера в течение времени, устанавливаемого таймером прибора. Поглощающие пластинки устанавливаются в нишу свинцового контейнера между источником и счетчиком Гейгера.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включить пересчетный прибор в сеть 220 В. На индикаторе должно установиться время 10 с. Кнопками «+» и «–» установить время счета импульсов не менее 300 с.

2. Убрать из ниши контейнера пластинки. Нажать кнопку «Установка», нажать кнопки «Сброс» и «Пуск», начнется счет времени и числа импульсов. Через 300 с счет остановится. Записать в таблицу число зарегистрированных импульсов N.

Установить в нишу контейнера сначала одну пластинку, провести измерение, затем две пластинки и так далее до пяти. Результаты измерений записать в таблицу.

3. Произвести измерения интенсивности фона космического излучения в течение 300 с. Так как контейнер с установки убирать нежелательно, то следует поставить свинцовую пластину в нишу контейнера для отсечения излучения источника. Записать результат.

Выключить установку.

4. Произвести расчеты. Определить число импульсов от источника, вычитая из измеренного общего числа импульсов число импульсов фона космического излучения N _ист =N − N_фон. Из-за случайности распада может оказаться, что фон больше результатов последнего измерения. Тогда можно последний результат принять за фон.

Определить значения натуральных логарифмов от числа импульсов источника ln N _ист. Записать в таблицу.

5. Построить график зависимости логарифмов числа импульсов источника от числа поглощающих пластинок. Логарифмируя уравнение (4), видим, что теоретическая зависимость от числа пластинок n является линейной . Здесь толщина слоя поглощения x=dn заменена произведением толщины одной пластинки на число пластинок. Поэтому следует около точек провести прямую линию, за исключением нулевой (рис. 4). Это связано с тем, что при отсутствии пластинок дополнительно регистрируется поток α -частиц. Угловой коэффициент линии равен произведению коэффициента поглощения на толщину пластинки μd.

6. Определить коэффициент поглощения материала пластинок. Для этого на экспериментальной линии как на гипотенузе построить прямоугольный треугольник. По координатам вершин рассчитать среднее значение коэффициента поглощения (рис. 2):

. (5)

7. Оценить случайную погрешность измерения графическим методом (рис. 2):

. (6)

8. Записать результат μ =<μ>± δμ, Р= 0,9. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение альфа - распада. Что представляют собой α- частицы? Запишите уравнение распада.

2. Дайте определение бета-распада. Что представляют собой β- частицы? Запишите уравнение электронного распада.

3. Дайте определение гамма-излучения. Каким образом происходит поглощение излучения в веществе?

4. Выведите уравнение поглощения излучения в веществе. Дайте определение коэффициента поглощения.

5. Объясните принцип работы счетчика Гейгера, назначение резистора в схеме включения счетчика.

6. Предложите метод определения интенсивности α- излучения источника по результатам измерений в работе.

СОДЕРЖАНИЕ

Работа 30. Изучение отражения и преломления света............................. 3

Работа 31. Определение радиуса кривизны линзы................................... 8

Работа 32. Изучение дифракции света..................................................... 13

Работа 33. Определение ширины щели и экрана.................................... 18

Работа 34. Изучение теплового излучения вольфрама......................... 23

Работа 35. Изучение фотоэффекта........................................................... 28

Работа 36. Определение концентрации раствора................................... 34

Работа 37. Изучение поляризации света.................................................. 39

Работа 38. Исследование законов теплового излучения...................... 45

Работа 39. Определение показателя преломления воздуха..................51

Работа 40. Изучение спектров излучения атомов.................................. 56

Работа 41. Определение резонансного потенциала атома.................... 61

Работа 42. Определение температуры Кюри ферромагнетика............ 66

Работа 43. Изучение электропроводности полупроводников............ 71

Работа 44. Изучение электронно-дырочного перехода........................ 77

Работа 45. Определение концентрации электронов.............................. 82

Работа 46. Определение массы радиоактивного препарата................. 87

Работа 47. Изучение поглощения гамма-излучения.............................. 93

Оптика

Атомная физика

Учебно-методическое пособие

к лабораторным занятиям

Второе издание, дополненное

Составитель Шушарин Анатолий Васильевич

Редактор Л. Л. Шигорина

Компьютерная верстка О. Г. Пироговой

Подписано в печать 30.03.08. Формат 60 х 84 ¹/₁₆.
Бумага Гознак. Отпечатано на ризографе.
Усл. печ. л. 5,8. Уч.-изд. л. 5,4.

Тираж 200 экз. Заказ 11.

Цена договорная

Отпечатано в Издательском центре ЧИПС

454111 Челябинск, ул. Цвиллинга, 56

Для заметок

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: