Практикум-Атомная и ядерная физика

41

правилам теории вероятностей среднеквадратическое отклонение для n определяется выражением

Если окончательный результат А представить в доверительном интервале А = ± SА, то доверительная вероятность будет Р = 0,68. Ес-

А= ± 3SА, то доверительная вероятность будет Р = 0,997.

3.7Окончательный результат представить в виде

А = ( А ± А) Бк.

4 Контрольные вопросы

4.1Какие частицы образуют ядра атомов?

4.2Что называется радиоактивностью? Назовите закон радиоактивного распада.

4.3Как изменяются со временем активность изотопа?

4.4Как происходит α - распад ядер?

4.5Как происходит β - распад?

4.6Как изменяется положение химического элемента в табли-

це Менделеева после α - распада и после β - распада?

4.7Изменяется ли химическая природа элемента при испускании его ядром γ - кванта?

4.8Каков принцип действия счетчика ГейгераМюллера?

4.9В чем опасность радиоактивного излучения для живых ор-

ганизмов?

4.10За счет чего создается радиоактивный фон?

42

Лабораторная работа №6 Изучение поглощения ионизирующего излучения веществом

Цель и задачи работы: Изучение основных закономерностей радиоактивного распада и взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, исследование зависимости поглощения β - излучения от толщины поглотителя, определение коэффициента поглощения вещества.

1 Общие сведения

Ионизирующее излучение возникает при распаде радиоактивных веществ, как естественных, так и полученных искусственно в ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц. Кроме того, космические лучи являются также источником ионизирующего излучения.

Методы регистрации ионизирующего излучения основаны на различных видах взаимодействия излучения с веществом.

Можно выделить три основные группы излучения:

1)Заряженные частицы (α - излучение, β - излучение, протоны, дейтроны и др.)

2)Излучение, представляющие поток нейтральных частиц (нейтроны, нейтрино, нейтральные мезоны и др.)

3)Электромагнитное излучение (рентгеновское и γ - излуче-

ние).

1.1Взаимодействие α - частиц с веществом

α- распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.). В результате α - распада «материнское» ядро с атомным номером Z и массовым числом А превращается в новое, «дочернее» ядро с атомным номером Z - 2 и с массовым числом А - 4.

Вкачестве примера α - распада приведем распад плутония 23994 Pu :

α - частицы – это положительно заряженные частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, как ядра гелия 24 He. Они

43

обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью.

Пробег α - частиц радиоактивных элементов в воздухе не превышает 11 см, а в более плотных средах он еще меньше, так, в мягких тканях человека пробег α - частиц измеряется микронами.

Проходя через слой вещества, α - частицы испытывают упругое рассеяние на ядрах атомов и неупругое взаимодействие с электронами атомов, находящихся на внешних орбитах. Электрическое поле α - частицы, взаимодействуя с внешними электронами атомов и молекул, вызывает ионизацию или возбуждение атомов и молекул, а иногда и диссоциацию молекул. При этом α - частицы теряют свою энергию.

1.2Взаимодействие β - частиц с веществом

β- излучение состоит из электронов или позитронов, которые испускаются при β - распаде радиоактивных изотопов. К β - распаду относится также электронный захват, т.е. захват атомным ядром одного из электронов окружающей ядро электронной оболочки. Массовое

число ядра при β - распаде не изменяется.

а) При электронном β − - распаде происходит превращение

нейтрона в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным

При этом в ядре происходит превращение протона в нейтрон:

44

где +10β - позитрон, 00ν - нейтрино.

β - частицы в воздухе на своем пути создают в несколько сот раз меньше ионов, чем α - частицы, β - частицы, испускаемые атомными ядрами при радиоактивных превращениях, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе неодинаков. Ослабление потока β - частиц веществом происходит постепенно.

1.3 Взаимодействие γ - излучения с веществом

Гамма - излучение (фотонное) сопровождает α - или β - распад ядер, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность γ - излучения значительно меньше, чем α - и β - частиц. γ - излучение

– это электромагнитное излучение высокой энергии, обладает большой проникающей способностью. Индивидуальные средства защиты человека от γ - излучения не эффективны.

Механизм взаимодействия излучения с веществом зависит как от свойств среды, так и от энергии излучения.

γ- излучение наиболее эффективно ослабляется материалами

свысокой плотностью.

Поглощение γ - лучей в веществе связано со следующими процессами:

а) фотоэффектом; б) с комптоновским рассеянием; в) с рождением пар е- и е+; г) ядерным фотоэффектом.

1.4Применение радиоактивных изотопов

Вбиологических и сельскохозяйственных исследованиях с применением радиоактивных изотопов используются в основном γ - и

β- излучатели и значительно реже α - излучатели. Последнее объясняется как отсутствием α - радиоактивных изотопов у большинства биологически важных элементов, так и малой проникающей способ-

ностью α - частиц, что затрудняет их регистрацию и применение.

45

b - радиоактивные изотопы используются преимущественно в роли индикаторов, позволяющих следить за судьбой изучаемых элементов – так называемый метод «меченых атомов».

g - излучение применяется для определения содержания микроэлементов в почвах методами нейтронно-активационного анализа, для предпосевного облучения семян сельскохозяйственных культур с целью стимуляции прорастания и повышения урожайности, в селекции, а также в методе меченых атомов.

2 Описание установки и вывод расчетной формулы

Установка для данной лабораторной работы включает в себя: пересчетный прибор ПП-16, счетчик Гейгера-Мюллера, источник

b- излучения, набор поглотителей, секундомер.

Внастоящей лабораторной работе изучается взаимодействие

b - частиц с веществом и проверяется закон ослабления потока этих частиц при прохождении через вещество. Подобная закономерность характерна и для других заряженных частиц.

Если между источником b - частиц и счетчиком ГейгераМюллера помещать однородные пластинки из какого-либо вещества (алюминий, бумага, стекло, полиэтилен и др.), то можно убедиться, что скорость счета зарегистрированных b - частиц зависит от толщины поглотителя. Эта зависимость называется законом поглощения и выражается формулой:

тиц, прошедших через поглотитель толщиной d, m - линейный коэффициент поглощения b - излучения.

Линейный коэффициент поглощения m зависит от природы вещества. Опыт показывает, что отношение линейного коэффициента поглощения к плотности поглотителя r почти не зависит от природы поглотителя. Отношение mm = m/r называется массовым коэффициентом поглощения b - излучения.

Массовый коэффициент поглощения зависит от максимальной энергии электронов Еmax, испускаемых радиоактивным изотопом. Зна-

46

ние коэффициента поглощения позволяет определить толщину или плотность вещества по закону поглощения β - излучения (6).

Закон поглощения β - излучения (6) на графике изображается экспонентой (рисунок 1), а в полулогарифмических координатах (рисунок 2) – линейной зависимостью.

Рисунок 1 График зависимости числа зарегистрированных счетчиком частиц от толщины поглотителя

Рисунок 2 График зависимости логарифма числа зарегистрированных частиц n в единицу времени от толщины

поглотителя d

По графику 2 можно определить линейный коэффициент поглощения, взяв координаты произвольных двух точек 1 и 2. Угловой коэффициент графика, как тангенс угла наклона, будет равен линейному коэффициенту поглощения

щина слоя поглотителя, м.

47

На рисунке 3 показана принципиальная схема включения счетчика.

Устройство и принцип действия счетчика Гейгера-Мюллера описано в лабораторной работе №5.

3 Порядок выполнения работы и требования

коформлению результатов

3.1При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить

изаконспектировать следующие библиографические источники:

- для неинженерных специальностей С. 544 - 550/1/, С. 481 -

490/2/;

- для инженерных специальностей С. 631-636/4/.

3.2Преподаватель или лаборант должны проверить наличие всех необходимых для работы приборов и их работоспособность.

3.3Включить шнур питания прибора ПП-16 в сеть 220 В.

3.4Нажать кнопку «сеть» и дать прибору прогреться в течение

2-3 минут.

3.5Нажать кнопку «сброс», тем самым установить световые указатели декатронов на нуль.

3.6Измерить радиационный фон. Нажать кнопку «пуск» и одновременно включить секундомер.

48

3.7Через 3 минуты нажать кнопку «стоп» и записать показания декатронов в таблицу.

3.8Опыт повторить 3-5 раз.

3.9Определить скорость счета импульсов nф=N/t для каждого

опыта, затем рассчитать среднее арифметическое значение фона nφ (имп/мин). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1 Определение радиоактивности фона

3.10Под руководством преподавателя поместить радиоактивный источник на специальный предметный столик под счетчик.

3.11Произвести измерение интенсивности излучения в отсутствие поглотителя. Нажать кнопку «пуск». Через 3 минуты нажать

кнопку «стоп». Записать показания декатронов No в таблицу. (Не збывайте нажимать кнопку «сброс» перед каждым следующим опытом).

3.11Определить скорость счета в отсутствие поглотителя

Параметр n0 характеризует активность радиоактивного веще-

ства.

3.12 Между источником и счетчиком поместить одну из пластинок толщиной d1. Нажать кнопку «пуск» с одновременным пуском секундомера. За 1 (2 или 3) минуту определить показания прибора

3.13 Найти скорость счета при поглотителе, состоящем из двух, трех, четырех и пяти пластинок, сложенных вместе. Все найденные Ni и di, а также ti занести в таблицу 2.

49

Найти значения ni = n0i − nφ для каждой толщины.

3.14 Определить значения натуральных логарифмов для величины ni . Построить линейный график зависимости ln ni от di.

Таблица 2 Определение зависимости скорости счета от толщины поглотителя

Обозначения физических величин

3.15 По двум точкам на линии графика (рисунок 2) определить среднее значение линейного коэффициента поглощения μ по форму-

ле (10).

3.16 Рассчитать толщину слоя половинного ослабления по

Результаты вычислений занести в таблицу 2.

3.17 По указанию преподавателя измерения проделать и для пластинок другого поглотителя (бумага, полиэтилен и др.). Определить линейный коэффициент поглощения μ2.

Зная плотность каждого поглотителя ρ1 и ρ2, убедиться, что

50

где D(ln n)max – максимальное отклонение точки от линии графика (как на рисунке 2);

Dd – инструментальная погрешность микрометра Dd = 0,005× 10-3 м. 3.19 Результат представить в виде

μ =( μ ± μ)

4 Контрольные вопросы

4.1Назовите основные виды ионизирующего излучения.

4.2Охарактеризуйте взаимодействие соответственно α-, β- и γ- излучения с веществом.

4.3Каков закон поглощения излучения веществом?

4.4Что называется линейным и массовым коэффициентами поглощения?

4.5Как проводится учет фона?

4.6Запишите уравнение ядерной реакции, сопровождающейся

β- - излучением.

4.7Каковы особенности γ-излучения?

4.8В чем состоит опасность воздействия радиоактивного излучения на живые организмы?

4.9Как определить толщину слоя вещества, ослабляющее излучение в 2, 10, 100 раз?

4.10Как измеряется уровень радиации, в каких величинах и

единицах?

Библиографический список

1 Грабовский Р.И. Курс физики.- СПб.: Издательство «Лань», 2005.- 608с.

2Трофимова Т.И. курс физики. – М.: Высшая школа, 2005.

–с. 560.

3Савельев И.В. Курс общей физики. т.5. – М.: Наука, 1998.

–с.368.

4Детлаф А.А. Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002. – с.718.