Контрольные вопросы

1. Естественная и искусственная радиоактивность. Что представляют собой радиоактивные семейства?

2. Радиоактивность. Виды радиоактивности. Закон радиоактивного распада.

3. Каковы разновидности и механизм-распада?

4.Какова схема протекания-распада?

5.Как объяснить сплошной энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при-распаде?

6. Методы регистрации ионизирующих излучений: камера Вильсона, пузырьковая камера, фотоэмульсии, счетчик Гейгера.

7. Объясните причины существования радиоактивного природного фона.

Лабораторная работа 3.17

Определение длины пробега -частиц в воздухе

Цель работы: определение длины пробега, скорости и энергии-частицы.

Принадлежности:радиоактивный препаратPu²³⁸и микрометрическое устройство для его передвижения, детектор альфа - излучения, счетчик импульсов.

Т Рис.1еоретическое введение

Альфа - распадом называется испускание ядрами тяжелых химических элементов с массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82 -частиц, представляющих собой ядро атома гелия .

Согласно закону сохранения массы и электрического заряда, правило смещения при -распаде представляется в виде:

(1)

где - материнское ядро,- дочернее ядро.

Альфа-частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают как правило, определенной кинетической энергией, возникающей за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и -частицы. Более тонкие измерения, однако, показали, что энергетический спектр-частиц, испускаемых данным радиоактивным элементом, обнаруживает «тонкую структуру», т.е. испускается несколько групп-частиц, причем в пределах каждой группы их энергии практически постоянны. Дискретный спектр-частиц свидетельствует о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.

На рис.1 показана примерная схема, поясняющая возникновение различных групп -частиц (возникновение тонкой структуры). Е – избыток энергии покоя материнского ядра над энергией покоя-частицы и дочернего ядра,E₀– энергия основного состояния дочернего ядра, обычно принимается за нуль, Е_k (k=1, 2, 3, 4, 5..) – энергия дочернего ядра в возбужденном состоянии. Различные группы- частиц возникают за счет того, что дочернее ядро может возникать как в основном состоянии, так и в различных возбужденных состояниях.

Рис.1

При переходе дочернего ядра из возбужденного состояния в основное испускается -фотон. На рисунке показано, что возможно возникновение-фотонов различных энергий.

Согласно современным представлениям, -частицы образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов. Покидая ядро,-частице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого больше, чем полная энергия-частицы, равная в среднем 6 МэВ (рис.2).

Рис.2

Внешняя, спадающая асимптотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами.

Объяснение -распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет-частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту – проникновению-частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеется вероятность, отличная от нуля, того, что частица с энергией меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь него. Этот эффект целиком обусловлен волновой природой-частиц.

Коэффициент прозрачности D, определяющий вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер, тем больше (следовательно, тем меньше период полураспада), чем меньше по высоте и ширине барьер находится на пути-частицы.

Кроме того, при одной и той же потенциальной кривой барьер на пути частицы тем меньше, чем больше ее энергия Е.

Зависимость между периодом полураспада T_½ и кинетической энергией Е вылетающих частиц определяется эмпирическим законом Гейгера - Нэтола, который обычно выражается в виде зависимости между длиной пробегаL(предельным расстоянием, на котором обнаруживается ионизирующее действие-частицы) и постоянной радиоактивного распада:

ln = A + В ln L, (2)

где А и В – эмпирические константы.

Согласно этому закону, чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пробег, а следовательно, и энергия испускаемых им -частиц. Между пробегомL-частиц в воздухе и энергиями Е или их скоростямиvсуществует приближенное эмпирическое соотношение:

(3)

(где L- длина пробега-частицы в воздухе, выраженная в см, Е - энергия, в МэВ; скоростьv, в см/с).

В воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров. В более плотных веществах пробег -частиц гораздо короче, чем в газах, и составляет всего несколько сотых долей миллиметра.