- •Филиал Федерального автономного образовательного учреждения
- •1) Что называется периодом полураспада?
- •2) Какие ядра называются радиоактивными?
- •3) Что называется Активацией?
- •4) Физический смысл области устойчивости стабильности ядер и способы распада нестабильных ядер, лежащих выше и ниже области устойчивости.
- •5) Закономерности радиоактивного распада, физический смысл λ, τ, t1/2, и выражения, их связывающие.
- •6) Дать определение периода полураспада и показать методику определения t1/2 по результатам измерений уменьшения активности образца во времени.
- •«Обнинский институт атомной энергетики –
- •«Обнинский институт атомной энергетики –
«Обнинский институт атомной энергетики –
филиал Федерального автономного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Заочный факультет
Кафедра ядерной физики
Лабораторная работа №5
Тема: Исследование поглощения γ-излучения в веществе.
Выполнил:
студент группы ЭиА-С12-з
Казаков Е.И.
Проверил: Гончарова И.Н.
Обнинск 2015
Цель работы: определение линейного коэффициента ослабления различных веществ, энергии γ-квантов, определение вклада каждого эффекта в процессс поглощения.
Ход работы:
Атомное ядро может иметь избыточную энергию (быть возбуждённым) в результате радиоактивного распада или в результате искусственно вызванного ядерного превращения(ядерной реакции).Ядро не испытывает разрушения если его избыточная энергия выделяется при радиационном переходе(гамма-излучение) либо передаётся непосредственно электронной оболочке собственного атома.
Пучок гамма-квантов испытывает в веществе электромагнитные взаимодействия с яд рами и электронами. Однако в отличии от заряженных частиц гамма-кванты не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил , поскольку они не имеют электрического заряда. Поэтому гамма-кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, чем и объясняется большая проникающая способность гамма-квантов. При столкновениях гамма-кванты либо поглощаются, либо рассеиваются, резко отклоняясь и изменяя свою энергию.
4
1 5 6 7
2 3
1-Источник гамма-излучения 137Cs 5-Сцинтилляционный детектор
2-Защитный контейнер 6-Однокканальный амплитудный анализатор
3-Пучок гамма-квантов 7-Пересчётное устройство
4-Ослабляющие фильтры
Рисунок 1 – Схема установки
В ходе данной лабораторной работы используется в качестве рабочего элемента 137Cs.
0,66
0
Таблица 1 – Таблица данных (Алюминий: толщина – 0,5 см, Nф = 27)
№ |
Толщина поглотителя |
Ni |
ln(Ni-Nф) |
2δyi |
1 |
0 |
2942 |
7,985 |
0,0369 |
2 |
0,5 |
2588 |
7,857 |
0,0394 |
3 |
1 |
2472 |
7,811 |
0,0403 |
4 |
1,5 |
2217 |
7,702 |
0,0425 |
5 |
2 |
2062 |
7,629 |
0,0441 |
6 |
2,5 |
1846 |
7,518 |
0,0466 |
7 |
3 |
1616 |
7,385 |
0,0498 |
8 |
3,5 |
1469 |
7,289 |
0,0523 |
9 |
4 |
1409 |
7,247 |
0,0534 |
10 |
4,5 |
1260 |
7,135 |
0,0565 |
11 |
5 |
1071 |
6,972 |
0,0613 |
12 |
5,5 |
949 |
6,850 |
0,0651 |
13 |
6 |
891 |
6,787 |
0,0672 |
14 |
6,5 |
801 |
6,680 |
0,0709 |
15 |
7 |
721 |
6,574 |
0,0747 |
16 |
7,5 |
672 |
6,503 |
0,0774 |
α1 = 7,9956
α2 =0,1997
2σ α1 =0,0227
2σ α2 =0,0065
ν =14
χ2 =17,1975
см-1
Таблица 2 – Таблица данных (Медь: толщина – 0,17 см, Nф = 27)
№ |
Толщина поглотителя |
Ni |
ln(Ni-Nф) |
2δyi |
1 |
0 |
2952 |
7,988 |
0,0369 |
2 |
0,17 |
2763 |
7,922 |
0,0381 |
3 |
0,34 |
2399 |
7,780 |
0,0409 |
4 |
0,51 |
2144 |
7,667 |
0,0433 |
5 |
0,68 |
1978 |
7,586 |
0,045 |
6 |
0,85 |
1768 |
7,474 |
0,0477 |
7 |
1,02 |
1502 |
7,310 |
0,0517 |
8 |
1,19 |
1379 |
7,224 |
0,054 |
9 |
1,36 |
1271 |
7,142 |
0,0563 |
10 |
1,53 |
1152 |
7,043 |
0,0591 |
11 |
1,7 |
991 |
6,892 |
0,0638 |
12 |
1,87 |
914 |
6,810 |
0,0664 |
13 |
2,04 |
788 |
6,661 |
0,0716 |
14 |
2,21 |
707 |
6,551 |
0,0756 |
15 |
2,38 |
686 |
6,521 |
0,0768 |
16 |
2,55 |
570 |
6,333 |
0,0843 |
α1 =8,0062
α2 = 0,6463
2σ α1 =0,0185
2σ α2 =0,016
ν =14
χ2 =11,3141
см-1
Таблица 3 – Таблица данных (Свинец: толщина – 0,1 см, Nф = 27)
№ |
Толщина поглотителя |
Ni |
ln(Ni-Nф) |
2δyi |
1 |
1 |
0 |
3063 |
8,025 |
2 |
2 |
0,1 |
2727 |
7,909 |
3 |
3 |
0,2 |
2341 |
7,756 |
4 |
4 |
0,3 |
2124 |
7,658 |
5 |
5 |
0,4 |
1854 |
7,522 |
6 |
6 |
0,5 |
1754 |
7,466 |
7 |
7 |
0,6 |
1432 |
7,263 |
8 |
8 |
0,7 |
1300 |
7,165 |
9 |
9 |
0,8 |
1174 |
7,063 |
10 |
10 |
0,9 |
1089 |
6,987 |
11 |
11 |
1 |
967 |
6,868 |
12 |
12 |
1,1 |
861 |
6,751 |
13 |
13 |
1,2 |
719 |
6,569 |
14 |
14 |
1,3 |
692 |
6,531 |
15 |
15 |
1,4 |
627 |
6,431 |
16 |
16 |
1,5 |
559 |
6,315 |
α1 = 8,0066
α2 = 1,1532
2σ α1 = 0,0227
2σ α2 = 0,0338
ν = 14
χ2 = 16,9337
см-1
Используя таблицу зависимости , по полученной величинеопределим энергию-квантов источника:МэВ,МэВ,МэВ. На рисунке 2 приведены графики функций ослабления.
Алюминий:
Медь:
Свинец:
Вывод: В ходе данной лабораторной работы было изучено взаимодействие гамма излучения с веществом. Были проведены необходимые измерения, расчёты. Построен график зависимости энергии гамма частиц от толщины слоя, определен линейный коэффициент ослабления различных веществ см-1, см-1, см-1 и энергии γ-квантов МэВ,МэВ,МэВ.
Контрольные вопросы:
1) Процессы взаимодействия γ-квантов с веществом
γ -Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении γ -излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. γ -Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка γ -квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспоненциальным законом I = I0e-μx(I0 и I — интенсивности γ -излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, μ — коэффициент поглощения). Так как γ -излучение — самое проникающее излучение, то μ для многих веществ — очень малая величина; μ зависит от свойств вещества и от энергии γ -квантов.
γ -Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. Доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение γ -излучения через вещество, являются фотоэффект, Комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.
Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение γ -излучения — это процесс, при котором атом поглощает γ -квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий γ -квантов (Еγ <100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить γ -квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.
По мере увеличения энергии γ -квантов (Еγ ≈ 0,5 МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия γ -квантов с веществом является комптоновское рассеяние.
При Еγ >l,02 МэВ=2mec2 (me — масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер- Вероятность этого процесса пропорциональна Z2 и увеличивается с ростом Еγ. Поэтому при Еγ ≈ 10 МэВ основным процессом взаимодействия γ -излучения в любом веществе является образование электронно-позитронных пар.
Если энергия γ -кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7—8 МэВ), то в результате поглощения γ -кванта может наблюдаться ядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.
Воздействие γ -излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.
2) Написать выражения для определения линейного и массового коэффициентов ослабления для всех процессов взаимодействия
Характеристикой ослабления γ -излучения в веществе является линейный коэффициент ослабления μ, обычно измеряемый в см-1. Иногда вводят массовый коэффициент ослабления, равный отношению μ к плотности вещества р; в этих случаях коэффициент ослабления измеряют в см2/г.
3) Подсчитать массовые коэффициенты поглощения для различных материалов поглотителя и сделать заключение о влиянии комптоновского процесса взаимодействия при исследуемой энергии γ-квантов.
В области энергий фотонов Еγ > 10Iк сечение комптоновского рассеяния σКе становится существенно преобладающим над соответствующим сечением фотоэффекта и оказывается основным фактором ослабления потока γ -квантов. Это положение демонстрируется на графике, где представлена зависимость от энергии Еγ сечения фотоэффекта на один электрон (штриховые линии) для ряда веществ
4) Устройство и принцип действия сцинтилляционного детектора.
Детекторчастиц, действие которого основано на регистрации световых вспышек в видимой или УФ-области, возникающих при прохождении заряженных частиц через сцинтиллятор. Доля энергии, конвертированная в световую вспышкуот полной энергии (), потерянной частицей в сцинтилляторе, называется к о н в е р с и о н н о й э ф ф е к т и в н о с т ь ю. Она является основным. параметром сцинтилляционного детектора. Иногда вместо конверсионной эффективности используют уд. световой выход (свето-выход) - число образованных частицей фотонов на единицу потерянной энергии, или ср. энергию, расходуемую на образование одного фотона,wф=w/Ск.
Здесь -ср. энергия фотонов световой вспышки (3 эВ).
Для наибольшей эффективности сцинтилляторов значение Скдостигает 0,1-0,3. Конверсионная эффективность зависит от типа регистрируемой частицы и от её уд. потерь энергии. Для данного сцинтиллятораСкможет зависеть от температурыT, наличия примесей и соотношения различают компонент в сцинтилляторе.
Сцинтилляционный счетчик обладает спектроскопическими свойствами, т. е. интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в широкой области энергии. Только в области малых энергий, где резко возрастает уд. потеря энергии, световыход падает и пропорциональность нарушается.
Механизмы преобразования энергии частицы в световую вспышку различны для разных сцинтилляторов. В большинстве случаев они могут быть сведены к след. (упрощённой) схеме: 1) ионизацияи возбуждение атомов и молекул, образование радикалов; 2) перенос энергии возбуждения к центрам свечения (радиационный, резонансный, экситонный, электронно-дырочный); 3) возбуждение и высвечивание центров свечения. Нейтральные частицы регистрируются благодаря передаче энергии заряженным: g-кванты- по электронам и позитронам (см.Гамма-излучение), нейтроны - по протонам отдачи (при упругом рассеянии) или по заряженным частицам, возникающим вядерных реакцияхнейтронов с веществом сцинтиллятора.
Рисунок 1 - Схема сцинтилляционного детектора:
Сц-сцинтиллятор,
Св-светопровод,
Ф - фотокатод,
Д - диноды,
А - анод.
Основные элементы счетчика (рисунок 1) - сцинтиллятор и соединённый с ним оптически фоторегистратор, преобразующий энергию световой вспышки в электрический импульс. В качестве фоторегистратора обычно используют фотоэлектронный умножитель(ФЭУ). Световые фотоны, попадая нафотокатодФЭУ, выбивают из него электроны, к-рые фокусируются на 1-й динод, размножаются динодной системой в результате процессавторичной электронной эмиссиии окончательно собираются на аноде ФЭУ, создавая в его цепи электрический импульс.
5) Возможный эффект нарушения экспоненциальной зависимости ослабления интенсивности вследствие многократного комптоновского рассеяния.
Рассеяние с измерением длины волны (комптон-эффект) возникает тогда, когда энергия падающего кванта превышает энергию связи электрона в атоме. Комптоном было предложено трактовать указанный эффект как упругое рассеяние частиц-фотонов на свободных электронах. В каждом отдельном акте взаимодействуют один фотон и один электрон (электроны в этом случае можно считать свободными, так как энергия падпющих квантов превосходит энергию связи электронов в атомах)
7) Возникновение γ-излучения в источнике 137Сs
При α- и β-распадах возможно возникновение γ-излучения. Γ-кванты образуются в результате β-распадов изотопов 137Сs на возбужденное состояние изотопа 137Ва. В результате распада возбужденного состояния 11/2- Е = 0,66 МэВ изотопа 137Ва образуются γ-кванты с энергией 0,66 МэВ.