9

Фізпрактикум з загального курсу

“ФІЗИКА ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК”

Лабораторна робота № 9

ВИВЧЕННЯ СХЕМИ ГАММА-ПЕРЕХОДІВ ЯДРА ⁶⁰Со МЕТОДОМ ЗБІГІВ

ПРАВИЛА РОБОТИ З РАДІОАКТИВНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ТА ВИСОКОВОЛЬТНИМ ОБЛАДНАННЯМ:

Радіоактивні джерела для роботи видаються студентам тільки на час проведення дослідів під розписку, про що робиться відмітка у спеціальному журналі. Студенти несуть особисту відповідальність за збереження і правильне використання радіоактивного джерела. У роботі використовуються взірцеві гамма–джерела з набору типу ОСГИ. На поверхні захисту джерела контрольний рівень випромінювання не перевищує 5–10 мкР/с. Джерела не можна брати руками за центральну частину – „активну пляму”. Не можна торкатися „активної плями” гострими предметами. На сцинтиляційні детектори–спектрометри подається робоча напруга 800-1500 В.

Можливі аварійні ситуації: розгерметизація джерела, виникнення пожежі, пошкодження заземлення, пошкодження ізоляції проводів.

Категорично заборонено: відключати кабель живлення детектора від включеного високовольтного блока.

1. Мета і завдання роботи

Метою лабораторної роботи є ознайомлення з особливостями бета – і гамма – переходів та представлення даних про ядерні переходи у вигляді схем розпаду, вивчення суті методу збігів та його уживання для вивчення схем розпаду ядер.

Завдання роботи: Виміряти часову роздільну здатність установки підрахунку збігів. Виміряти швидкість лічби збігів у часі імпульсів від двох детекторів гамма-квантів, які реєструють випромінювання від джерел, що містять радіоактивні ізотопи ⁶⁰Со та ¹³⁷Cs. Розрахувати число випадкових збігів імпульсів при вимірах, та показати наявність істинних збігів імпульсів від гамма-квантів джерела, що містить ізотоп ⁶⁰Со. На основі цього з використанням результатів роботи №5 по вимірюванню амплітудного спектру імпульсів, зумовлених випромінювання ⁶⁰Со, зробити висновок про супровід розпаду ⁶⁰Со каскадним (послідовним) гамма-випромінюванням.

2. Необхідні прилади та обладнання.

Два сцинтиляційні детектори випромінювання, два блоки реєстрації електричних імпульсів типу БР-1, блок реєстрації подвійних збігів, лінія затримки електричних імпульсів, перерахунковий пристрій ПСО2-4, радіоактивні препарати з набору ОСГИ: ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co.

3.Теоретичні відомості.

3.1. Схеми розпаду активних ядер

Схемою розпаду ядра називається діаграма енергетичних рівнів вихідного і кінцевого ядер, через які проходить розпад, разом з умовними позначеннями переходів між рівнями та їх характеристиками.

На рис.1 наведено схему розпаду ядер ¹³⁷Cs. Джерела, що містять ядра ¹³⁷Cs широко використовуються у лабораторіях у якості джерела випромінювання. Ядро зазнає ^ розпаду, оскільки його маса М(¹³⁷Cs) більша за суму мас ядра ¹³⁷Ва і електрона._. Умова нестабільності ядра ¹³⁷Cs по відношенню до ^ розпаду записується так

M(¹³⁷Cs) > M(¹³⁷Ba)+m_e .

Рис.1 Схема розпаду ядра 137Cs

Завдяки цьому на cхемі розпаду (Рис.1) основний стан ¹³⁷Cs лежить ~ на 1,17 МеВ вище по шкалі енергій, ніж основний стан ¹³⁷Ba в сумі з вільним електроном, і на 0,51 МеВ вище збудженого рівня з енергією збудження 0,661 МеВ. Бета-переходи на схемі позначаються похилими стрілками (при ^– розпаді масове число ядра не змінюється, а порядковий номер його зростає на 1). При переходах не змінюється не тільки масове число, але й порядковий номер. Тому переходи зображаються вертикальними стрілками.

Поруч з горизонтальними відрізками прямих, які позначають енергетичні рівні ядер, записують енергію збудження (за нуль енергії збудження ядра приймається енергія основного стану), квантове число спіну рівня (J), а також парність просторової хвилевої функції стану (π). =+1 для випадку парної функції і = –1  для непарної. Квантове число J для різних станів може приймати значення 0,1/2, 1, 3/2, 2, 5/2 і т.д.

Формула розпаду ядра ¹³⁷Cs може бути записана як:

¹³⁷Cs ¹³⁷Ba+e^- + (8% розпадів)

^137mBa^*+e^- + (92% розпадів)

¹³⁷Ba+ (Е_=0,661 МеВ)

Літера m вказує на те, що утворений збуджений стан барію є ізомерним. З ізомерного стану ядро переходить в основний стан випромінюючи гамма – квант з енергією 0,661 МеВ

Бета–розпад викликається слабою взаємодією, константа якої (~10^-14) і значно менша за константу електромагнітної взаємодії (за постійну тонкої структури 1/137). З цим пов’язується той факт, що періоди напіврозпаду для бета–переходів, як правило, значно більші, ніж викликані електромагнітною взаємодією гамма–переходи (розпади). У наведеному прикладі період бета-розпаду ¹³⁷Cs складає понад 30 років, тоді як період напіврозпаду ізомерного гамма–переходу лише 2,6 хв. Але й таке значення періоду напіврозпаду значно більше за типове значення дозволених гамма-переходів (<10^-12сек).

Дозволені переходи – це переходи, які задовольняють квантово-механічні правила відбору. Для дозволених дипольних електричних переходів правила відбору вимагають, щоб

J=1 або J = 0 (крім переходів 00) i = –1 (– парність)

У випадку ^137mBa, як видно з рис.1, мінімальне значення зміни спінового числа J = 11/2 - 3/2 = 4 > 1. Тобто дозволені переходи з мультипольністю 2^J=2⁴ і вище. При зростанні мультипольності випромінюваних –квантів ймовірність гамма-переходів різко зменшується.