- •Содержание
- •Лабораторные работы
- •Предисловие
- •Физические измерения. Обработка и оформление результатов измерений
- •Погрешности прямых измерений
- •Элементы теории погрешностей
- •Учет инструментальной и случайной погрешностей
- •Исключение промахов
- •Пример обработки результатов прямых измерений
- •Погрешность косвенных измерений а. Числовая оценка и погрешность косвенных измерений
- •Б. Учет погрешностей, обусловленных неточностью математических и физических констант, табличных данных и т.Д.
- •Некоторые советы и рекомендации к расчетам и вычислениям
- •Графические методы обработки результатов измерений
- •Примерный план отчета по лабораторному исследованию
- •Изучение статистических методов обработки опытных данных
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы
- •Определение момента инерции тел методом трифилярного подвеса
- •О писание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Сложение гармонических взаимно перпендикулярных колебаний
- •Описание прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •Литература
- •Определение скорости звука в воздухе интерференционным методом
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение вязкости жидкости по методу стокса
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Вязкость водных растворов глицерина
- •Определение отношения удельных теплоемкостей газа методом адиабатического расширения (метод Клемана и Дезорма)
- •Теория метода и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение влажности воздуха при помощи психрометра
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Исследование свойств поверхностного слоя жидкости
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Знакомство с основными электроизмерительными приборами Основные электроизмерительные приборы
- •Из приведенной относительной погрешности к можно рассчитать абсолютную (приборную) погрешность а рабочего электроизмерительного прибора
- •Краткая характеристика некоторых систем приборов
- •Многопредельные приборы
- •Правила пользования многопредельными приборами
- •Вспомогательные электрические приборы и оборудование. Сборка электрических схем
- •О монтаже электроизмерительных установок
- •Правила техники безопасности при монтаже электрических схем и производстве измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Измерение температуры терморезистором
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Измерение температуры термопарой
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы полупроводникового диода
- •О писание установки
- •Основные данные плоскостных полупроводниковых диодов
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы электронного осциллографа
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля земли
- •Элементы земного магнетизма
- •Р ис. 3. Внешний вид и схема включения тангенс-буссоли. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Измерение размеров малых объектов с помощью микроскопа
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение показателя преломления жидкости
- •О писание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Б) результаты измерений занесите в таблицу:
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Исследование линейчатых спектров испускания
- •Описание ртутной лампы
- •Длины волн некоторых линий спектра ртути
- •Порядок выполнения работы
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение концентрации сахара в растворе поляриметром
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы газового лазера
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение закона радиоактивного распада
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Контрольные вопросы
1. Опишите механизм возникновения спонтанного и индуцированного излучения атомов.
2. Укажите основные свойства индуцированного излучения.
3. Опишите устройство и принцип действия газового лазера.
4. Какое состояние называется инверсией населенностей?
5. Как создается инверсия населенностей атомов в гелий-неоновом лазере?
6. Каково назначение резонатора в газовом лазере?
7. Укажите возможности применения лазеров.
8. Как с помощью дифракционной решетки определить длину волны света?
9. Как в работе определить размеры эритроцитов?
Литература
А.Н. Ремизов Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 30.1.
Ливенцев Н.М. Курс физики. Атомная и ядерная физика. Основы медицинской электроники и кибернетики. – М.: Высшая школа, 1978. – § 113.
Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§ 97, 98.
Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§ 232, 233.
Лабораторная работа № 21
Изучение закона радиоактивного распада
Цель работы: снятие кривых распада -активных изотопов атмосферного воздуха.
Приборы и принадлежности: счетчик -излучений УИМ2-1е, пылесос, ватный фильтр, секундомер.
Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных видов ионизирующих излучений (-, -, - и некоторых элементарных частиц).
-излучение. Оно представляет собой -частицы ( ), т.е. ядра гелия. Вследствие наличия положительного заряда -частицы отклоняются электрическими и магнитными полями. Скорость, с которой вылетают -частицы, составляет около 107 м/с.
-излучение. Оно представляет собой электроны, обладающие скоростью от 108м/с до 0,999 с. Вследствие наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическими и магнитными полями в противоположную сторону по сравнению с -частицами.
-излучение. Это электромагнитное излучение с длиной волны приблизительно 10-12 м и соответственно частотой около 1020 Гц. Оно не отклоняется электрическими и магнитными полями.
При искусственных превращениях ядер могут возникать изотопы, испускающие радиоактивное излучение четвертого типа.
+-излучение. Оно представляет собой позитроны, т.е. частицы, которые отличаются от электронов только знаком заряда.
Особенностью радиоактивного распада является то, что ядра одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Момент распада каждого ядра не может быть указан заранее, однако теория позволяет установить вероятность распада одного ядра за единицу времени. Эта вероятность характеризуется коэффициентом, который называется постоянной распада . Размерность постоянной распада зависит от выбранных единиц измерения времени: с-1, мин-1, час-1 и т.д.
Величина, обратная постоянной распада, = 1/, называется средней продолжительностью жизни ядра.
Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля наличных (т.е. еще не распавшихся) ядер данного элемента (эта доля характеризуется постоянной распада ).
Из закона следует, что количество dN ядер, распадающихся за промежуток времени dt, прямо пропорционален количеству N ядер, еще не распавшихся к началу данного промежутка времени, и промежутка dt:
– dN = Ndt, (1)
где – постоянная распада. Знак минус показывает на убывание со временем величины N. Решением уравнения является экспоненциальная функция
N = N0e-t, (2)
где N0 – исходное количество ядер (в момент t = 0).
График этой зависимости приведен на рис.1.
С корость распада различных радиоактивных элементов характеризуют периодом полураспада Т. Так называется время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Период полураспада Т можно определить из следующих соображений. При t = T количество нераспавшихся ядер . При этом , откуда . Решение этого уравнения дает
. (3)
Период полураспада для различных элементов имеет значения от доли секунды до миллионов лет. Соответственно и радиоактивные изотопы разделяются на короткоживущие (минуты, часы, дни) и долгоживущие (многие годы).
В условиях, когда радиоактивное излучение используется для каких-либо целей (как, например, в медицине), необходимо знать общее количество распадов, происходящих в данном количестве (массе) радиоактивного элемента в единицу времени. Эта величина А называется активностью:
.
Активность обычно характеризуется числом распадов за одну секунду. Активность – это абсолютная скорость распада данного количества радиоактивного элемента, поэтому она зависит как от природы элемента, так и от наличного количества N ядер.
Используя формулы (1, 2, 3), можно найти следующую зависимость для активности:
, (4)
. (5)
Таким образом, активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада! Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.
Единица активности – беккерель (Бк), что соответствует активности нуклеида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада. Наиболее употребительной единицей активности является кюри (Ки); 1 Ки = 3,71010 Бк = 3,71010 с-1. Кроме того, существует еще одна внесистемная единица активности – резерфорд (Рд); 1 Рд = 106 Бк = 106 с-1.
Ионизирующее излучение оказывает специфическое воздействие на биологические объекты. Его физическое воздействие на ткани живого организма заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул. При этом разрываются химические связи молекул и сами молекулы распадаются на составные химические радикалы. Такие изменения вызывают нарушения в нормальной жизнедеятельности клетки и могут привести к ее гибели. Биологический эффект воздействия зависит от вида ионизирующего излучения, дозы облучения, времени воздействия, размеров облучаемой поверхности и индивидуальной чувствительности организма.
Любые виды ионизирующих излучений являются опасными для организма. Длительное воздействие облучения в значительных дозах может привести к тяжелым последствиям. Наиболее чувствительными к поражению являются кровь и клетки кроветворных органов. Поэтому первым признаком лучевого поражения является изменение состава крови. При облучении нарушается способность клеток к делению, вследствие чего сильнее поражаются растущие организмы.
Альфа-излучение радиоактивных изотопов обладает малой проникающей способностью. Потоки -частиц при внешнем облучении не представляют опасности для человека, так как они полностью задерживаются тканью одежды, а при попадании на открытые участки тела поглощаются ороговевшим слоем кожи. Однако при попадании -радиоактивных веществ внутрь организма излучение оказывает губительное действие на клетки. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью и может представлять опасность и при внешнем облучении.
Работа с любыми источниками радиоактивного излучения требует принятия мер для защиты человека от его воздействия. Для выбора необходимых способов и средств защиты следует знать дозы ионизирующих излучений, а также активность радиоактивных препаратов. Для определения доз применяются дозиметрические устройства – дозиметры. Активность радиоактивных изотопов измеряют радиометрами.
Атмосферный воздух обладает естественной радиоактивностью, которая обусловлена в основном наличием в нем радона и продуктов его распада. Радон – инертный газ, являющийся продуктом распада радия, содержащегося в почве. Количество радона в воздухе определяется содержанием радия в почве и условиями выхода радона из почвы. Продуктами распада радона 22286Rn являются изотопы 21886Ро, 21482Pb, 21483Bi, 21484Ро и др.
Несмотря на малую концентрацию этих изотопов в воздухе, их можно сравнительно легко обнаружить. При встрече с твердыми частицами дыма, пыли, капельками тумана радиоактивные изотопы оседают на их поверхности. Если пропустить значительный объем воздуха через фильтр, улавливающий твердые частицы, то можно сконцентрировать естественные радиоактивные изотопы, присутствующие в данном объеме воздуха, в небольшом объеме фильтра. Для этой цели можно использовать специальные аэрозольные фильтры, а также вату, фильтровальную бумагу. Активность полученного таким образом препарата зависит в основном от -радиоактивности изотопов 21482Pb и 21484Вi.