Л. Р. СБОРНИК № 3: ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
РАБОТА 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ ПРЕПАРАТА
ОТНОСИТЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ
Приборы и принадлежности: блок детектирование БДЗА2-01, измеритель средней скорости счета импульсов УИМ2-2, радиоактивный препарат с
известной активностью, препараты с неизвестной активностью.
Цель работы: определение неизвестнойα - активности изотопа путем сравнения его с эталонным изотопом, α -активность которого известна.
Описание установки метода измерений
Активностью источниканазывается число радиоактивных распадов в единицу времени:
А = dN /dt =λ ⋅ N,
где N - число нераспавшихся ядер в препарате, λ - постоянная распада.
Число частиц n , регистрируемых счетчиком за определенное время,
пропорционально активности образца:
n =κ ⋅ A.
Поэтому активность Ах неизвестного образца и активность Аэ эталона
будут пропорциональны числу частиц nх и nз, регистрируемых счетчиком в каждом случае:
Ах / Аэ = nх / n
Рис. 5
Для измерения скорости счета импульсов данной работе используется блок
детектирования, включающий в себя сцинтиллятор, фотоэлектронный
20
умножитель и источник высокого напряжения (рис. 5), подключенный к
счетчику-измерителю средней скорости счета импульсов.
Порядок выполнения работы.
1. Приводят установку в состояние готовности к проведению измерений.
а) убеждаются, что блок детектирования соединен кабелем с измерителем;
б) все выключатели на панели измерителя скорости счета импульсов должны
быть в положении “выкл.”, т.е. в отжатом положении;
в) включают в сетевую. Розетку измеритель скорости счета и нажатием
кнопки “сеть” включают прибор (при этом должна загореться сигнальная
лампочка);
г) нажимают переключатель каналов “II”;
д) дают прогреться прибору в течение 3-5 минут.
2. Проводят измерения:
а) на середину экрана блока детектора кладут α - частицу с известной
активностью;
б) нажимают кнопку “разряд” для установления стрелки измерительного
прибора на нулевое положение и затем отпускают. Через промежуток времени,
равный примерно 0.5 мин. Снимают показания по стрелочному прибору,
которые определяются по красной (верхней) шкале, если горит красная лампа
(под светящимся значением множителя); или по зеленой (нижней) шкале, если
горит зеленая лампа. Записывают в таблицу измеренные значения Э n с учетом
светящегося множительного коэффициента (1, 10, 100, 1000, 10000 или
100000), который устанавливается автоматически;
в) опыт повторяют 5 раз, данные записывают в таблицу;
г) на экран блока детектора вместо эталонного кладут исследуемый препарат
и проводят измерения в соответствии с пунктами “б” и “в”, данные записывают
в таблицу. Измерения проводят для пяти препаратов.
№ Э n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n
1.
2.
3.
4.
5.
Среднее
3. Подсчитывают средние значения измеренных величин n Э и n i для каждого
из исследуемых препаратов.
4. На основании данных таблицы для каждого препарата вычисляют среднее
значение активности i A по формуле:
= ⋅ i Э А А
Э
i
n
n ,
где n Э и n i - средние значения скоростей счета импульсов эталонного и
исследуемых изотопов соответственно.
21
5. Относительная погрешность определяемой активности i A в каждом из пяти
случаев равна:
2 2 2
A A Э i E E E E i Э
= + + ,
а абсолютная погрешность
i i Ai ΔA = A ⋅ E
Здесь относительная погрешность известной эталонной активности,
Э
Э
A A
A
E i
Δ
= относительная погрешность скорости счета эталонного
образца,
Э Э
Э
Э
Э
Э n n
n
n
E n 1
2 2
2 = ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎝
⎛
= ⎟
⎟⎠
⎞
⎜ ⎜⎝
⎛ Δ
= , относительная погрешность скорости счета
неизвестного образца i i E2 = 1 n
6. Сделать письменное заключение по работе, в котором привести
активности исследуемых препаратов в виде A = (A ± ΔA )⋅ c−1 i i i
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулировать закон радиоактивного распада. Привести его вывод
2. Что такое активность препарата и каковы единицы ее измерения?
3. Объяснить механизм α - распада и его особенности.
4. В чем сострит особенность энергетического спектраα - излучения?
5. Как объяснить возникновение γ - излучения, сопровождающего α -
распад?
6. Объяснить принцип работы сцинтилляционного детектора.
22
РАБОТА 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ
Приборы и принадлежности: источник α - излучения на подвижном
держателе со шкалой отсчета расстояния, сцинтилляционный детектор частиц ,
блок питания и усиления, пересчетный прибор типа ПС-100, секундомер.
Цель работы: ознакомление с основными закономерностями
взаимодействия заряженных частиц с веществом на примере движения α -
частиц в воздухе.
Описание установки и метода измерений: в работе производится
измерение количества регистрируемых α - частиц в зависимости от расстояния
между источником излучения и детектором частиц. Схема установки показана
на рис.6.
Рис. 6
Она состоит из источника α - излучения 1, укрепленного на подвижном
стержне 2 с верньером, по шкале которого отсчитывается расстояние от
источника до детектора 3. Детектор состоит из сцинтилляционного датчика и
фотоумножителя, питание которого осуществляется от источника высокого
напряжения 4.
Каждое попадание α - частицы в сцинтилляционный датчик вызывает очень
короткую вспышку света. Преобразование световой вспышки в электрический
импульс производится в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ). Пересчетный
прибор 5 производит счет импульсов, поступающих с ФЭУ. Движение
заряженной частицы в веществе сопровождается возбуждением и ионизацией
атома вещества. Это приводит к потере энергии частицы и уменьшению ее
скорости. Относительное изменение энергии α - частицы при акте
23
взаимодействия с электроном атома мало (сотые доли процента), поэтому α -
частица создает на своем пути десятки тысяч ионизированных атомов.
Расстояние, на котором частица теряет всю энергию, называется длиной
пробега частицы 0 R . График зависимости числа α - частиц N от толщины слоя
вещества L приведен на рис. 7.
Рис. 7
При толщине слоя вещества, равном среднему пробегу, практически все
альфа-частицы теряют энергию на ионизацию. В работе необходимо
определить по графической зависимости средний пробег альфа-частицы в
воздухе 0 R . .Для этого измеряют число α -частиц, регистрируемых детектором
за определенный промежуток времени на различных расстояниях от
источника.
Значение R0 определяют по экстраполяции графика N(L)как показано на
рис. 7. Из соотношения
3 2
0 R = 0.31⋅ E
определяют начальную энергию частицы E в МэВ ( 0 R – длина пробега α -
частицы в сухом воздухе в см).
Порядок выполнения работы.
1. Включить тумблер ”сеть” на приборах Т-3 и ПС-100 и дать приборам
прогреться в течение 3 мин. Все кнопки прибора ПС-100 должны быть в
исходном (не нажатом) состоянии.
2 . Отпустить с помощью верньера шток держателя с источником α -
излучения на торец сцинтилляционного детектора. При этом расстояние между
источником излучения и датчиком детектора составляет 0 L = 20 мм- расстояние,
проходимое α - частицами в кожухе детектора.
3. Нажать кнопку “пуск” на приборе ПС-100 и одновременно включить
секундомер. По истечению 30 сек. нажать кнопку “стоп” на приборе ПС-100 и
произвести отсчет импульсов N по светящимся индикаторам. Записать
результат в таблицу и нажать кнопку “сброс”. Повторить измерения еще 2 раза
и записать результаты в таблицу.
24
Таблица
i L L L, мм 0 = + Δ 1
i N 2
i N 3
i N ср N ΔN
1 20
2 21
3 22
и т.д. …
4. Поднять с помощью верньера шток с источником на высоту ΔL = 1 мм.
Расстояние L примет значение L = 0 L + ΔL .
Повторить измерения по п. 3. Продолжать перемещать источник излучения с
шагом 1 мм и проводит измерения до высоты, при которой счет импульсов
практически прекратиться.
5. Вычислить среднее значение числа ср N зарегистрированных импульсов для
каждого из расстояний и его погрешность по формулам введения. Результаты
занести в таблицу.
6. построить график зависимости ср N от расстояния L . В соответствии с рис.
19 экстраполировать по графику прямолинейный участок спадающей кривой до
пересечения с осью L и найти значение 0 R ..
7. Определить среднюю кинетическую энергию α - частиц данного
радиоактивного вещества.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные механизмы потерь энергии α - частиц в веществе?
2. Что такое длина пробега α - частицы и от чего зависит ее величина?
3. Каковы основные особенности энергетического спектра α - частиц?
4. Во сколько раз пробег α - частицы в воздухе меньше, чем пробеги
протона и однократно ионизированного атома гелия той же энергии?
5. Оценить число пар ионов, образуемых α - частицей с энергией 5 МэВ на
длине пробега.
25
Вторичные электроны, возникающие при "рождении пары" в результате
взаимодействия γ-квантов с веществом, обладают значительной энергией и
производят ионизацию и возбуждение атомов среды.
Проникающая способность γ-лучей, как видно из табл. A, увеличивается с
ростом энергии γ-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-
поглотителя.
Таблица A
Толщина слоя вещества, ослабляющего – излучение в 10
Энергия γ- раз, см
квантов, Мэв вода бетон свинец
0.5 24 12 1.3
1.0 33 16 2.9
5.0 76 36 4.7
Нейтроны при движении в веществе с электронными оболочками атомов не
взаимодействуют и относительно легко проникают вглубь атома. При
взаимодействии с атомными ядрами они испытывают рассеивание или при
захвате нейтрона ядром вызывают ядерные реакции с выходом из ядра частиц и
γ- квантов. Ядра атомов после соударения с нейтронами и быстрей заряженные
частицы ионизируют и возбуждают атомы среды. При этом выделяют:
Энергия в эВ Эквивалентная
температура, К
Холодные нейтроны 10-3 1
Тепловые нейтроны 2.5·10-2 290
Медленные нейтроны 1 1.2·104
Быстрые нейтроны 5·105 1.2·1010
Для быстрых нейтронов при взаимодействиях с ядрами характерно так
называемое упругое рассеяние, когда нейтрон отдает ядру часть своей энергии,
а сам замедляется. Вероятность такого рассеяния возрастает с увеличением
массового числа ядра и происходит наиболее эффективно для тепловых и
медленных нейтронов, поэтому для осуществления регулируемых ядерных
реакций обычно применяются специальные замедлители нейтронов (например,
тяжелая вода D2O, бериллий, графит и пр.), которые вводят в зону реакции. Для
управления ядерными реакциями в потоке нейтронов применяют также
поглотители тепловых нейтронов. Обнаружен ряд веществ (например, кадмий),
ядра которых обладают очень большой (резонансной) способностью поглощать
нейтроны малых энергий без порождения новых.
Гамма-лучи и потоки нейтронов являются наиболее проникающими видами
ионизирующего излучения, потому при внешнем облучении они представляют
наибольшую опасность.
34