Определение максимальной энергии β-частиц методом поглощения

Цель работы: определение слоя половинного ослабления бета-излучения в алюминии и бумаге. Измерение максимальной энергии бета-излучения методом поглощения.

Теоретическая часть:

Бета-распадом ядра называется такое радиоактивное превращение, при котором массовое число А ядра не меняется, а зарядовое число меняется на единицу.

Существуют три вида бета-распада: β^-–распад (бета-минус распад, или электронный распад), β⁺–распад (бета-плюс распад, или позитронный распада) и K –захват (электронный захват).

Атомное ядро, испытывающее β^-–распад, испускает электрон и антинейтрино (антинейтрино – элементарная незаряженная частица с ненулевой массой покоя). Электрон и антинейтрино возникают в ядре в процессе радиоактивного превращения одного из нейтронов n в протон p. При β^-–распаде зарядовое число радионуклида увеличивается на единицу. Примером этого распада является радиоактивное превращение :

Электронный распад (β^-–распад) могут испытывать как естественные, так и искусственные радионуклиды.

Рисунок 1. Схема электронного бета-распада

При β⁺–распаде атомное ядро испускает позитрон и нейтрино , образующиеся при спонтанном превращении одного из протонов ядра в нейтрон. Позитронный распад (β⁺–распад) свойственен искусственным радионуклидам. Зарядовое число Z материнского ядра, испытывающего позитронный распад, уменьшается на единицу, как например, в случае:

Рисунок 2. Схема позитронного бета-распада

При β–распаде, происходящем по типу К -захвата, один из протонов ядра захватывает атомный электрон, чаще всего К -оболочки, и превращается в нейтрон. Образующееся при захвате дочернее ядро имеет зарядовое число Z на единицу меньше, чем распадающееся материнское ядро. Примером К -захвата может служить радиоактивное превращение :

К -захват присущ как искусственным, так и естественным радионуклидам. Электроны и позитроны, испускаемые атомными ядрами при радиоактивном превращении, называют бета-частицами.

Дочерние ядра, образующиеся в результате бета-распада, могут возникать как в основном, так и в возбужденном состояниях. Снятие возбуждения этих ядер происходит за счет испускания ими гамма-фотонов. Поэтому многие бета-активные радионуклиды являются смешанными источниками бета-гамма-излучения. Если регистрируемое излучение состоит из нескольких компонентов, из которых могут регистрироваться не все, то необходимо учитывать вероятность таких путей распада – поправку на схему распада.

Рисунок 3. Возможные схемы распада

Данные о степени разветвленности распада радионуклидов могут быть представлены в форме таблиц или графических схем. На схеме распада (см. рис.3) горизонтальными линиями обозначают уровни энергии исходного и конечного ядра и промежуточных состояний, а стрелками, соединяющими энергетические уровни, – характер ядерных превращений: γ-излучение – вертикальной стрелкой, β- распад – тонкой стрелкой и т.д. Возле стрелок указывают энергию излучения (обычно в эВ) и выход части данной энергии на один акт распада (в процентах).

При β- распаде из ядра вылетает не одна, а две частицы. Поэтому энергетические соотношения для β- распада характеризуются не только общей энергией, выделяющейся при распаде, но и распределением этой энергии между вылетающими частицами. Энергия перераспределяется между дочерним ядром, электроном (позитроном и антинейтрино (нейтрино)) в отношении, обратно пропорциональном их массам. Поэтому на дочернее ядро (ядро отдачи) приходится незначительная часть выделяющейся энергии. Ее основная часть при бета-распаде уносится бета-частицами и нейтрино (антинейтрино). При этом кинетическая энергия бета-частицы, вылетающей из ядра, может принимать любые значения – от близких к нулю до некоторого максимального, граничного значения. Примерный вид распределения бета-частиц по значениям их кинетических энергий (бета-спектр) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Бета-спектр

Каждый бета-активный радионуклид имеет сплошной энергетический бета-спектр с определенным значением максимальной энергии. E^β_max. У одних радионуклидов энергия E^β_max составляет несколько КэВ, у других же составляет несколько десятков МэВ. Бета-спектр многих радионуклидов состоит из нескольких парциальных бета-спектров, ограниченных определенными значениями E^β_max.

Причина возникновения таких сложных бета-спектров кроется в дискретной энергетической структуре атомных ядер. Сложный бета-спектр с набором дискретных значений E_β образуется тогда, когда дочерние ядра возникают не только в основном, но и в возбужденном состояниях. Вероятность перехода ядра в различные энергетические уровни, как правила, различна. Примером сложного бета-спектра является энергетических спектр , состоящий из двух парциальных спектров с граничными значениями E^β_max, МэВ: 0,51 (92%); 1,17 (8%) (см. рис. 5).

Рисунок 5. Схема распада

Детальное измерение всех участков как простых, так и сложных бета-спектров осуществляется с помощью специальных приборов – бета-спектрометров. Приближенно определить максимальное значение энергии E^β_max бета-спектра можно и без спектрометра, пользуясь методом поглощения.

Этот метод основан на зависимости поглощения электронов и позитронов веществом от их энергии и плотности поглотителя. Энергетические потери бета-частиц, приводящие к их поглощению веществом, складываются из радиационных и ионизационных:

Радиационные потери – процесс потери энергии излучением на торможении частиц в электрическом поле ядра встреченных атомов. В результате радиационных потерь возникает тормозное рентгеновское излучение.

Ионизационные потери – энергия излучения, растрачиваемая на ионизацию и возбуждение атомов вещества-поглотителя.

Ионизационные потери являются преобладающими для электронов и играют основную роль в поглощении бета-частиц легкими поглотителями (алюминий, вода, воздух, бумага и т.д.), для которых составляет несколько десятков МэВ, что значительно больше энергии электронов и позитронов, возникающих при бета-распаде.

Ослабление бета-излучения в веществе происходит по закону, близкому к экспоненциальному:

N=N₀e^-µd,

где N – число бета-частиц, прошедших через слой вещества;

N₀ – число бета-частиц, падающих за 1 с на 1 см² площади поглотителя (т.е. при d =0);

e – основание натуральных логарифмов;

µ – линейный коэффициент ослабления излучений, показывающий относительное уменьшение потока бета-частиц после прохождения слоя вещества-поглотителя толщиной 1 г/см²;

d – толщина слоя поглотителя, г/см².

 

Толщина поглощающего слоя, который примерно вдвое ослабляет интенсивность бета-излучения называется слоем половинного ослабления Δ_1/2.

 

Слой половинного ослабления Δ_1/2 бета-излучения измеряется в единицах поверхностной плотности (мг/см², г/см²).

 

 

Материалы и оборудование: радиометр МКС/СРП-08А; радиоактивные препараты ¹³⁷Cs, алюминиевая фольга, бумага, пластик, аналитические весы, ножницы, линейка.

 

Выполнение работы.

1. Определить параметры одного слоя поглотителя (фольга, бумага, пластик). Результаты занести в таблицу 1.

2. Подготовить радиометр МКС/СРП-08А к работе.

3. Проверить работоспособность прибора.

4. Определить скорость счета от фона N_ф (имп/мин) не менее трех раз. Время счета 16 сек.

5. Поместить под счетчик радиоактивный препарат и определить скорость счета N₀ (имп/мин) не менее трех раз. Время счета 16 секунд.

6. Не изменяя относительной геометрии препарата и детектора, накрыть препарат пластинкой из фольги, определить скорость счета N ₁ не менее трех раз.

7. Не изменяя относительной геометрии препарата и детектора, накрыть препарат еще одной пластинкой из фольги, определить скорость счета N ₂, N ₃ и т.д., вплоть до момента, когда N_K = N _ф.

8. По зарегистрированным данным построить зависимость ослабления потока частиц от суммарной толщины поглотителя (в мг/см²), за единицу принять скорость счета неослабленного потока частиц, ось ослабления построить в логарифмической шкале.

9. По графику определить толщину слоя половинного поглощения.

10. По графику в приложении определить максимальную энергию частиц образца изотопа.

11. Сделать выводы

Таблица 1. Параметры поглотителя.
размер фрагмента фольги, бумаги, пластика	масса	поверхностная плотность
a, см	b, см	s, см2	m, г	мг/см2

 

 

	Таблица 2. Определение слоя половинного ослабления излучения образца изотопа
Образец изотопа
число слоев				среднее	стандартное отклонение
фон
0
1
толщина слоя половинного ослабления, мг/см2
максимальная энергия частиц в пучке, МэВ

 

Приложение 1

Зависимость слоя половинного ослабления от энергии частиц