ИЗЛУЧЕНИЙ В АЛЮМИНИИ
Цель работы: с помощью радиометра Б-4 исследовать поглощение в слоях алюминия и определить коэффициент поглощения.
Приборы: источник ионизирующего излучения, радиометр Б-4, поглощающие алюминиевые слои.
Теоретические сведения
Ядра естественных радиоактивных веществ могут испытывать или альфа-, или бета-распад. При этом возникает сопутствующее гамма-излучение. Альфа-распад испытывают нестабильные ядра, пересыщенные протонами сверх некоторой нормы: поскольку в тяжёлых ядрах протонов меньше, чем нейтронов, при выбросе альфа-частицы (2Не4) процентное содержание протонов снижается. Бета-распад испытывают ядра, пересыщенные нейтронами. При бета-распаде внутри ядра происходит превращение нейтрона в протон с выбросом электрона и нейтрино: n→p+ν+ē. Гамма-излучение не является самостоятельным видом распада, оно сопутствует альфа- или бета-распаду: новое (дочернее) ядро получается в возбуждённом состоянии, и переход на нормальный энергетический уровень сопровождается испусканием гамма-фотона.
Ядро естественного радиоактивного изотопа обычно испытывает целый ряд альфа- и бета-превращений, пока не превратится в стабильное ядро. Например, для урана-238 имеется такой ряд: уран-238-радон-222-полоний-213-свинец-214-висмут-214-полоний-214-свинец-210-висмут-210-полоний-210-свинец-206. В препарате урана-238 все эти промежуточные продукты распада с течением времени накапливаются до достижения динамически равновесных концентраций, пропорциональных периодам полураспадов. Препарат урана будет давать альфа-, бета- и гамма- излучения с разнообразными энергиями частиц. На рис. 82 дано для примера начало схемы распадов для элементов радиоактивного ряда урана-235 с указанием энергии излучаемых частиц.
Рис. 83
Все виды радиоактивных излучений, проходя через вещество, поглощаются. Альфа-частица, двигаясь через вещество, тратит свою энергию на ионизацию атомов вещества, а затем нейтрализуется до атома гелия, присоединив к себе два электрона. Пробег до нейтрализации у альфа-частиц с энергиями 5-10 МэВ невелик: в воздухе до 10 см, в алюминии до 0,01 см, т.е. уже тонкие металлические пластинки полностью поглощают поток альфа-частиц.
Рис. 84
Бета-частица, двигаясь через вещество, также тратит свою энергию на ионизацию или возбуждение атомов. Кроме того, при больших энергиях происходит сильное торможение бета-частиц в поле ядра, при этом испускается тормозное гамма-излучение. Гамма-фотон поглощается в веществе посредством трёх механизмов: фотоэффекта, комтон-эффекта и превращения в электронно-позитронные пары. При фотоэффекте (рис. 84, а) вся энергия гамма-кванта идёт на отрыв электрона от атома, при комтон-эффекте (рис. 84, б) электрону передаётся лишь часть энергии гамма-кванта; образование электронно-позитронной пары (рис. 84, в) возможно, лишь когда энергия гамма-кванта превосходит энергию покоя пары (1,02 МэВ). Фотоны с энергиями до 0,5 МэВ поглощаются при комптон-эффекте.
Как для гамма-, так приближенно и для бета-излучения справедлив экспоненциальный закон поглощения
I=I0·exp(-µX),
где µ – коэффициент поглощения, зависящий от природы поглощающего вещества и энергии частиц; Х – толщина поглощающего слоя; I – интенсивность пучка, прошедшего через этот слой; I0 – интенсивность пучка, падающего на слой. График этой зависимости в полулогарифмических координатах (X, lnI) – прямолинеен
lnI=-µX+lnI0,
а коэффициент поглощения µ играет роль углового коэффициента этой прямой
.
Описание прибора
Излучение соли урана из отверстия в свинцовом контейнере направляется через поглощающие слои алюминиевой фольги на счётчик Гейгера – Мюллера (см. макет установки). Попавшие внутрь счётчика бета-частицы производят ионизацию газа, заполняющего счётчик, и от этого возникают импульсы газового разряда, которые поступают затем на усилитель. Гамма-фотоны выбивают из металлического корпуса внутрь счётчика фотоэлектроны, также порождающие импульсы разрядов. Усиленные импульсы поступают на электронную пересчётную схему, собранную из ламп тлеющего разряда для десятичного счёта – декатронов. По их показаниям определяется число импульсов за какое-то время.
