Описание установки и метода измерений

Определение радиоактивности вещества с помощью радиометра

Приборы и принадлежности

 

1. Радиометр Б-4;

2. секундомер;

3. радиоактивный препарат слабой интенсивности.

 

Цель работы: Ознакомиться с устройством и работой установки для регистрации ядерного излучения, определить радиоактивность исследуемого препарата.

Краткая теория

В 1886 году Беккерель открыл явление радиоактивности. Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием невидимого излучения.

Исследования показали, что радиоактивные излучения способны: а) вызывать биологические и химические действия; б) ионизировать газы; в) возбуждать флюоресценцию многих твердых и жидких тел; г) обладать большой проникающей способностью.

В дальнейшем было установлено, что радиоактивные излучения состоят из трех компонентов различной природы - - лучей.

Опыты по отклонению - частиц в магнитном поле позволили определить отношение заряда к массе: . Рассчитанная отсюда масса оказалась равной массе ионов гелия. Заряд - частицы положителен и равен по величине двум элементарным зарядам.

Способность пробивать тонкий слой стекла (~ 0,04мм) показывает, что - частица несет с собой огромную энергию. - частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями 14000-20000 км/с, что соответствует кинетическим энергиям 4-9 Мэв. Двигаясь в веществе, - частица ионизирует встречные атомы и постепенно растрачивает свою энергию. Путь, проходимый - частицей в веществе до остановки, называется ее пробегом или проникающей способностью (составляет 3-9 см), а число пар ионов, создаваемых - частицей на пробеге, называется ее ионизирующей способностью (30000 пар ионов на 1 см пробега). Таким образом, - частицы обладают высокой ионизирующей способностью, но небольшой проникающей. Особенность действия - частицы – поражение тканей только в непосредственной близости от излучателя.

лучи

Измерения удельного заряда показали, что - частицы являются электронами весьма больших скоростей, достигающих в некоторых случаях 0,999 с, что отвечает энергиям до 10Мэв. Средняя скорость - частиц составляет 160000 км/с, а масса в 7350 раз меньше массы - частицы. Поскольку - частица имеет малую массу, большую скорость и несет только один элементарный заряд, ее ионизирующая способность значительно меньше, а пробег во много раз больше, чем у - частицы (в воздухе 40 м, в Al – 2 см, в биологической ткани – 6 см).

- лучи

-лучи представляют собой поток фотонов, имеющих высокую частоту ~10²⁰ Гц, что соответствует короткой длине волны ~10^-12 м; энергия - фотонов порядка 0,1-10 Мэв. Отсутствие отклонения в электрическом и магнитном полях, огромная проникающая способность указывает на аналогию их с рентгеновскими лучами, но в отличие от рентгеновских лучей, -лучи испускаются атомным ядром. Наиболее жесткие -лучи проходят слой свинца толщиной 5 см или через слой воздуха толщиной в несколько сотен метров: тело человека они пронизывают насквозь. Ионизирующая способность -лучей невелика (в воздухе в среднем 1-2 пары ионов на 1 см «пробега»).

Радиоактивное излучение испускается атомными ядрами, а не их электронными оболочками. Очевидно, что радиоактивное излучение ведет к превращению атомов излучающего элемента в атомы другого элемента.

При испускании - частицы заряд ядра увеличивается на единицу (благодаря превращению нейтрона в протон), а масса практически не меняется (ввиду малости массы - частицы). Следовательно, по мере - распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером на единицу большим и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при - распаде элемент смещается в периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа. Символически это правило смещения записывается так:

.

Например: .

При - распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы, т. к. - частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Правило смещения при - распаде выглядит так:

.

Например:

.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента по закону:

. (1)

где N₀ – число ядер в начальный момент;

N - количество оставшихся (не распавшихся) ядер;

- постоянная радиоактивного распада;

t - время, прошедшее с начала распада;

e - основание натурального логарифма (е=2,718).

Время, в течение которого распадается половина начального количества вещества, называется периодом полураспада этого элемента. Период полураспада Т связан с постоянной распада соотношением:

. (2)

Т и для различных радиоактивных элементов различны. Например, для урана Т измеряется миллиардами лет, а для радиоактивного изотопа лития Т= 0,89 с.

Продукт радиоактивного распада химического элемента может сам быть радиоактивным. Поэтому процесс радиоактивного распада обычно проходит через ряд промежуточных стадий, образуя цепочку радиоактивных элементов, заканчивающуюся стабильным элементом, как правило, изотопом свинца. В настоящее время известны 4 радиоактивных семейства: урана - , нептуния - , актиния - , тория - .

Радиоактивные элементы (радионуклиды) характеризуются активностью, т. е. количеством распадов за 1 с:

. (3)

В системе СИ активность измеряется в беккерелях (Бк).

1Бк = 1 распад/с. Широко используется внесистемная единица активности – Кюри (Ки), 1 Ки = 3,7×10¹⁰ распадов/с.

Ядерные излучения оказывают сильное поражающее действие на все живые организмы. Характер этого действия зависит от поглощенной дозы излучения и его вида. Дозой поглощенного излучения называют величину, равную отношению энергии излучения, поглощенной телом, к его массе. В системе СИ принят Грей (Гр) 1 Гр = 1 Дж/1 кг.

Экспозиционной дозой излучения называют величину, равную отношению суммарного заряда ионов одного знака, образованных излучением в некотором объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме: ЭДИ = .

Поражающее действие излучения при одной и той же поглощенной дозе зависит от вида излучения. Поэтому принято сравнивать биологическое действие всех видов излучения с биологическим действием рентгеновского и - излучения. Для этого введен коэффициент относительной биологической эффективности (КОБЭ).

Рентгеновское и - излучение, - частицы – 1 КОБЭ.

Быстрые нейтроны, протоны, - частицы - 10 КОБЭ.

За единицу эквивалентной дозы поглощения принят 1 Зиверт (Зв).

Зв = 1 Гр × КОБЭ.

На практике часто используют внесистемную единицу БЭР (биологический эквивалент рентгена). 1 Зв = 100 БЭР.

В таблице 1 показаны все единицы величин радиоактивности.

Таблица 1

 

Характеристики и единицы измерения радиоактивности

 

Физические величины	Единица радиоактивности	Соотношение между единицами
Система Си	Внесистемные единицы
Активность нуклида	Беккерель (Бк), 1 распад/с	Кюри (Ки)	1 Ки =3,7 × 1010 Бк
Поглощенная доза излучения	Грей 1 Гр= 1	Рад	1 Гр = 100 рад
Экспозиционная доза излучения		Рентген (Р)	1 Р= 2,58×10-4
Эквивалентная доза излучения	Зиверт (Зв)	бэр	1 Зв = 100 бэр

 

Описание установки и метода измерений

 

Определение радиоактивности препарата в работе осуществляется с помощью радиометра Б-4. Он состоит из счетчика частиц Гейгера и пересчетного устройства с декатронным счетчиком импульсов.

В счетную часть установки Б-4 входят: счетчик 1, высоковольтный выпрямитель для питания счетчика 2, усилитель импульсов 3, декатронный счетчик импульсов 4 (рис. 1).

Счетчик Гейгера представляет собой цилиндрический баллон (из стекла или другого материала), внутренние стенки которого покрыты тонким слоем меди, являющейся катодом. Вдоль оси цилиндра натянута металлическая нить – анод, изолированная от катода. Анод через сопротивление соединяется с землей.

Пространство между электродами заполнено газом при пониженном давлении, между анодом и катодом с помощью высоковольтного выпрямителя создается высокая разность потенциалов (0-200 В).

Заряженная микрочастица, попадая в пространство между анодом и катодом, вызывает ионизацию газа. Образовавшиеся в газе ионы будут притягиваться полем к электродам (аноду и катоду), вследствие чего возникает слабый кратковременный ток. Этот заряд нужно быстро «погасить», чтобы импульс тока от следующей частицы не накладывался на предыдущий. Такое гашение импульса достигается включением большого активного сопротивления (порядка 10⁹ Ом) между анодом счетчика и положительным полюсом выпрямителя. Слабые импульсы падения напряжения на сопротивлении усиливаются усилителем и подаются на пересчетное устройство. Конденсатор С необходим для того, чтобы постоянное высокое напряжение не попадало на вход усилителя импульсов.

 

А

1 С 3 4

 

 

К

R

 

- +

 

Рис. 1. Счетчик Гейгера

 

1 - счетчик; 2 - высоковольтный выпрямитель; 3 - усилитель импульсов; 4 - счетчик импульсов; А - анод; К – катод

 

Распад ядер регистрируется счетчиком, но из всех частиц, на которые распадаются ядра радиоактивного препарата, счетчик отметит только ту часть, которая попадает на трубку (рис. 2).

Частицы излучаются радиально во всех направлениях, и общее число радиоактивных частиц, испускаемых в единицу времени или активность препарата можно подсчитать так:

, (4)

где - площадь сферы радиуса, равного расстоянию препарата от счетчика частиц;

S_mp - площадь сечения трубки счетчика равняется ее диаметру, умноженному на длину цилиндрической части трубки: S_mp = d× l;

N_S - число распадов за время t, отсчитанных на опыте счетчиком ионизирующих частиц, за вычетом «фона». Фон N ^/определяется числом ионизирующих частиц, попадающих в счетчик в отсутствие радиоактивного препарата. Радиационный фон земли складывается из трех компонентов:

1) излучения, обусловленного космическим излучением;

2) излучения от рассеянных в земной коре, почве, воздухе, воде естественных радионуклидов, из которых основной вклад в дозу облучения человека вносят ⁴⁰ K, ²³⁸U, ²³² Th вместе с продуктами распада урана и тория;

3) излучения от искусственных радионуклидов, обусловленного деятельностью человека (ядерные взрывы, отходы атомных станций, атомной промышленности, использование радиоактивных веществ в медицине, науке, технике, сельском хозяйстве).

 

Рис. 2. Регистрация заряженных частиц счетчиком Гейгера

 

Порядок выполнения работы

1. Включить кабель питания в сеть переменного тока.

2. Нажать кнопку «вход» 1:1.

3. Нажать кнопку «стоп» кнопочного переключателя. При этом установка включается в сеть.

4. Нажать кнопку «сброс». При этом показания счетчиков устанавливаются на нуль.

5. Поместить радиоактивный препарат возле счетчика на расстояние R, значение R занести в таблицу.

6. Произвести счет разрядов N_S ^/ , для чего нажать кнопку «пуск» одновременно с секундомером. Через 2 мин также одновременно нажать кнопку «стоп» и выключить секундомер. Снять показания счетчиков. Число зарегистрированных импульсов равно сумме произведений показаний счетчиков на соответствующие коэффициенты пересчета, равные 1; 2-й – 10; 3-й – 100; 4-й - 1000; 5-й - 10000; 6-й - 100000. Затем нажать кнопку «сброс». Эти измерения повторить 5 раз, не изменяя расстояния препарата от счетчика и время отсчета.

7. Убрать препарат и сосчитать разряды фона (N ^/). Время отсчета брать то же, что и при опыте с препаратом. Эти опыты повторить тоже 5 раз. Результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2

 

Необходимые данные для определения активности радиоактивного препарата

 

№ изм.	R, м	Sтр, м2	t, с	NS /	N /	NS	NS : t, с-1	n, с-1	Δ n, с-1
… …
среднее