ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ a- РАСПАДА
____
Приборы и принадлежности: альфа-нейтронный радиометр типа Кран-1, измерительная шкала, набор источников a-излучени.
Цель работы: ознакомление с основными теориями a-распада и взаимодействия
a-частиц с веществом.
ВВЕДЕНИЕ
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одних химических элементов в изотопы других химических элементов, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.
Радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых
изотопов, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной.
a - лучи представляют собой поток ядер атома гелия 
.
Естественным a-распадом называется испускание ядрами тяжелых химических элементов (с Z 
82) a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Распадающееся ядро называется материнским, а ядро продукта распада - дочерним.
,
где X - символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру;
У - то же для дочернего ядра;
А- массовое число (барионный заряд или число нуклонов в ядре);
Z - электрический заряд ядра (число протонов в ядре).
Для каждого радиоактивного ядра существует вероятность (l), что оно испытает превращение в единицу времени. Обозначим число ядер в момент времени t через dN(t). Убыль ядер -dN за время dt пропорциональна наличию ядер N и времени dt:
-dN=lNdt (1),
где l - постоянная распада (при dt=1, l= 
). Представим выражение (1) в виде: 
и проинтегрируем его: 
; 
или 
,(2)
где No - начальное число ядер (при t=0) - закон радиоактивного распада.
Из основного закона (2) следует, что число распадающихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.
N
No
N0/2
 |
0 Т t
Рис.1
Число распадов в единицу времени называется активностью радиоактивного вещества (А): 
т.е. активность пропорциональна числу радиоактивных ядер, содержащихся в источнике в момент, для которого определяется активность.
Единица активности: [ А ]= 1 распад/с = 1 с-1.
Эта единица называется беккерель (Бк). Беккерель - это активность радиоактивного источника, в котором за 1 секунду происходит 1 акт распада. 
Внесистемная единица активности - кюри (Ки) - это активность источника, в котором происходит 3,700×1010 актов распадов в секунду. 1 Ки = 3,700×1010 Бк.
Величиной, указывающей на быстроту следования распадов ядер, является период полураспада (Т). Период полураспада - это промежуток времени, в течение которого в образце распадается половина первоначального количества ядер.
Постоянная радиоактивного распада (l) с периодом полураспада (Т) связана зависимостью: 
(доказать самостоятельно).
Естественные радиоактивные элементы имеют значения периода полураспада от более чем 1010 лет до времен, меньших 10-8с.
a- частица, обладающая большой энергией, попав в вещество, теряет её в основном на возбуждение и ионизацию атомов. Часть энергии она теряет так же при упругих соударениях с ядрами. В конце концов, пройдя определенный путь R, называемый пробегом a- частицы, она теряет всю свою энергию, захватывает два электрона и превращается в нейтральный атом гелия. Пробег является функцией заряда, массы, энергии частицы, а также атомного номера и среднего числа атомов в единице объема вещества. Вследствии того, что a-частицы массивны (они содержат по 4 нуклона) и имеют двойной заряд (+2е), длина их свободного пробега в веществе невелика. Большинство
a-частиц останавливает даже слой воздуха толщиной в несколько сантиметров. Чем больше плотность вещества, тем меньше пробег a-частицы до остановки. В твердом веществе пробег составляет всего несколько десятков микрон. Эксперименты показали, что тождественные радиоактивные атомы испускают несколько групп a-частиц, имеющих свое вполне определенное значение начальной энергии (моноэнергетические группы) и свой средний пробег `R. Отсюда следует, что выбрасываемые из ядер a-частицы обладают определенным энергетическим спектром. Однако пробеги тождественных a-частиц, несколько отличаясь друг от друга, статистически колеблются около среднего значения Rср. Существует простое соотношение между периодом полураспада Т - источника (а следовательно и постоянной радиоактивного распада l) и свободным пробегом испускаемых им a-частиц. Оно было впервые сформулировано в виде чисто эмпирического закона Гейгера-Нэттола: lnl= А + В lnR, где l - постоянная распада ядра,
R - средний пробег продуктов распада в поглотителе, А и В - эмпирические постоянные для данного изотопа. Этот закон утверждает, что чем больше l радиоактивного элемента, тем больше пробег a-частиц
Лабораторная работа включает две задачи: определение активности a-препарата и определение длины свободного пробега a-частиц в воздухе.
Регистрация a-частиц осуществляется переносным a-нейтронным радиометром. Принцип действия a-радиометра основан на том, что a-частица, проходя через сцинтилляционный детектор, вызывает в нем слабые световые вспышки (сцинтилляции), которые с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) преобразуется в электрические импульсы и усиливаются. Последние регистрируются с помощью электронной схемы измерителя скорости счета (подробнее о работе сцинтилляционного счетчика см./ Т.И.Трофимова §261/).
ЗАДАЧА №1. Определение активности a-препаратов.
В данной задаче определение a-активности препаратов проводится относительным методом путем сравнения с эталоном. Показания измерителя скорости счета импульсов пропорциональны числу испускаемых препаратом a-частиц:
(4)
где Аxi-активность i-го исследуемого препарата, Аэ-активность эталонного препарата;
nэ и nxi - число импульсов, даваемых, соответственно, эталонным и неизвестны i-м источником. Из (4) имеем:
(5)
Порядок выполнения работы
1. Прежде чем начать работу с радиометром, необходимо перенести переключатель поддиапазонов в положение “пров” (проверка напряжения питания). Стрелка прибора должна находиться против красной метки на шкале.
2. Установить переключатель поддиапазонов в положение х1000.
3. Приложить a-препарат известной активности вплотную к экрану счетчика и снять измерение nэ. Отсчет показания для a-источника производится по нижней черной шкале “0-25” прибора (в распад/мин × см2).
ВНИМАНИЕ! Время измерения на каждом поддиапазоне должно быть не менее
1 мин. Для ускорения сброса показаний прибора после измерений можно пользоваться переключателем поддиапазонов, устанавливая его в положение “Выкл.”
Опыт повторить 5 раз, данные занести в таблицу 1.
Таблица 1
| №№ опыта | nэ | Aэ | nx1 | Ах1 | nх2 | Ах2 | nх3 | Ах3 |
| среднее |
4. Аналогичные измерения провести для препаратов с неизвестными активностями. Результаты записать в таблицу 1.
5. По формуле (6) рассчитать среднее значение активности 
:
(6)
6. По методике обработки прямых измерений рассчитать абсолютную погрешность DАх для каждого препарата.
7. Результаты представить в виде: 
ЗАДАЧА № 2. Определение длины пробега a-частиц в воздухе.
Зависимость числа a-частиц в потоке (N) от N
толщины слоя вещества (l), через который этот по-
ток проходит, представлено на рис.3. Из рис.3 видно,
что при l =Rсв. N®0.
В данной задаче величина Rср.находится путем
экстрополяции по графику N= f (l) /рис.3/.
Для получения такого графика измеряется чис-
ло a-частиц (N), попадающих за единицу времени в
счетчик при различных расстояниях (l) между источни- l
ком излучения и счетчика. Rсв
Рис.3
Порядок проведения работы
1.Выполнить пп 1 и 2 задачи № 1.
2. Приложить a-препарат к экрану счетчика и через 1 минуту провести измерения числа импульсов N. Измерения провести 5 раз. Результаты измерений занести в таблицу 2.
Таблица 2
| l мм N(l) | ... | |||||||
| среднее `N |
3. Подставку с a-источником опустить на 2 мм. Повторить измерения 5 раз.
4. Провести подобные измерения, каждый раз увеличивая расстояние на 1 мм. (При каждом значении l i измерения проводятся 5 раз.)
5. Толщину слоя l увеличивать до тех пор, пока не прекратится счет импульсов.
6. Для каждого значения l рассчитать среднее значение 
. Построить график функции 
. Экстраполируя по графику прямолинейный участок спадающей кривой (см.рис.3) найти значение 
.
Контрольные вопросы
1. Что такое a-излучение? Как оно взаимодействует с веществом?
2. Вывести закон радиоактивности распада. Представить его графически.
3. Что такое активность препарата? Каковы единицы её измерения?
4. Что такое длина свободного пробега a-частиц и от чего она зависит?
5. Сравнить проникающую способность a-лучей с другим видами излучений.
6. В чем состоит принцип работы сцинтилляционного счетчика?
Принцип работы сцинтилляционного счетчика
Сцинтилляционный метод регистрации ядерного излучения является одним из самых старых методов экспериментальной ядерной физики.
Устройство простейшего сцинтилляционного прибора, предназначенного для регистрации α-частиц, - спинтарископа – представлена на рис.1.
1- 
линза
2-радиоактивный препарат
3-экран из сернистого цинка.
Рис.1
Основными деталями спинтарископа являются: экран 3, покрытый слоем сернистого цинка, и короткофокусная лупа 1. Альфа-радиоактивный препарат 2, помещенный на конце иглы примерно против середины экрана на расстоянии 1-2 см от него. α-частицы при попадании на экран ионизируют и возбуждают атом сернистого цинка. Рекомбинация ионов и возвращение возбужденных атомов в нормальное состояние сопровождается испусканием фотонов света. Вспышка света, возникающая в кристалле, довольно интенсивна, её можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.
Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.
В современных сцинтилляционных счетчиках регистрация световых вспышек производится с помощью фотоэлектронных умножителей, которые преобразуют энергию световой вспышки в сцинтилляционном кристалле в энергию импульса электрического тока и производят усиление импульса электрического тока в миллионы раз. Импульсы тока на выходе фотоэлектронного умножителя регистрируются с помощью радиометра.
Кроме сернистого цинка применяются такие люминофоры (вещества, обладающие способностью сцинтиллировать), как иодистый натрий, иодистый цезий, антрацен, стильбен.
В фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) используются явление вторичной электронной эмиссии. ФЭУ применяются для усиления слабых токов.
Свет Э1 Э3
К Э2 А
ФЭУ представляет собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов – эмиттеров.
При наличии n эмиттеров на аноде, называемом коллектором, получается усиленный в раз фототок.
