Лабораторна робота № 6. 1 визначення втрат енергії a-частинок за довжиною вільного пробігу в повітрі

С.Г.Авдєєв, Т.І.Бабюк, П.В.Гель, О.С. Камінський

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

З ФІЗИКИ

Частина 3

(ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка,

фізика твердого тіла)

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

С.Г.Авдєєв, Т.І.Бабюк, П.В.Гель, О.С. Камінський

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

З ФІЗИКИ

Частина 3

(ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка,

фізика твердого тіла)

 

 

Затверджено Вченою радою Вінницького національного технічного університету як лабораторний практикум для студентів університету. Протокол №8 від 2 березня 2006 року.

 

Вінниця ВНТУ 2006

УДК 53 (075)

А 75

 

 

Рецензенти:

П.М. Зузяк, доктор фізико-математичних наук, професор

В.Г. Дзісь, кандидат технічних наук, доцент

І.О. Сівак, доктор технічних наук, професор

 

 

Рекомендовано до видання Вченою радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

 

Авдєєв С.Г., Бабюк Т.І., П.В.Гель, О.С. Камінський

А75 Лабораторний практикум з фізики, ч.3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла). Лабораторний практикум. Видання третє, перероблене і доповнене. – Вінниця: ВНТУ, 2006. - 122с.

 

Посібник складено відповідно до діючої програми з курсу фізики для технічних вузів і пропонується студентам всіх форм навчання.

 

УДК 53 (075)

 

 

© С.Г. Авдєєв, Т.І. Бабюк, П.В. Гель, О.С. Камінський, 2006

ЗМІСТ

 

Розділ перший. ФІЗИКА АТОМА ТА ЯДРА....…...................................
Лабораторна робота № 6.1 Визначити втрати енергії частинок за довжиною вільного пробігу в повітрі ………………….................................
Лабораторна робота № 6.2 Визначення активності випромі-нювання ……....................................................................................................
Лабораторна робота № 6.3 Визначення лінійного коефіцієнта осла-блення і енергії гама-квантів у свинці для ..............................................
Лабораторна робота № 6.4 Вивчення іонізуючого випромінювання фотоемульсійним методом..................................................................................
Лабораторна робота № 6.5 Визначення питомого заряду електрона методом магнетрона.............................................................................................
Розділ другий. ЕЛЕМЕНТИ СТАТИСТИЧНОЇ ФІЗИКИ ТА ТЕРМОДИНАМІКИ......................................................................................
Лабораторна робота № 7.1 Визначення відношення теплоємностей газу методом Клеймана Дезорма............................................................................
Лабораторна робота № 7.2 Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя та середньої довжини вільного пробігу молекул повітря............................
Лабораторна робота № 7.3 Визначення коефіцієнта в’язкості рідини методом Стокса...............................................................................................
Лабораторна робота № 7.4 Визначення коефіцієнта теплопровідності металів...............................................................................................................
Лабораторна робота № 7.5 Дослідження критичних явищ в системі рідина-пара........................................................................................................
Лабораторна робота № 7.6 Вивчення зміни ентропії при нагріванні і плавленні свинцю............................................................................................
Лабораторна робота № 7.7 Вивчення розподілу Максвела за швидкостями фотоелектронів.....................................................................................
Лабораторна робота № 7.8 Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин.............................................................................................................
Розділ третій. ФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА................................................
Лабораторна робота № 8.1 Дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідників і визначення енергії активації.........
Лабораторна робота № 8.2 Дослідження ефекту Холла в напів-провідниках.......................................................................................................
Лабораторна робота № 8.3 Вивчення фотоелектричних явищ в напівпровідниках та характеристик напівпровідникового фотоелемента....
Лабораторна робота № 8.4 Вивчення фізичних властивостей p-n-переходу в напівпровідниковому діоді...................................................
Лабораторна робота № 8.5 Принцип роботи та вольт-амперна характеристика тунельного діода...............................................................................
Лабораторна робота № 8.6 Вивчення принципу роботи та зняття характеристик біполярного транзистора.................................................................
Лабораторна робота № 8.7 Дослідження зміни провідності напів-провідникових діодів залежно від температури...........................................
Лабораторна робота № 8.8 Якісний рентгеноспектральний аналіз...........
Найважливіші фізичні сталі........................................................................
Література.......................................................................................................

 

 

Розділ перший.

ФІЗИКА АТОМА ТА ЯДРА

Лабораторна робота № 6.1 ВИЗНАЧЕННЯ ВТРАТ ЕНЕРГІЇ a-ЧАСТИНОК ЗА ДОВЖИНОЮ ВІЛЬНОГО ПРОБІГУ В ПОВІТРІ

 

Мета роботи: за допомогою торцевого лічильника з досить тонким вхідним вікном виміряти залежність N(х)=f(х) і розрахувати енергію a частинок.

Прилади і матеріали: перерахувальний прилад ПСО-2,4 в комплекті з блоком детектування a-випромінювання; радіоактивний препарат Рu²³⁹.

Теоретичні відомості

Явище a- розпаду було відкрите в результаті вивчення природної радіоактивності хімічних елементів. Такі елементи розміщені в кінці періодичної системи Д.І. Менделєєва. Всього нараховується біля 40 природних і більше 100 штучних a-випромінювачів.

Рівняння a-розпаду має вигляд:

 

(1)

 

де – материнське ядро;

– дочірнє ядро;

– a-частинка (ядро атома гелію);

– енергія, яка звільняється при a-розпаді (кінетична енергія a-частинки).

Внаслідок випромінювання a-частинок заряд ядра зменшується на дві одиниці, а масове число – на чотири одиниці.

Енергія Е_a>0 тому a-розпад можливий в тому випадку, коли маса материнського ядра більша маси дочірнього ядра і атома гелію. Процес a розпаду має дві особливості, які були виявлені на основі експериментального вивчення a-розпаду. Зупинимось на цих особливостях.

1. Стала розпаду l і енергія a-частинок пов’язані законом Гейгера-Неттола, тобто:

lnl=B₁lnE_a+B₂. (2)

 

Для всіх сімейств радіоактивного розпаду стала B₁ одна і та ж, а В₂ змінюється від одного до іншого сімейства. Із закону Гейгера-Неттола випливає, що чим коротший час життя a-випромінювача, тим більша енергія a-частинок.

2. Енергія a-частинок для різних a-випромінювачів змінюється від 4 до 9 МеВ. Ця енергія значно менша тієї енергії, яку a-частинки повинні були одержати після розпаду за рахунок прискорення в електричному полі ядра. Тобто a-частинки після виходу з ядра повинні прискорюватись до енергії не менше ніж 30 МеВ. Однак експериментально спостерігаються лише a-частинки з енергіями від 4 до 9 МеВ.

Як пояснити закон Гейгера-Неттола? Чому енергія випромінюваних a частинок порівняно невелика? Відповіді на ці запитання дає квантова фізика. Перед початком a-розпаду у багатьох ядрах уже є a-частинки. Ці частинки, рухаючись у ядрі, мають енергію (рис. 6-1.1). Коли б не існувало потенціального бар’єра, a-частинки вилітали б з ядра, маючи при цьому енергію

.

На рис. 6.1 1:

V₀ – глибина потенціальної ями;

V_к – висота потенціального бар’єра;

– енергія a-частинок в ядрі;

Е_a – енергія a-частинки після виходу з ядра.

Вилітаючи з ядра, a-частинки мов би не помічають потенціального бар'єра. Згідно із законами квантової фізики a-частинкам притаманні хвильові властивості. Тому при попаданні на стінку потенціального бар’єра вони відбиваються від неї, як хвилі. Однак від стінки відбиваються не всі a -частинки. Деяка частина з них проникає крізь стінку і вилітає за межі радіоактивних ядер, маючи при цьому енергію Е_a. Процес проникнення a-частинок крізь потенціальний бар’єр називається тунельним ефектом. Отже, потенціальний бар'єр для квантових частинок має деяку прозорість.

З ростом енергії зменшується ширина потенціального бар'єра (рис. 6.1.1). Чим вужчий потенціальний бар’єр, тим вища імовірність виходу a-частинок з ядра. Таке фізичне пояснення має закон Гейзера – Неттола.

 

Рис. 6.1.1

Енергія a-частинок залежить від енергетичного стану дочірнього ядра після a-розпаду. Якщо дочірнє ядро знаходиться в основному (не збудженому) стані, то випромінюються лише моно-енергетичні a-частинки. Якщо ж новоутворене ядро може бути як в основному, так і в збудженому станах, то випромінюються декілька енергетичних груп a- частинок і g-квантів. На рис. 6.1.2 подана схема розпаду , де показані різні енергетичні групи випромінювання a-частинок.

Для a-розпаду спостерігаються три групи a-частинок з енергіями 4,559 МеВ;, 4,370 МеВ і 4,170 МеВ. Новоутворене ядро може перебувати як в основному стані, так і в двох збуджених станах.

Перехід новоутвореного ядра із збудженого стану в основний стан супроводжується випромінюванням двох g- квантів з енергіями 0,189 МеВ і 0,389 МеВ.

Для визначення енергії a-частинок за довжиною вільного пробігу в повітрі слід розглянути механізм взаємодії a- випромінювання з речовиною.

Заряджена частинка, рухаючись в речовині, встигає пролетіти деяку відстань перед тим, як втратить всю свою кінетичну енергію. Шлях зарядженої частинки в речовині до повної її зупинки називають лінійним пробігом. Лінійний пробіг визначається питомими втратами енергії. Чим більші густина атомних електронів і заряд частинки, тим більші втрати і тим менший пробіг цієї частинки в речовині. Важкі заряджені частинки, взаємодіючи в основному з атомними електронами, майже не відхиляються від початкового напрямку руху. Це говорить про те, що імовірність взаємодії з ядрами атомів досить низька.

Рис. 6.1.2

Одноразова максимальна втрата енергії a-частинкою при центральному зіткненні з електроном атома може бути оцінена за формулою:

, (3)

 

де m – маса електрона;

М – маса a-частинки;

Е_a – кінетична енергія a частинки до зіткнення.

Наприклад, для енергії Е_a=5,5 МеВ (DЕ)_max=3 кеВ. Якщо a- частинка при взаємодії з електронами атомів кожний раз втрачає половину максимальної енергії (DЕ)_max, то до повної зупинки вона зіткнеться не менше 3700 разів.

Для визначення довжини вільного пробігу a-частинок в повітрі слід побудувати залежність N(x) числа частинок, які реєструються блоком детектування на різних відстанях від a-випромінювача, від відстані Х.

Графік цієї залежності показаний на рис. 6.1.3

 

Рис. 6.1.3

Як видно з рис. 6.1.3, число зареєстрованих на різних відстанях х a– частинок спочатку трохи зростає, а потім різко спадає. Це пояснюється тим, що іонізаційні властивості a- частинок при зменшенні їх швидкості різко зростають.

Точка перегину А характеризує середній пробіг R₀ a- частинок у повітрі. Дотична, яка проходить через точку А, екстраполює найбільш прямолінійну частину цієї кривої з віссю х, дає значення екстрапольованого пробігу R_e. Різниця R_e-R₀=d приймається, як правило, за міру розкиду пробігів a-частинок.

Для a- частинок з енергією Е=5 МеВ, d/R₀=0,01. З ростом енергії a-частинок значення відношення d/R₀ зменшується. Оскільки величина d/R₀ досить мала, то пробіг частинок у повітрі однозначно визначається їх енергією.

У повітрі при нормальних умовах зв’язок міх середнім пробігом R₀ (см) і втратами енергії a-частинок Е (МеВ) виражається формулою:

R₀=0.318E^1.5. (4)

Ця формула добре збігається з експериментальними даними для a-частинок, енергія яких перебуває в межах 4 £Е£ 9 МеВ.

Порядок виконання роботи

У лабораторній роботі використовується блок детектування, реєструвальний пристрій якого виконаний на основі люмінофора ZnS, активованого атомами срібла. Ефективність спрацьовування такого пристрою не нижча 20%. Світлові імпульси вловлюються фотопомножувачем і багаторазово підсилюють створену ними електронну емісію. Перерахунковий прилад ПСО-2,4 дає можливість зареєструвати практично кожний імпульс на цифровому табло.