РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Принадлежности: установка для измерения интенсивности радиоактивного излучения, секундомер, радиоактивный препарат.
Цель работы: изучение поглощения радиоактивного излучения веществом (воздухом).
Теоретическое введение
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) a-распад, 2) b-распад (в том числе электронный захват), 3) g-излучение, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радиоактивность. Закон радиоактивного распада выражается формулой:
N = N 0 e –l t, (1)
где N 0 – число нераспавшихся ядер в момент времени (t = 0); l – постоянная радиоактивного распада, имеющая смысл вероятности распада ядер за 1 сек.
Скорость распада характеризуется периодом полураспада Т – промежутком времени, за который распадается половина ядер радиоактивного вещества, Т можно определить из (1):
N / N 0 = e –l t = 1/2.
Логарифмируя и решая это уравнение, получаем
T = ln2/l =0,6931/l.
Активностью радиоактивного препарата (А) называется число распадов, происходящих за единицу времени:
A = l N = l N 0 e –l t.
В системе СИ за единицу активности принимается один распад в секунду (расп/с). Внесистемной единицей активности является Кюри (Ku) – активность препарата, в котором в 1 с происходит 3,7×1010 распадов.
При прохождении радиоактивного излучения через вещество происходит его поглощение, т.е. интенсивность излучения ослабевает. В частности, интенсивность g-лучей, b-частиц по мере прохождения их в веществе ослабевает по закону:
I = I 0 e –m x,
где I – интенсивность на глубине x; I 0 – интенсивность на глубине x = 0; m – линейный коэффициент поглощения.
Описание установки
В данной работе используется счетчик Гейгера-Мюллера (счетная трубка) типа CTC-6 или СТС-8 (риc. 1).
Счетчик Гейгера данного типа представляет собой проводящий цилиндр (катод) с натянутой вдоль оси цилиндра тонкой металлической нитью (анод), изолированный от катода. Пространство между электродами заполнено аргоном под давлением 13,3 ГПа. Meжду анодом и катодом создается высокая разность потенциалов (порядка 300-400 В). Нить через сопротивление R соединяется с землей. Поскольку газ в трубке является диэлектриком, то при напряжении, недостаточном для его пробоя, и отсутствии радиоактивных излучений тока в цепи счетчика нет. Если возникающая в процессе радиоактивного распада частица попадает в пространство между электродами счетчика, то она производит ионизацию атомов газа.
Образовавшиеся в газе электроны и ионы будут притягиваться полем к электродам. Так как поле неоднородно и сильно возрастает вблизи нити, то движущийся к нити электрон на длине своего свободного пробега приобретает кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. В результате возникновения лавинного процесса ионизации на нить попадет значительное число электронов, что и является причиной изменения потенциала нити, фиксируемого счетным механизмом.
Появившийся благодаря этому импульс тока регистрируется специальной электрической схемой (рис. 2) и фиксируется электромеханическим счетчиком импульсов.
Счет числа частиц, проходящих через счетчик, возможен, если разряд, вызванный каждой заряженной частицей, будет гаситься. В зависимости от механизма гашения разряда счетчики подразделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся.
В несамогасящихся счетчиках для гашения разряда в цепь включается высокоомное сопротивление R порядка 109 0м. Падение напряжения на сопротивлении R вызывает снижение разности потенциалов на электродах счетчика и приводит к гашению в нем ионизационного разряда.
В самогасящихся счетчиках разряд прекращается благодаря наполнению счетчика специальной "гасящей смесью", состоящей обычно из аргона при давлении около 12 ГПа с добавкой многоатомного газа (паров спирта или этана, этилена и др.). Счетчик типа СТС-6 или СТС-8 самогасящийся.
Порядок выполнения работы
1. Определить радиоактивный "фон" (Iф), т.е. число частиц, проходящих через трубку в 1 минуту, при отсутствии радиоактивного препарата, для чего необходимо включить установку и:
а) препарат, прикрепленный на подвижной мерной планке, максимально удалить от счетной трубки и убрать под установку;
б) установить стрелки электромеханического счетчика и секундомера на "О";
в) включить одновременно счетчик и секундомер на 1 минуту. Записать в таблицу показания счетчика – значение "фона" (Iф).
2. Выдвинуть из-под установки мерную планку и установить ее перпендикулярно счетной трубке (счетчику). Держатель препарата установить в вертикальное положение. Поместить радиоактивный препарат на расстояние l =5 см от счетной трубки и определить интенсивность потока частиц (число частиц, прошедших через счетную трубку за 1 минуту) – I ¢.
Удаляя препарат от счетной трубки (до l = 50 см) через каждые D l =5 см измерить интенсивность излучения за 1 мин. Данные записать в таблицу.
Табл.1
| Номер | Расстояние (см) от препарата до трубки | |||||||||
| измерения | ||||||||||
| I ¢ cp, имп/мин | ||||||||||
| Iф ср, имп/мин | ||||||||||
| Iср, имп/мин |
3. Цикл измерений по п.п. 1 и. 2 повторить не менее 3 раз. Каждый цикл начинать и заканчивать измерением фона.
4. Рассчитать и записать в таблицу средние значения интенсивностей потока частиц I ¢ cp для выбранных расстояний (l = 5, 10, 15,..., 45, 50 см) с учетом фона по формуле
I ¢ = N ¢/ t.
5. Найти среднее значение интенсивности потока частиц от препарата (без фона) для каждого выбранного расстояния l = 5, 10, 15,..., 50 см по формуле
Построить график зависимости интенсивности излучения препарата от расстояния между препаратом и счетной трубкой.
Примечание: "Фон" создается в результате естественного распада радиоактивных элементов, находящихся на Земле и космическими лучами.
Теоретический минимум
Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерные силы. Модели ядра. Радиоактивность, закон распада, виды радиоактивного распада, ядерные реакции. Энергетическая схема ядерной реакции. Пути исследования ядерной энергии.
Литература
1.Савельев И.В. Курс общей физики. Том3.М.: наука, 1982. -304 с.
2.Детлаф А.А., Яворский В.М., Курс физики. М.: Высшая школа, 1989. -608с.
3.Трофимова Т.И., Курс физики. М.: Высшая школа, 1997. -542с.
4.Нерсесов Э.А. Основные законы атомной и ядерной физики., М.: Высшая школа, 1988. 340с.
5.Квантовая физика. Методические указания к лабораторным работам по физике для студентов всех специальностей и всех форм обучения /ВГТУ4 Сост. С.А. Антипов, А.В. Бугаков, А.А. Долгачев и др., 1998.-51с., №124-98.
Содержание
1. Определение коэффициентов
ослабления потока g-лучей в металлах 1
2. Исследование поглощения b-частиц
в различных материалах 8
3. Определение длины пробега
a-частиц в воздухе 15
4. Определение интенсивности
потока частиц радиоактивного излучения 21
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
