Радиоактивность.

Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного превращения неустойчивых элементов в устойчивые, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучением энергии.

a - излучение - это излучение a-частиц, которые представляют собой ядра гелия ;

b - излучение - это испускание электронов или позитронов;

g - излучение – это испускание электромагнитных волн чрезвычайно высоких энергий. Оно является результатом перехода ядер из возбужденных состояний в нормальное при радиоактивных превращениях.

Распад радиоактивных веществ количественно описывается законом радиоактивного распада:

N = N0 e-lt,

где N0 - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0; N - число радиоактивных ядер, оставшихся нераспавшимися к моменту t.

l - постоянная радиоактивного распада: l = , где Т1/2- период полураспада. Период полураспада (Т1/2 ) –это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

3. Закон поглощения g -излучения.

Гамма-кванты состоят из фотонов одной энергии или содержат группу фотонов с дискретными значениями энергии. Чаще всего энергия гамма-лучей находится в диапазоне от нескольких КэВ до нескольких МэВ.

Прохождение g -излучения через вещество сопровождается его поглощением. При прохождении поглотителя толщиной x интенсивность J g -лучей уменьшается на J, причем относительная интенсивность поглощения излучения пропорциональна толщине поглотителя:

= -mDх (1)

где m - линейный коэффициент поглощения.

Если вместо конечной толщины Dх имеем бесконечно малую величину dx, бесконечно малое изменение интенсивности d J, то уравнение (1) примет вид:

= - m dx (2)

Интегрируя это уравнение, получим

J =J0 е-mх (3)

При рассмотрении процесса поглощения гамма-излучения веществом, полезным оказывается понятие о слое половинного поглощения х1/2.

Слоем половинного поглощения называется толщина поглотителя, в котором поглощается половина падающих на него фотонов.

Эта величина выражается: = е -mх

Тогда, логарифмируя, получим:

х= (4)

До сих пор рассматривали явление поглощения гамма-лучей, не касаясь конкретного взаимодействия гамма-лучей с веществом, обусловливающего процесс поглощения и величину m - коэффициента поглощения.

При прохождении g - лучей через вещество происходит ослабление интенсивности первоначального пучка. Это ослабление интенсивности является результатом взаимодействия g - квантов с электронами и атомами вещества, через которые они проходят.

Практически наиболее существенны три процесса взаимодействия с веществом: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар, приводящих к поглощению g - излучения.

а. Фотоэлектрический эффект

Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия g - кванта (фотона) с веществом, при котором g - квант исчезает, полностью передавая свою энергию и импульс электрону и атому. При этом электроны выбрасываются за пределы атома с кинетической энергией

Wk = hn - Ai (5)

где hn - энергия g - кванта; Аi - работа выхода электрона с i -ой оболочки атома.

Фотоэффект наиболее вероятен в том случае, когда энергия фотона близка к работе выхода А. Именно поэтому, ослабление лучей вследствие фотоэффекта играет основную роль при малых энергиях (Еg £ 1 МэВ). Фотоэффект возможен лишь на связанных электронах.

 

б. Комптоновское рассеяние

Процесс рассеяния g - квантов на свободных или слабосвязанных электронах называется комптон-эффектом. В результате рассеяния изменяется направление движения g - кванта и уменьшается его длина волны:

Dl = l2 - l1

в. Образование пар

Третьим процессом, приводящим к ослаблению g - излучения при прохождении через вещество, является процесс образования пар. Согласно современной теории, падающий g - квант полностью поглощается в области кулоновского поля ядра ( или электрона), в результате чего возникает пара частиц: электрон-позитрон. Минимальная энергия фотона, необходимая для образования пары в области поля ядра, равна

Е = 2 Е0е = 2 m0 c2

mo – масса покоя электрона.

Таким образом, поглощение g - излучения веществом и величина m обусловлена тремя рассмотренными процессами, каждый из которых, в зависимости от энергии g - излучения и свойств поглощающего вещества, вносит свой вклад в значение: m = mфот + mкомп + mпар.

 

4. Описание установки и порядок выполнения работы.

В данной работе необходимо проверить закон поглощения g - излучения в веществе, построить график зависимости изменения интенсивности J g - излучения от толщины поглотителя. По графику определить слой половинного поглощения для g - излучения данной энергии и рассчитать коэффициент линейного поглощения m . В качестве источника излучения используется радиоактивный изотоп С060 (Е = 1,17 МэВ).

При выполнении работы используются приборы и принадлежности: радиометр-спектрометр (см. рис. 1); свинцовый домик типа "ТУР 74019 Robotron - masselectrone» ; источник g - излучения С060; набор пластин из оцинкованного железа (см. рис. 1). Радиометр-спектрометр состоит из сцинтилляционного датчика «Stintillation probe type - 484 В» и измерительного пульта «Nuclear analyzer - 482 В». Датчик присоединяется с помощью высоковольтного разъема (1) с измерительным пультом (1) и помещен внутри свинцового домика, напротив источника g - излучения С060 .

Между источником гамма-излучения и сцинтилляционным датчиком в свинцовом домике имеются приспособления для установки пластин, которые служат поглотителем g - излучения. Толщина поглотителя регулируется числом пластин.

 

 

1 - высоковольтный разъем датчика

2 - измеритель скорости счетчика и напряжения батарей

3 - переключатель поддиапазонов измерителя скорости счета

4 - дисплей

5 - переключатель дисплея

6 - тумблер Reset-start-star (cбор - пуск - стоп)

7 - переключатель селекции времени измерения

8 - регулятор высокого напряжения

9 - регулятор порога анализатора

10 - регулятор ширины окна анализатора

11 - переключатель режима измерения

12 - тумблер напряжения питания

Порядок выполнения: (см. обозначения на рис. 1 и приборе).

1. Включить сеть (тумблер ОN - 12).

2. Установить высокое напряжение 1200 В на многооборотном патенциометре "High - Vоltage" 400 ....1400 ® 8.

3. На блоке «Analyzer» - установить тумблер «int- diff» ® 12 в положение «int», ручку потенциометра 2 DE ® 10 в положение 0.0, ручку потенциометра «Е» ® 9в положение 860.

4.Переключатель «rate» ® 3 поставить в положение 3 × 105 .

5. Ручку переключателя «time» ® 7 поставить в положение «01».

6. Убедиться, что в свинцовом (защитном) домике нет пластин.

7.Тумблер «reset - start - stop» ® 6 поставить в положение «start». На экране дисплея 4 появится точка (отсчет начался) через 6 секунд (0,1минуты) на экране дисплея 4 высветится число, соответствующее количеству g - квантов, зарегистрированных детектором (датчиком) в отсутствие поглотителя. Это число n0 записать в таблицу.

8. Установить в защитный домик 3 пластины и повторить п.7. Записать число n1, которое высветится на экране дисплея. Оно будет соответствовать количеству g - квантов, прошедших 1-й поглощающий слой пластин.

9. Последовательно увеличивать число пластин, устанавливая в домик 6, 9, 12 ....i пластин и каждый раз повторять п.7, записывая значения n2 , n3 , ......ni c экрана дисплея в таблицу.

10. По результатам измерения построить график зависимости ni/n0 = f (i) (по оси координат , по оси абсцисс – число пластин i). По графику определить слой половинного поглощения и вычислить значения m; для этого вычислить толщину поглотителя, соответствующую слою половинного поглощения: = i d, где d – толщина пластины (мм).

ПРИМЕЧАНИЕ.

Числа на экране дисплея высвечиваются в течении 4 секунд, если за это время Вы не успели записать показания, то необходимо нажать тумблер «Display» ® 5 вверх и на экране дисплея высветиться это число, оно будет на экране до тех пор, пока Вы не отпустите тумблер.