1. Радиоактивность.

Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного превращения ядер одного элемента в ядро другого за счет испускания ,  и  - излучения.

 и  - излучения - это частицы с определенной массой и зарядом;  - излучение( - квант) - это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, энергия которого равна _ = h  = ;

 - частицы - это ядра гелия;  - это поток электронов, + - поток позитронов.

 - излучение в основном, сопровождает - и - излучения, когда дочернее ядро из возбужденного состояния переходит в стационарное.

Основной закон радиоактивного распада выражается так:

N = N₀ e^-t,

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

 - постоянная радиоактивного распада:  = ,где Т_1/2- период полураспада.

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

где  - линейный коэффициент поглощения.

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

Интегрируя это уравнение, получим

При рассмотрении процесса поглощения гамма-излучения веществом, полезным оказывается понятие о слое половинного поглощения х_1/2.

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

Эта величина выражается: = е^-х

Тогда, логарифмируя, получим:

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

При прохождении  - лучей через вещество происходит ослабление интенсивности первоначального пучка. Это ослабление интенсивности является результатом взаимодействия  - 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  - излучения.

а. Ф О Т О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Э Ф Ф Е К Т

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

где h - энергия  - кванта; А_i - 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 (Е  1 МэВ). Фотоэффект возможен лишь на связанном электроне и не может быть на свободном электроне.

Вероятность фотоэффекта на К -оболочке атома _фот  при

Е_ >>Ак и _фот  при Е_ > Ак  (А_к - работа выхода электрона на К - оболочке).

б. К О М П Т О Н О В С К О Е Р А С С Е Я Н И Е

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

 = ₂ - ₁

Вероятность комптоновского эффекта при Е_ >>m₀c² (m₀c² - энергия покоя электрона) равна _комп  .

В. О Б Р А З О В А Н И Е П А Р

Третьим процессом, приводящим к ослаблению  - излучения при прохождении через вещество, является процесс образования пар. Согласно современной теории, падающий  - 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 Е_0е = 2 m₀ c²

Вероятность образования пары

_пар  Z⁵ ln E_

Таким образом, поглощение  - излучения веществом и величина  обусловлена тремя рассмотренными процессами, каждый из которых, в зависимости от энергии  - излучения и свойств поглощающего вещества, вносит свой вклад в значение:  = _фот + _комп + _пар. Величина _фот , _комп, _пар , в свою очередь, определяется описанными выше вероятностями:   _фот + _комп +_пар .

Описание установки и порядок выполнения работы.

В данной работе необходимо проверить закон поглощения  - излучения в веществе, построить график зависимости изменения интенсивности J  - излучения от толщины поглотителя. По графику определить слой половинного поглощения для  - излучения данной энергии и рассчитать коэффициент линейного поглощения  . 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  - 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  - излучения С₀⁶⁰ .

Между источником гамма-излучения и сцинтилляционным датчиком в свинцовом домике имеются приспособления для установки пластин, которые служат поглотителем  - 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   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  - 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  - 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 , ......n_i c экрана дисплея в таблицу.

10.По результатам измерения построить график зависимости n_i/n₀ = f (i) (по оси координат ,по оси абсцисс - число пластин i). По графику определить слой половинного поглощения и вычислить значения ; для этого вычислить толщину поглотителя, соответствующую слою половинного поглощения: = id, где d - толщина пластины (кг/м³).

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.

РИСУНОК К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 30

Датчик

2 3 4 5 Пластины

1

6

12 11 10 9 8 7 Источник - излучения

РИС. 1