лабораторная работа 6. Изучение закона ослабления гаммалучей
 Скачать 1.08 Mb.
|
|
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «СибГУТИ» Кафедра физики Работа 6.4 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОСЛАБЛЕНИЯ ГАММА-ЛУЧЕЙ Выполнил: Студент 1 курса гр. Преподаватель, ведущий занятие: Лубский В.В. Измерения сняты: Отчет принят: Защита: Новосибирск, 2022 г. 1.Цель работы Проверить закон ослабления интенсивности гамма лучей при прохождении через поглощающее вещество и определить линейный коэффициент поглощения гамма лучей. 2.Основные теоретические свойства Гамма-излучением называется электромагнитное излучение на частотах, превышающих 1020 Гц, испускаемое атомными ядрами при их переходе из возбужденного в основное или менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях. Энергия гамма квантов равна разности энергий конечного и начального состояний ядра. В каждом акте перехода ядро излучает гамма квант. В связи с дискретностью энергетических уровней ядра гамма-излучение имеет линейчатый спектр, частоты гамма квантов связаны с разностью энергий состояний ядра условием частот Бора, как и для излучения фотонов, атомами:  При прохождении через вещество гамма-квант может взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов или молекул вещества, так и с их ядрами. Это взаимодействие осуществляется несколькими способами. 1. При поглощении гамма кванта электронной оболочкой атома происходит фотоэффект, при котором вырывается электрон из внутренних слоев электронной оболочки. Электрон покидает атом, происходит ионизация атома. Расчеты показывают, что фотоэлектрическое поглощение гамма-лучей существенно при энергиях гамма-квантов W 0,5 МэВ. 2.По мере увеличения энергии гамма-кванта по сравнению с энергией связи электрона в атоме, молекуле или кристаллической решетке вещества, его взаимодействие с электронами оболочек все более приближается по своему характеру к взаимодействию со свободными электронами, т.е. приближается к комптоновскому рассеянию гамма-квантов на электронах. Часть из этих рассеянных гамма-лучей выходит из вещества. 3. Гамма-кванты с энергией, превышающей удвоенную энергию покоя электронов, могут образовывать электрон-позитронную пару в силовом поле ядра, особенно в тяжелых веществах. 4. Гамма-лучи, обладающие энергией порядка нескольких МэВ, могут взаимодействовать с ядрами атомов. Это взаимодействие называется ядерным фотоэффектом и имеет характер фотоядерной реакции. Все эти процессы приводят к рассеянию и поглощению гамма-излучения в веществе и уменьшению его интенсивности. Ослабление интенсивности гамма-лучей в веществе для узкого пучка происходит по закону:  где: I0 - интенсивность гамма-лучей до входа в вещество X 0 , I - их интенсивность после прохождения поглощающего слоя толщиной x , - линейный коэффициент поглощения, равный величине обратной длины, на которой излучение ослабляется в e раз. Ослабление гамма-лучей зависит от плотности поглощающего вещества, поэтому наряду с линейным коэффициентом , вводят массовый коэффициент поглощения:  Для графического представления закона ослабления прологарифмируем выражение (2):  Логарифм интенсивности пучка гамма-излучений на выходе из поглощающего слоя линейно зависит от толщины x поглощающего слоя. Зависимость (4) легко может быть проверена экспериментально построением соответствующего графика, рис.4.1  Построив график (4.1), возьмем на нем две любые точки 1 и 2. В точке 1 имеем ln I ln I1и x x1 , а в точке 2 соответственно ln I ln I2 и x x2 . Подставив эти данные в (4), получим два уравнения:  Решим эти уравнения относительно :  Формула (6) позволяет вычислить коэффициент ослабления гамма-лучей для исследуемого вещества. 3.Описание лабораторной установки  Схема лабораторной установки показана на рис.4.2. Установка состоит из излучателя гамма-лучей (1), детектора гамма-квантов (3), высоковольтного источника питания детектора (4), счетчика импульсов и часов (5), и пластин из исследуемого вещества (2).  В ходе лабораторной работы необходимо будет перемещать излучатель гамма-лучей на рабочее место (6). А также устанавливать пластины поглотителя между источником и детектором гамма-лучей (7). Данные положения представлены на рисунке 4.3. В качестве детектора гамма-квантов в работе используется газоразрядный счетчик Гейгера. Действие счетчика Гейгера основано на возникновении импульсного разряда в газе при его ионизации влетающей частицей или квантом. Возникающие при этом импульсы тока подсчитываются счетчиком импульсов. Число импульсов, зарегистрированных детектором и счетным устройством, пропорционально числу ионизирующих частиц или гамма-квантов, влетевших в детектор. Установка регистрирует импульсы даже в том случае, когда излучатель отсутствует. Это объясняется тем, что в атмосфере всегда имеются в некотором количестве ионизирующие частицы. Назовем число импульсов, регистрируемых установкой за единицу времени, скоростью счета - n. Скорость счета, регистрируемую в отсутствии излучателя, назовем фоном излучений - nф . Установим излучатель на рабочее место, и будем регистрировать скорость счета n0` в отсутствии поглотителя, а затем за поглотителем - nk `, где k - число поглощающих пластин. Очевидно, что скорость счета nk = nk `nф обусловлена ионизирующим действием гамма-лучей и пропорциональна интенсивности I гамма-лучей в месте расположения детектора:  Здесь - коэффициент пропорциональности. Подставив (7) в (2), получим:  Таким образом, закон ослабления гамма-лучей можно проверить, если построить график зависимости lnn от толщины x поглощающего слоя. Для того чтобы вычислить линейный коэффициент поглощения гамма-лучей, достаточно на построенном графике выбрать две любые точки 1 и 2, и тогда, в соответствии с (8), легко получить:  4.Ход работы Приложения к работе:  
nф =                     µ =  =  = 1457,14 м5.Вывод В ходе лабораторной работы на практике был проверен закон ослабления интенсивности гамма-лучей при прохождении через поглощающее вещество. Было выяснено, что чем выше плотность p поглощающего вещества, тем выше коэффициент ослабления гамма-лучей. Линейный коэф. поглощения лучей равен µ=1457,14 м. Было выяснено, что чем выше толщина поглощающего слоя 𝑋𝑘 , тем больше времени необходимо для обнаружения импульсов, и тем ниже скорость счёта импульсов. При расчёте скорости счёта импульсов необходимо делать поправку на фон, чтобы избежать искажения полученных данных. 6.Контрольные вопросы 1.Гамма-излучением называется электромагнитное излучение на частотах, превышающих 1020 Гц, испускаемое атомными ядрами при их переходе из возбужденного в основное или менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях. Из-за крайне малой длины волны излучения гамма диапазона обладают выраженными корпускулярными свойствами, при этом волновые свойства практически отсутствуют. Гамма-лучи образуются в результате ядерного распада 2. (1)При поглощении гамма кванта электронной оболочкой атома происходит фотоэффект, при котором вырывается электрон из внутренних слоев электронной оболочки. Электрон покидает атом, происходит ионизация атома. (2)По мере увеличения энергии гамма-кванта по сравнению с энергией связи электрона в атоме, молекуле или кристаллической решетке вещества, его взаимодействие с электронами оболочек все более приближается по своему характеру к взаимодействию со свободными электронами, т.е. приближается к комптоновскому рассеянию гамма-квантов на электронах.(3)Гамма-кванты с энергией, превышающей удвоенную энергию покоя электронов, могут образовывать электрон-позитронную пару в силовом поле ядра, особенно в тяжелых веществах.(4)Гамма-лучи, обладающие энергией порядка нескольких МэВ, могут взаимодействовать с ядрами атомов. Это взаимодействие называется ядерным фотоэффектом и имеет характер фотоядерной реакции.Ослабление интенсивности гамма-лучей в веществе для узкого пучка происходит по закону:  3.Зарегистрировать гамма-кванты можно с помощью ряда ядерно-физических детекторов ионизирующего излучения. Методы регистрации радиоактивных излучений и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, а гамма-кванты обнаруживаются по ионизации, вызываемой быстрыми заряженными частицами, возникающими в результате их взаимодействия с электронами и ядрами атомов среды. К примеру, в качестве детектора гамма-квантов в работе используется газоразрядный счетчик Гейгера. Действие счетчика Гейгера основано на возникновении импульсного разряда в газе при его ионизации влетающей частицей или квантом. Возникающие при этом импульсы тока подсчитываются счетчиком импульсов. Число импульсов, зарегистрированных детектором и счетным устройством, пропорционально числу ионизирующих частиц или гамма-квантов, влетевших в детектор. 4.Работа счётчика основана на ударной ионизации. Гамма-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счётчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. 5. Полулогарифмический масштаб – это когда по одной оси логарифмический масштаб, по другой – обычный.В логарифмическом масштабе длина отрезка шкалы пропорциональна логарифму отношения величин отмеченных на концах этого отрезка. Удобен, когда y меняется намного быстрее или медленнее х, например, при изображении графиков с экспонентой. В нашем случае по оси xидет медленное изменение расстояния. 6.это объясняется тем, что в атмосфере всегда имеются в некотором количестве ионизирующие частицы, именно поэтому в измерительной установке всегда присутствует некий фон. Другой источник фона — это радиоактивное «загрязнение» материалов самого счётчика. 7.это необходимо для того, чтобы точно вычислить скорость счета nk по формуле nk = nk’ –nφ, а также чтобы избежать искажения полученных данных. Задачи. |