определение. 334 Определение энергии гамма-лучей (1). Лабораторная работа 334 определение энергии гаммалучей методом поглощения Цель работы
![]()
|
|
![]() | На рис. 1 приведена схема распада изотопа ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
Этот переход на рис. 1 показан сплошной наклонной стрелкой. Поскольку для такого перехода Δ I = 1, то и вероятность его очень велика 99,9%. Верхняя граница β –спектра указанного перехода Emax =0,314 МэВ. Переход образовавшегося ядра никеля из возбужденного состояния в основное очень затруднен (Δ I = 4), поэтому возбуждение снимается испусканием двух гамма-квантов (соответствующие переходы показаны на рис. 1 вертикальными стрелками). Энергии испускаемых квантов равны 1,170 МэВ (I = 4→ I = 2) и 1,330 МэВ (I = 2 → I = 0).
Бета-распад ядра
![](203042_html_b31659910ce435a4.gif)
![](203042_html_dc3c7704d6892f4c.gif)
Так как γ –кванты, излучаемые ядрами
![](203042_html_dc3c7704d6892f4c.gif)
![](203042_html_b31659910ce435a4.gif)
![](203042_html_b31659910ce435a4.gif)
§2 Взаимодействие гамма-излучения с веществом
При прохождении через вещество направленный поток γ-квантов изменяет свою интенсивность по закону
![](203042_html_ce54cf397faba777.gif)
где І0 - начальная интенсивность потока γ-квантов,
Іd- интенсивность потока на глубинеd,
μ – линейный коэффициент поглощения
Л
![](203042_html_da50902e6d54c022.gif)
![](203042_html_e8004c422303cdf2.gif)
1 фотоэффект – общее название группы явлений, заключающихся в вырывании связанных электронов или любых других микрочастиц под действием электромагнитного излучения. При прохождении γ-излучения через вещество фотоэлектрическое поглощение может осуществляться или в результате взаимодействия γ-кванта с ядром атома, или с одним из электронов внутренних электрических оболочек атома.
В первом случае имеем фотоядерную реакцию, в результате которой ядро «поглотившее» γ-квант, испускает один из нуклонов (нейтрон или протон). Так, например, поглощение γ-кванта ядром
![](203042_html_bd428ff460777405.gif)
![](203042_html_74e4ce7703943f9f.gif)
Реакции такого типа особенно вероятны, если энергия γ-квантов Е>10МэВ.
Фотоэффект на электронах атома возможен, если энергия γ-кванта больше энергии связи какого-либо электрона оболочки атома. Поэтому электронный фотоэффект наиболее вероятен при малых энергиях γ-квантов (см.рис.2). Электрон, получивший энергию γ-кванта, покидает атом (обычно это электрон из К или L оболочки). Освободившееся место заполняется одним из электронов верхних оболочек (имеющих меньшую энергию связи). Такие внутриатомные электронные переходы сопровождаются характеристическим рентгеновским излучением.
2 комптон-эффект или комптоновское рассеяние γ-квантов оказывается существенным при энергиях Еγ >0,5 МэВ. Комптон-эффект-рассеяние электромагнитного излучения на свободном или слабо связанном электроне, при котором отдельный γ-квант (фотон) в результате упругого соударения с электроном передает ему часть своего импульса и часть своей энергии. Все энергетические и угловые характеристики комптон-эффекта полностью определяются законами сохранения импульса и энергии при упругом ударе.
В простейшем случае комптоновское рассеяние – рассеяние γ-кванта на свободном покоящемся электроне. В силу релятивистского соотношения между энергией и импульсом, γ-квант с энергией
![](203042_html_8456c3c752a11e0a.gif)
![](203042_html_a21b34ad4faf808b.gif)
![](203042_html_4112d55d7b2cbe47.gif)
![](203042_html_e9c36e7c0f374c81.gif)
![](203042_html_91f61ed0721b9cb3.gif)
![](203042_html_746951ceca7da555.gif)
![](203042_html_f0cea9fd9e2ef62b.gif)
Из законов сохранения энергии и импульса следует, что
![](203042_html_d7e211fe569b5088.gif)
![](203042_html_746951ceca7da555.gif)
![](203042_html_96823993dea30890.gif)
![](203042_html_20e45c8e329d09fa.gif)
г
![](203042_html_877b7c0ce302c6f0.gif)
![](203042_html_4bf10476b904b79c.gif)
![](203042_html_d57dc0f0eb12807d.gif)
![](203042_html_2a4e075a492b2b98.gif)
![](203042_html_eaec535f5ef0dcde.gif)
Очевидно, что частота ω, а, следовательно, и энергия γ-кванта при рассеянии убывает. Увеличение длины волны (Δλ=λ-λ0) определяется выраже-нием
![](203042_html_995390ec14b32473.gif)
![](203042_html_e9c36e7c0f374c81.gif)
![](203042_html_979f8f5593c6e057.gif)
3 рождение электрон-позитронных пар – процесс превращения γ-кванта большой энергии в пару из электрона и позитрона
![](203042_html_384878581ef2840f.gif)
![](203042_html_62083bfd49b15eac.gif)
где
![](203042_html_60ead39d8fe786dd.gif)
![](203042_html_f4c283953458d165.gif)
§3 Описание лабораторной установки
У
![](203042_html_d30ab64e15aab4d0.gif)
![](203042_html_b31659910ce435a4.gif)
сцинтилляционный детектор состоит в простейшем случае из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. В качестве сцинтилляторов применяются неорганические и органические кристаллы, органические жидкости и пластмассы, а так же благородные газы. Световые вспышки в сцинтилляторе возникают при высвечивании электронных возбужденных состояний, образующихся под действием ионизирующей частицы. Отметим, что γ-кванты непосредственно не производят ионизации, но при их взаимодействии с веществом сцинтиллятора образуются ионизирующие частицы: электроны, позитроны, ядра отдачи.
ф
![](203042_html_4e611b3ac4c18038.gif)
§ 4 Порядок выполнения работы
Внимание! Рабочее напряжение детектора указано на рабочем месте.
1 Проверить правильность положения органов управления.
Блок стабилизированных источников напряжения (СИН): Тумблер «сеть» выключен; ступенчатый переключатель напряжения в положении 1 кВ.
Пересчетный прибор ПСО 2,2 еМ: клавиша N и клавиша выбора полярности сигнала ╬ нажаты, а все остальные клавиши отжаты.
2 Подключить вилки сетевых кабелей установки к питающей сети 220 В, включить тумблер «сеть» блока СИН и нажать клавишу «сеть» пересчетного прибора. После 10-минутного прогревания установка готова к работе.
3 Проверить правильность работы пересчетного прибора. Для этого надо нажать последовательно клавиши «Проверка», «Экспозиция», например, клавишу 3, «Сброс» и «Пуск». При нажатии клавиши «Пуск» должна загореться сигнальная лампочка «счет», а прибор будет регистрировать импульсы от внутреннего генератора сигналов в течение 3-х секунд. Через 3 секунды лампочка «счет» гаснет и счет прекращается, а на табло пересчетного устройства должно «гореть» число 300 (допустим «просчет» в ±1 единицу).
4 Подготовить установку к измерениям. Установить переключателем напряжения рабочее напряжение на детекторе. Отжать клавишу «проверка», нажать клавишу «экспозиция» 300 секунд, нажать клавишу «сброс».
5 Определить фон установки. Для этого надо нажать клавишу «пуск», после прекращения счета число зарегистрированных импульсов фона (Nф) записать в таблицу результатов измерений и вычислений. Рекомендуемый вид таблицы приведен ниже. Определить скорость счета фона
![](203042_html_30d33b09a5f9271a.gif)
№ п/п | | d, см | N, имп | nd, имп/мин | nd-nф | ln(nd-nф) | ![]() |
1 | фон | - | | | - | - | - |
2 | фон+ источ. | - | | | | | |
3 . . . . . 9 | счет с полглоти- телями | | | | | | |
6 Получить у лаборанта контейнер с источником γ-квантов и поглотители, определить скорость счета при совместном действии фонового излучения и излучения от источника γ-квантов Со60.
7 Помещая на пути пучка γ-квантов пластинки поглотителя, определить зависимость скорости счета nd от толщины поглотителя d.
8 Вычислить значения (nd-nф), ln(nd-nф) и стандартные отклонения
![](203042_html_cbee91ebdc7fd75b.gif)
![](203042_html_1b248f1afcd8c3a5.gif)
9 Построить в полулогарифмическом масштабе график зависимости ln(nd-nф) от толщины поглотителя d. Для этого, выбрав подходящий масштаб, нанести на график экспериментальные точки [ln(nd-nф); d], к каждой экспериментальной точке откладывать абсолютную погрешность Δ=
![](203042_html_cbee91ebdc7fd75b.gif)
1
![](203042_html_608bef9513166d79.gif)
![](203042_html_ce54cf397faba777.gif)
![](203042_html_ca9874326075d7fe.gif)
![](203042_html_b2dc55ffb89f15b8.gif)
Следовательно, определив тангенсы углов наклона для этих двух прямых, получим μmax и μmin.
11 Используя зависимость линейного коэффициента поглощения μ от энергии Е γ-квантов (рис.6), оценить энергию γ-квантов и погрешность результата.
П р и м е ч а н и е. Метод определения энергии γ-квантов по коэффициенту поглощения грубый и не позволяет разделить две близкие по энергии линии γ-квантов, излучаемых исследуемым источником.
Отчет по работе должен содержать:
1 Номер, название и цель работы.
2 Схему радиоактивного превращения
![](203042_html_b31659910ce435a4.gif)
3. Основные расчетные формулы.
4 Результаты измерений и вычислений.
5 Краткие выводы по работе.
Контрольные вопросы
1 Что называют γ-лучами? Каково происхождение γ-излучения?
2 Чем объяснить линейчатость спектра γ-излучения атомных ядер?
3 Нарисовать и объяснить схему радиоактивного превращения
![](203042_html_b31659910ce435a4.gif)
4 Рассказать о фотоэлектрическом поглощении γ-квантов.
5 Рассказать о комптоновском рассеянии γ-квантов.
6 В чем суть явления рождения электрон-позитронных пар?
7 Нарисовать блок-схему лабораторной установки и пояснить назначение отдельных её элементов.
8 Устройство и принцип действия сцинтилляционных детекторов.
9 Как можно определить энергию γ-квантов?