Лабораторная работа № 6.4 РАДИОАКТИВНОСТЬ. ПОГЛОЩЕНИЕ -ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЗДУХЕ
Цель работы: 1) практическое ознакомление с одним из методов регистрации радиоактивного излучения;
2) экспериментальное определение линейного коэффи-циента поглощения -излучения в воздухе, а также активности радиоактивного препарата. С хема экспериментальной установки
1 – контейнер; 2 – полка; 3 – этажерка; 4 – столик; 5 – штатив;
6 – газоразрядный счетчик; 7 – электронный блок; 8 – кабель;
9 – счетный прибор; 10 – кнопочные переключатели; 11 – декатроны Теория метода Объектом исследования в данной работе является -радиоактивный препарат стронция 38Sr90, помещенный в контейнер 1, в крышке которого имеется отверстие. В процессе измерений контейнер размещается на полке 2, которую можно вставить в один из пазов этажерки 3 (пазы расположены на расстоянии 1 см друг от друга). Этажерка установлена на столике 4, закрепленном на штативе 5.
Для регистрации -излучения используется комплект электронной аппаратуры РПС2-03А. Комплект включает в себя блок БДПС-2 и счетный одноканальный прибор ПС02-08А. Блок БДПС-2 закреплен на том же штативе 5 и состоит из газоразрядного счетчика 6 и электронного блока 7. Кабель 8 соединяет этот блок со счетным прибором 9. Для управления режимом работы последнего служит кнопочный переключатель 10, а для считывания показаний прибора – индикаторные лампы шести дека-тронов 11.
Радиоактивный препарат в небольшом количестве находится на дне контейнера 1. В дальнейшем будем считать препарат точечной массой, сосредоточенной в центре дна (рис. 1). Количество распадающихся за единицу времени ядер изотопа называется его активностью а. Так как при каждом распаде испускается одна -частица, то количество частиц, излучаемых препаратом за единицу времени во всех направлениях, также равно а.
Рис. 1 Металлический корпус контей-нера не пропускает -излучения; поэтому наружу могут выйти и быть зарегистрированными счетчиком 6 лишь те частицы, которые пролетают через отверстие в крышке контейнера. Поскольку все направления движения частиц равновероятны, количество пролетающих через отверстие можно найти из следующей пропорции: во всех направлениях, т.е. в пределах полного телесного угла 4, за единицу времени вылетает а частиц; в направлении отверстия, т.е. в пределах телесного угла (см. рис. 48), вылетает за единицу времени I0 частиц. Решая эту пропорцию относительно I0 , получим:
(1)
Величина телесного угла связана с плоским углом между осью пучка и его образующей известным соотношением
учитывая, что
преобразуем (1) к виду
(2)
Из рис. 1 видно, что
tg = , (3)
где h – высота контейнера; d – диаметр отверстия в его крышке. Диаметр отверстия в несколько раз меньше высоты контейнера; поэтому величина tg мала по сравнению с единицей. Воспользовавшись известным приближенным соотношением для малых
избавимся от радикалов в выражении (2):
Из (3) следует, что ctg = ; тогда
Таким образом, активность а радиоактивного препарата можно найти по известным значениям h, d и I0 как
пренебрегая единицей в квадратных скобках, окончательно получим:
. (4) Если бы -излучение распространялось в вакууме, то счетчик регистрировал бы за единицу времени I0 частиц. Однако наличие любой среды, в том числе воздуха, приводит к ослаблению потока излучения за счет взаимодействия его частиц с частицами вещества. Ослабление (поглощение) излучения описывается законом Бугера-Ламберта-Бера
(5)
где Ix – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной х (в данном случае, с учетом принятого ранее определения величины I0 , величина Ix эквивалентна количеству -частиц, вылетевших из контейнера и зарегистрированных счетчиком за единицу времени); – линейный коэффициент поглощения, зависящий от природы излучения и свойств поглощающего вещества.
Логарифмируя уравнение (5), получим:
Введем обозначения:
(6)
тогда
(7)
т.е. величина lnIx зависит от толщины поглощающего слоя х по линейному закону с коэффициентами K и b. Изменяя толщину слоя воздуха между источником излучения и поверхностью счетчика (это осуществляется путем установки полки 2 с контейнером 1 в различные пазы этажерки 3) и измеряя соответствующие значения числа зарегистрированных за единицу времени импульсов Ix , можно построить зависимость (7) и определить ее коэффициенты K и b либо графическим способом, либо по методу наименьших квадратов. Значения I0 и легко найти из выражений (6):
; (8) . (9) В условиях данной лабораторной работы газоразрядный счетчик регистрирует не только частицы, образовавшиеся в результате радио-активного распада исследуемого изотопа, но и так называемый фон – частицы космического происхождения и обусловленные излучением среды. Поэтому реальная скорость счета (количество импульсов I, зарегистрированных за единицу времени) будет равна I = Ix+ Iф , где Iф – скорость счета фона. Если предварительно (до опытов с радиоактивным изотопом) измерить величину Iф , то необходимые для подстановки в зависимость (7) значения величины Iх можно определить как
. (10) Порядок измерений и обработка результатов Упражнение 1. ПРОВЕРКА СЧЕТНОЙ АППАРАТУРЫ
И ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОАКТИВНОГО ФОНА 1. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой. Убедитесь в том, что все кнопки (клавиши) переключателя 10 на счетном приборе 9 отжаты. Включите установку в сеть переменного тока и нажмите клавишу «Сеть» переключателя 10. При этом на панели прибора должна загореться сигнальная лампочка, а на каждом из шести декатронов 11 – засветиться по одной точке.
2. Научитесь снимать показания счетного прибора. Отсчет импульсов на декатронах ведется слева направо: сотни тысяч, десятки тысяч, тысячи, сотни, десятки и единицы. Например, рис. 2 изображает состояние декатронов, соответствующее числу зарегистрированных импульсов N = 36081. Р ис. 2 3. Нажмите клавишу «Сброс»; при этом все декатроны должны показывать нули.
4. Запишите в табл. 1 рекомендуемые значения времени проверки аппаратуры tпр и времени измерения фона tф, выразив их в секундах. Таблица 1
П р о в е р к а
| И з м е р е н и е ф о н а
| tпр , c
| Nпр
| Е, %
| tф , c
| Nф
| Iф , имп/с
|
|
|
|
|
|
|
5. Нажмите клавишу «Проверка» и одновременно включите секундомер (или засеките время по часам с секундной стрелкой). По истечении времени tпр нажмите клавишу «Стоп». Считайте с прибора число зарегистрированных импульсов Nпр и занесите его в таблицу. Оцените относительную погрешность Е работы прибора, исходя из следующих соображений. В режиме проверки на вход прибора поступают импульсы от сети переменного тока с частотой = 50 Гц, т.е. прибор должен регистрировать 50 импульсов в секунду. За времяtпр должно быть зарегистрировано N0 = tпр импульсов. Тогда относительная погрешность составит
или
Используя последнюю формулу, рассчитайте величину Е и запишите ее значение в таблицу. Если относительная погрешность не превышает 5 %, то работу установки можно считать нормальной.
6. Повторите п. 3. Засеките время и нажмите клавишу «Пуск» (в этом режиме при отсутствии радиоактивного препарата счетчик регистрирует фоновое излучение). По истечении времени tф нажмите клавишу «Стоп» и запишите в табл. 1 количество зарегистрированных импульсов Nф . Рассчитайте скорость счета фона как и занесите ее значение в таблицу. Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИНЕЙНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ И АКТИВНОСТИ РАДИОАКТИВНОГО ПРЕПАРАТА 1. Установите полку, согласно рекомендациям, в соответствующие пазы этажерки 3. Расположите контейнер так, чтобы отверстие в его крышке находилось под счетчиком 6 против его центра. Запишите в табл. 2 расстояние х от источника излучения до счетчика.
Таблица 2
Номер опыта
| х,
см
| N
| I,
имп/с
| Ix ,
имп/с
| lnIx
| x2,
см2
| xlnIx ,
см
| 1
|
|
|
|
|
|
|
| …
| …
| …
| …
| …
| …
| …
| …
| П
|
|
|
|
|
|
|
| =
|
|
|
| =
|
|
|
|
2. Запишите в тетрадь рекомендуемое значение времени счета импульсов t (в секундах).
3. Повторите п. 3 упражнения 1.
4. Засеките время и нажмите клавишу «Пуск». По истечении времени t нажмите на «Стоп»; занесите в табл. 2 количество зарегистрированных импульсов N.
5. Переместите полку 2 на 1 см ниже (в следующие пазы этажерки); увеличенное на 1 см расстояние х запишите в таблицу.
6. Повторите действия пп. 3-5 заданное число раз (общее количество опытов п должно быть не менее семи).
7. Нажмите клавишу «Сеть» и выключите установку, отсоединив сетевой шнур от розетки.
8. Линейкой или штангенциркулем измерьте высоту исполь-зованного вами контейнера h и диаметр отверстия в его крышке d; результаты измерений занесите в табл. 3.
Таблица 3
h, мм
| d, мм
| , см -1
| I0 , расп/с
| а, расп/с
| а, мкКи
|
|
|
|
|
|
|
9. Для каждого из проделанных опытов рассчитайте и занесите в табл. 2 скорость счета импульсов .
10. Используя найденное в упражнении 1 значение скорости счета фона Iф , по формуле (10) вычислите величину Iх , а также найдите lnIx . Результаты расчетов занесите в табл. 2.
11. Нанесите экспериментальные точки на график зависимости lnIx от х (ось Ох должна начинаться с нуля!).
12. Определите коэффициенты K и b зависимости (7) путем обработки построенного графика или методом наименьших квадратов. В последнем случае предварительно заполните два крайних правых столбца табл. 2 и ее последнюю строку сумм.
13. По формулам (8) и (9) рассчитайте скорость счета в вакууме I0 и линейный коэффициент поглощения ; результаты занесите в табл. 3.
14. Вычислите по формуле (4) активность радиоактивного препарата а (в распадах за секунду) и переведите полученный результат в микрокюри. Оба значения запишите в табл. 3. Контрольные вопросы
Радиоактивность. Состав и происхождение -, - и |