ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ. Практикум по физике (атомная и квантовая физика) Направление подготовки 010700 (510400) Физика

• Название: Практикум по физике (атомная и квантовая физика) Направление подготовки 010700 (510400) Физика
• Дата: 24.05.2022
• Размер: 2.87 Mb.
• Имя файла: ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ.doc
• Тип: Практикум; #546914
• страница: 13 из 15

Задание 2. Определение мертвого времени счетчика.
1. Поместить в свинцовый домик 1-й источник. Измерить счет N₁ за 10 сек.

2. Поместить в свинцовый домик 2-й источник. Измерить счет N₂за 10 сек.

3. Измерить n₁₂счет, когда в домике находятся 1-й и 2-й источники, за 10 сек.

4.Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

№ изм..	t, сек	N1, имп		N2		N12
1 2 3 ср.	10

5. По формуле (2) рассчитать мёртвое время счётчика τ.

6. Сформулировать выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1.Назначение газоразрядных счетчиков.

2.Устройство счетчика Гейгера - Мюллера.

3.Физические процессы, протекающие при прохождении через счетчик ионизирующей частицы.

4.Схема включения счетчика Гейгера - Мюллера в электрическую цепь.

5.Эффективность счетчика.

6.Счетная характеристика счетчика. Разрешающее время счетчика.

7.Экспериментальное определение мертвого времени счетчика.
Литература.

1. 
   Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3.
   
2. 
   Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т.5 Ч.2 1989г.
   
3. 
   Антонов И.А. и др. Практикум по ядерной физике. М.1973г.
   
4. 
   Физический практикум. Под. редакцией В. И. Ивероновой.
   

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №30

Определение процентного содержания калия в смеси солей KCl и NaCl по ее β-активности.
Цель работы:1. определение процентного содержания калия в смеси солей KCl и NaCl.

2.определение удельной активности радиоактивного препарата относительным методом по калиевому эталону.
Оборудование: прибор “Арион” со свинцовым домиком, набор образцов с различным процентным содержанием калия.

Краткая теория.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных видов радиоактивных излучений (α- и β-частиц и γ-квантов), а также некоторых других элементарных частиц.

При радиоактивном распаде число исходных ядер уменьшается по закону:




(1)


где N₀ – число ядер в момент t = 0, λ – постоянная радиоактивного распада, характеристика данного ядра. Это закон радиоактивного распада.

Период полураспада Т_1/2 – время, в течение которого число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, т.е.:



откуда:

Скорость распада ядер называется активностью:



(2)

Из (1) и (2) имеем:
(3)

т.е. активность пропорциональна числу нераспавшихся ядер.

Единицей измерения активности в СИ является 1 распад в секунду (Беккерель). На практике за внесистемную единицу активности принимают активность такого препарата, в котором происходит 3,7*10¹⁰ распадов в секунду. Эта единица называется Кюри. 1Ки=3,7 10¹⁰Бк

Удельной активностью источника называется отношение активности препарата к его массе:


(4)

β-распадом называется самопроизвольное превращение нестабильного ядра в ядро- изобар с зарядом, отличающимся от исходного на ΔZ=±I, в результате испускания электрона (позитрона) или его захвата.

Известны три вида β-распада: (β^--распад, β⁺-распад и К-захват, т.е. захват электрона ядром с ближайшей к ядру оболочки.

Серьезную роль в истории развития представлений о природе β-распада сыграло изучение энергетического спектра электронов, испускаемых ядром.




Рис. 1.
На рис. 1 представлена кривая распределения электронов по энергиям, характерная для всех радиоактивных изотопов.

Изучение энергетического спектра электронов β-распада показало, что излучаемые электроны имеют энергию от нуля до величины Емаx, приблизительно равной (в случае β^--распада) разности энергетических состояний исходного и конечного ядер. Значение Емаx обычно называют верхней границей β-спектра. Для объяснения несовпадения энергии электронов с энергией, освобождающейся при β-распаде, Паули в 1930 высказал гипотезу, что в процессе β-распада наряду с электроном с энергией Е_е испускается еще одна частица-нейтрино v, которая уносит энергию Emax - Ee, так что суммарная энергия электрона и нейтрино равна верхней границе β-спектра Е мах.

Три вида β-распада сводятся в итоге к следующим процессам взаимного превращения нуклонов внутри ядра:

_on' →₁p¹ + _-1e° + ₀ν_e° (β^-- распад. Переход нуклона из состояния нейтрона в состояние протона)

₁р¹ →_on¹ + +₊₁e° + ₀ν_e° (β⁺- распад. Переход нуклона из состояния протона в состояние нейтрона).

₁p¹ + _-1e° → ₀n¹ + ₀ν_e° (К - захват. Переход нуклона из состояния протона в состояние нейтрона).

Таким образом, электроны и позитроны не находятся в ядре, а возникают в момент распада ядра при переходе нуклона из одного состояния в другое. При этом, одновременно с β -частицей, из ядра вылетает нейтрино или антинейтрино.

В настоящее работе объектом изучения является радиоактивный изотоп калия с массовым числом 40. Период полураспада изотопа ₁₉К⁴⁰ 1,29*10⁹ лет, т.е. сравним со временем жизни сол­нечной системы (4,6*10⁹ лет), поэтому калий является одним из самых р аспространенных естест­венных радиоактивных элементов. В заметных количествах он содержится в земной коре, в почве, входит в состав тканей растений и животных. Бета-излучение калия является одним из источни­ков естественного радиоактивного фона. Схема распада ₁₉К⁴⁰ показано на рис. 2.

Наклонными стрелками изображены электронный β^-, позитронный β⁺ распады и К-захват. Вертикальной стрелкой изображен γ -переход. Около стрелки указаны максимальная энергия β -спектра в МэВах и вероятность данного перехода в процентах от общего числа распадов.

Задание 1.

6. 
   Тумблер «Высокое» должен быть выключен (положение «выкл»)
   
7. 
   Включить тумблер «сеть», затем подать высокое напряжение на счетчик. Установить на счетчике напряжение 500 В (вся шкала прибора 1500 В).
   
8. 
   Положения переключателей: «или», «работа», «авт».
   
9. 
   Кнопками «пуск», «стоп», «сброс» осуществляется управление прибором.
   
10. 
    Проградуировать установку.
    

Градуировка лабораторной установки производится с помощью эталонов, представляющих собой смеси солей КС1и NaС1с известным процентным содержанием калия в смеси. Для градуировки предварительно приготовлены 5 эталонов следующих соста­вов:

Таблица 1.

/ № п/п	% калия	Масса эталона т, г	Время измерения t, мин	Фон установки Nф	Счет N	Счет за вычетом фона N-Nф	Скорость счета n=(N-N0)/t	Удельная ско­рость счета nуд=(N-N0)/(t m)
1.	10%	58,30	7 мин
2.	15%	62,85
3.	17%	69,85
4.	27,3%	73,65
5.	53%	57,10
6.	х%	45,00

1) 0% К - чистая соль NaС1. Очевидно, что скорость счета счетчика Гейгера-Мюллера при этом эталоне должна соответствовать фону.

2)10% K-смесь КС1и NaCl в весовом отношении 1,0 : 4,3.

3) 20 % К- та же смесь в весовом отношении 1,0 : 1,65.

5) 40 % К- та же смесь в весовом отношении 1,0 : 0,325.

6) 53 % К - чистая соль КС1.

4) 30 % К- та же смесь в весовом отношении 1,0 : 0,77.

Градуировка заключается в определении удельной скорости счета (числа импульсов за секунду) на грамм пробы в зависимости от концентрации калия в эталонах. Измерение фона установки производится за 7 минут.

6.Результаты измерений записать в таблицу 1.

7.Построить градуировочную кривую зависимости удельной скорости счета от процентного содержания калия в эталоне с учетом погрешности измерения. За абсолютную погрешность принять среднестатистическую ошибку.

8. По методике пункта 5 измерить удельную скорость счета, используя в качестве источника смесь с неизвестным содержанием калия.

9. Полученное значение удельной скорости счета п_уд использовать для определения по градуировочной кривой процентного содержания калия в исследуемой смеси.

Задание 2.

Для выполнения второй части работы используется калиевый эталон (чистая соль КСl) и смесь KCl - NaСl. Используется смесь с неизвестным процентным содержанием, которую применяли в 1 разделе работы.

2. 
   Экспериментальное определение активности радиоактивного препарата абсолютным мето­дом требует введения многочисленных поправок. Например, для случая торцевого счетчика приходится вводить поправки на разрешающее время счетчика, фон окружающей среды, телесный угол, поглощение β -частиц в воздухе и окошке счетчика и отражение их от под­ложки, рассеивание и поглощение β -частиц в толстом образце. Учет всех поправок сложен даже для торцевых счетчиков, а для цилиндрических, в силу трудности определения их геометрических факторов и большой поглощающей способности стенок счетчика, практически невозможен вообще. В данной работе удельная активность β-препарата определяется относительным методом, который свободен от вышеперечисленных недостатков.
   

В этом разделе для расчетов используются результаты, полученные при выполнении 1 раздела работы.

2. Удельная активность химически чистого хлористого калия за счет распада ₁₉К⁴⁰ составляет:



Очевидно, что величина п_эт - удельная скорость счета установки с эталоном KCl, будет пропорциональна его удельной активности А_эт.:

, (5)

где к - коэффициент эффективности экспериментальной установки, величину которого опре­деляют в основном перечисленные выше поправки. Коэффициент к существенно зависит от энергии β -частиц. В нашем случае можно считать к постоянной величиной, т.к. геометриче­ские условия эксперимента и с эталоном и с неизвестным препаратом одинаковы, а в неиз­вестной пробе содержится тот же радиоактивный изотоп ₁₉К⁴⁰ ,что и в эталоне, только в дру­гом количестве. Следовательно, для удельной скорости счета для пробы с неизвестным содержанием калия можно за­писать соотношение (5): Из них определяем искомую величину:



Из них определяем искомую величину:

;
Удельную активность препарата рассчитать в единицах Ku/кг иБк/кг.

3. Рассчитать процентное содержание калия в исследуемой пробе. Первоначально определить число радиоактивных ядер ₁₉К⁴⁰ по формуле(3):

,

где λ-постоянная распада, определяется по табличному значению периода полураспада изотопа ₁₉К⁴⁰. Учитывая, что в природной смеси изотопов калия радиоактивного ₁₉К⁴⁰ содержится 0,0119% и что исследуемая проба состоит из смеси КС1 и NaC1, определить процентное содержание в ней калия. Сравнить полученный результат с результатом предыдущих измерений. Оценить погрешность полученных результатов.