ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ. Практикум по физике (атомная и квантовая физика) Направление подготовки 010700 (510400) Физика
Скачать 2.87 Mb.
|
Z. (2)Z. Таким образом, для электронов отношение эффективных сечений 20°.Контрольные вопросы.1.Что называется радиоактивным распадом? 2.Закон радиоактивного распада. Период полураспада. 3.Что такое активность нуклида? Единицы измерения активности. 4.β – распад. Энергетический спектр электронов β – распада. 5.Как в данной работе определяется процентное содержание калия в пробе? 6.Как определяется активность изотопа относительным методом? Литература. 1.Савельев И.В. Курс общей физики т.3. 2.Сивухин Д.В. Общий курс физики т.V-2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №31Определение коэффициента поглощения β-излучения и верхней границы β-спектра. Цель работы: экспериментальное изучение кривой поглощения β-излучения в алюминии, определение коэффициента поглощения β-излучения, оценка верхней границы энергии β-спектра. Оборудование:прибор «Арион» со свинцовым домиком, источник β-излучения, набор алюминиевых пластин. Краткая теория. Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием определенного вида излучений. Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем. Естественная радиоактивность наблюдается, как правило, у тяжелых элементов, располагающихся в конце периодической системы. Радиоактивное излучение оказалось самопроизвольным и постоянным, оно не зависит от внешних условий: освещения, давления, температуры. Это означает, что радиоактивность определяется внутренними свойствами ядер данного элемента. Радиоактивное излучение, проходящее через магнитное или электрическое поля, разделяется на три потока: α-, β- и γ-лучи. Дальнейшие исследования показали, что положительно заряженные α-лучи состоят из ядер гелия; β-лучи оказались потоком электронов, летящих со скоростью, близкой к скорости света и с энергией до 10 МэВ; γ-лучи, не отклоняющиеся магнитным полем, представляют собой жесткое электромагнитное излучение с большой проникающей способностью, по свойствам напоминающее рентгеновские лучи высокой энергии. Радиоактивные излучения вызывают посерение фотопластинок, ионизируют газ или конденсированное вещество, через которое они проходят. Эти свойства лежат в основе экспериментальных методов регистрации и исследования свойств радиоактивного излучения. Превращение ядер, сопровождающееся испусканием α- и β-лучей, называется соответственно α- и β-распадом; γ-излучение ядер не является самостоятельным видом радиоактивности, оно сопровождает процессы α- и β-радиоактивных распадов. Испускание α- и β-частиц изменяет заряд ядра, поэтому оно должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. При α-распаде происходит превращение изотопов с атомным номером Z и массовым числом A в изотопы с атомным номером Z -2 и массовым числом A-4 при одновременном испускании α-частиц, являющихся ядрами изотопа He. Ядерная реакция имеет вид: . При создании теории β-распада возникли особые трудности. При β-распаде изотоп с атомным номером Z и массовым числом A превращается в изотоп с атомным номером Z+1 и тем же массовым числом A при одновременном испускании β-частиц, являющихся электронами ( ): . Существует β+-распад, при котором происходит превращение изотопа с атомным номером Z в изотоп с атомным номером Z-1 при сохранении массового числа A и с испусканием позитрона ( ): . Электроны образуются в результате превращения внутри ядра нейтрона ( ) в протон ( ), позитрон возникает при переходе протона в нейтрон. В ядре нет электронов так же, как в атоме нет фотонов. Аналогично тому, как в процессе перехода атома из одного состояния в другое излучается фотон, при переходе ядерного нуклона из нейтронного в протонное состояние испускается электрон. Так как энергетические состояния ядра дискретны, следовало ожидать, что спектр энергий β-частиц также будет дискретным. В действительности оказалось, что β-электроны имеют сплошной спектр. Одинаковые ядра испускают β-электроны с энергией изменяющейся от нуля до некоторой верхней границыEмакс, которая равна разности энергетических уровней ядра, испускающего β-частицы. Казалось, что часть энергии β-электрона куда-то бесследно исчезла, а это равнозначно нарушению закона сохранения энергии при β-распаде. Вторая трудность – спин ядра (целочисленный или половинный) не изменяе тся в результате β-распада, хотя электрон уносит с собой половинный спин. Эти трудности устранила гипотеза Паули о том, что одновременно с β-частицей испускается еще одна, электрически нейтральная частица с ничтожно малой массой и спином равным . Частица, рождающаяся вместе с β-электроном, была названа нейтрино . Кроме того, образуются элементарные частицы – электронные антинейтрино Типичное распределение β-частиц по энергиям представлено на рис.1. Здесь по горизонтальной оси отложена энергия электронов Е, по вертикальной оси – , где - число электронов имеющих энергию от E до E+dE. Eмакс- верхняя граница β-спектра. Как показали исследования, такое распределение β-частиц по энергиям имеет место не только у естественно радиоактивных изотопов, но также у всех искусственно получаемых изотопов. Верхняя граница β-спектра у разных изотопов различна и поэтому является одной из характеристик изотопа. Значения верхней границы β-спектра у различных изотопов лежат в пределах от 15 кэВ до 15 МэВ. При прохождении через вещество пучок быстрых электронов уменьшает свою интенсивность, что позволяет говорить о поглощении β-частиц. Механизм поглощения обусловлен следующими процессами: Упругое рассеяние электронов ядрами. При прохождении электрона через атом его отклонение (рассеяние) вызывается кулоновским взаимодействием с ядром. Угловое распределение электронов , упруго рассеянных атомными ядрами, теоретически рассчитано Моттом. Его формула для Z 30 имеет вид: , (1) где –относительное число частиц, рассеянных в единице телесного угла по направлению Θ, N–число рассеивающих центров в единице объема, d–толщина рассеивающей пластинки и z–зарядовое число ядра. Если толщина dслоя мала (d<< ), где –эффективное сечение рассеяния, то происходит только однократное рассеяние, т.е. почти все рассеяние обусловлено лишь одним ядром. Для больших толщин (d |
Для (d<< ) угловое рассеяние принимает вид