Л_Р Физика атомов и молекул_43_44_46_52. Учебное пособие по выполнению лабораторных работ по физике (модуль 6 Атомная физика) для студентов инженернотехнических направлений подготовки

• Название: Учебное пособие по выполнению лабораторных работ по физике (модуль 6 Атомная физика) для студентов инженернотехнических направлений подготовки
• Дата: 08.12.2022
• Размер: 2.11 Mb.
• Имя файла: Л_Р Физика атомов и молекул_43_44_46_52.doc
• Тип: Учебное пособие; #834658
• страница: 6 из 6

Изучение бета - распада

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Определение коэффициентов поглощения β - излучения для меди и алюминия.

2. Определение граничной энергии бета - спектра.

3. Определение концентрации калия в солях радиометрическим методом.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: счетчик Гейгера с регистрирующей радиоэлектронной аппаратурой (радиометр), радиоактивный калий в соединениях, набор пластин из меди и алюминия, микрометр, секундомер.
Теоретические сведения

Радиоактивность. b- распад

Радиоактивность – явление самопроизвольного превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц. Была открыта в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем при изучении солей урана. Дальнейшие опыты показали, что радиоактивность не связана с воздействиями, которые приводят к изменению электронной оболочки атома, а обусловлены только структурой его ядра.

Радиоактивный распад – радиоактивное (самопроизвольное) превращение исходного (материнского) ядра в новые (дочерние) ядра. Радиоактивный распад бывает: a -, b - распад иg - излучение. Эта работа посвящена b - распаду.

Термин «бета – распад» обозначает три вида ядерных превращений: электронный b^--распад, позитронный b⁺ -распад и электронный захват (К-захват).

Электронный b^--распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

.

Пример b^- -распада:

.

Поток электронов называется b^--излучением.Появление электронов при распаде ядра объясняется тем, что внутри ядра нейтрон превращается в протон с образованием электрона и электронного антинейтрино:

.

Объяснение этого вида распада было связано с тремя трудностями:

1) происхождение электрона, т.к. в ядре электронов нет; 2) непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов, а также не выполнялся закон сохранения энергии; 3) несохранение спина ядра (закон сохранения собственного момента импульса) при электронном распаде.

Последние два затруднения разрешили, предположив, что вместе с электроном из ядра испускается еще одна элементарная частица – нейтрино. Впоследствии было открыть, что при электронном распаде испускается не нейтрино, а антинейтрино – античастица нейтрино . Теория электронного распада была создана Энрико Ферми в 1934 году, а экспериментально нейтрино было зарегистрировано только в 1956 году. Нейтрино не имеет заряда, массы, не имеет электрический заряд. Ионизирующая способность мала. Проникающая способность огромна (10¹⁸ м в свинце). Поэтому прямое наблюдение нейтрино затруднено. Нейтрино и антинейтрино имеют спин: у нейтрино s = ½, у антинейтрино s = -½, а также имеют лептонный заряд +1. Непосредственное обнаружение нейтрино стало возможным лишь после появления мощных реакторов, позволяющих получать интенсивные потоки нейтрино.

Энергетический спектр бета-частиц является непрерывным, т.е. электроны имеют разные энергии от 0 до Е_max = 782 кэВ (рисунок 52.1). Но в одной и той же реакции b^- -распада должно всегда выделяться одно и то же количество энергии. Если электрон имеет скорость u = 0, то энергия, которая выделилась при распаде, перешла к антинейтрино. И наоборот, если электрон вылетает с максимальной энергией, то антинейтрино имеет энергию Е = 0. Энергия электрона может принимать и различные промежуточные значения. Значит, непрерывный спектр бета-частиц объясняется тем, что при электронном распаде одновременно испускается электрон и антинейтрино, порция энергии на эту пару всегда фиксирована, но перераспределяется между двумя частицами случайным образом, и поэтому спектр бета-частиц непрерывный. При этом процессе, как и при других, выполняются все законы сохранения: энергии, заряда, импульса, момента импульса, спина и массового числа.

Позитронный b⁺ -распад– спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием позитрона и нейтрино. Позитрон - античастица электрона. Электрическийзаряд позитрона +1.

.

Позитронный b⁺ -распад имеет те же свойства и такой же спектр как электронный распад. Внутри ядра протон превращается в нейтрон с образованием позитрона и электронного нейтрино:

.
Р
исунок 52.1 - Распределение электронов по энергиям (энергетический спектр)
Электронный захват (К-захват) - процесс, в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки атома и испускает нейтрино. Обычно электрон захватывается из К-слоя. Электронный захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. При е-захвате один из протонов ядра превращается в нейтрон, как при позитронном распаде.

Схема е-захвата:

.

Протон превращается в нейтрон, захватывая электрон с К-оболочки.

.

При электронном захвате из ядра вылетает только нейтрино. Исчезновение одного из электронов приводит к переходам электронов с дальних от ядра электронных оболочек на ближние, что сопровождается рентгеновским излучением.

Отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга. Поэтому количество ядер dN, распадающихся за время dt, пропорционально числу имеющихся ядер N и промежутку времени dt:

dN = -l×N×dt

закон радиоактивного распада в дифференциальной форме. Знак минус в уравнении взят для того, чтобы показать, что число материнских ядер уменьшается. Здесь l - постоянная распада - это относительная убыль ядер за единицу времени, т.е. если dt = 1, то

.

Постоянная распада связана с периодом полураспада ядер:

,

где Т_1/2 – период полураспада, время, за которое распадается половина исходных ядер. Среди естественных и искусственных радионуклидов встречаются ядра с самыми разными периодами полураспадов от 3×10^-7 с до 5×10¹⁵ лет. Еще одна характеристика ядра – это среднее время жизни ядер (t), время, за которое количество ядер уменьшается в е раз:

.

Закон радиоактивного распада в интегральной форме:

,

где е – основание натурального логарифма, е @ 2,718;N₀ - начальное число ядер;N - число ядер, не распавшихся к моменту времени t, убывает с течением времени по экспоненте.

В данной работе рассматривается взаимодействие b^-- излучения с веществом. Частицы, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате состояние вещества и частиц изменяется. При прохождении через вещество излучение ослабляется в результате рассеяния на ядрах, ионизации атомов (взаимодействие с электронами) и неупругих взаимодействий.

Закон поглощения b - излучения веществом

,

где I – интенсивность излучения на глубине x, I₀ – интенсивность падающего излучения, m- коэффициент линейного поглощения, который зависит от материала поглотителя (рисунок 52.2).

Слой вещества, через который радиоактивное излучение проходит, уменьшаясь по интенсивности в 2 раза, называется слоем половинного поглощения. Линейный коэффициент поглощения равен:

.

Физическая величина, численно равная отношению линейного коэффициента поглощения μ к плотности ρ, называется массовым коэффициентом поглощения М

.

Р
исунок 52.2 - Зависимость числа поглощенных частиц от толщины поглотителя
В ткани организма b -частицы проникают на 10-15 мм, защитой от

b-излучения служат тонкие алюминиевые, плексигласовые и др. экраны. Например, слой алюминия 0,4 мм или воды 1,1 мм уменьшают вдвое поток

b -частиц.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В настоящее время разработаны и широко применяются разнообразные методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений. В нашей работе мы используем счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера относится к ионизационным счетчикам или газоразрядным.

Счетчик Гейгера выполнен в виде металлического цилиндра, который является катодом. В центре с цилиндра вдоль оси цилиндра натянута тонкая проволока – анод (рисунок 52.3).

Цилиндр заполнен газом под небольшим давлением. К электродам приложено напряжение, близкое к напряжению пробоя, т.е. созданы условия для ударной ионизации газа. Частица (β или γ) влетает в камеру и ионизирует атомы газа, т.е. отрывает электроны от ядер и появляются свободно летящие электроны (отрицательные ионы), а атомы без электрона несут положительный заряд (положительные ионы). На пути полета радиоактивной частицы образуется лавина ионов. В электрическом поле счетчика положительные ионы притягиваются к катоду, а отрицательные - к аноду. Разряд прекращается, как только все ионы нейтрализуются на электродах. Через счетчик проходит кратковременный импульс тока. Этот импульс усиливается, и регистрируется пересчетным устройством радиометра. Счетчик Гейгера регистрирует 100% β- частиц, попадающих в камеру. γ -излучение регистрируется на 5%, а α - частицы не регистрирует, так как они не могут проникнуть через металлическую фольгу. Разрешающая способность счетчика Гейгера 10^-3 – 10^-7 с.





Рисунок 52.3 - Счетчик Гейгера
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1 Определение линейных и массовых коэффициентов поглощения

β–лучей для меди и алюминия.

1. 
   Готовят радиометр к работе, предварительно изучив инструкцию к прибору.
   
2. 
   Находят радиоактивный фон (радиацию, не связанную с радиоактивным препаратом) N_Ф. N_Ф - число импульсов в минуту находят как произведение показания счетчика n_Ф (число импульсов в секунду) на 60 с
   

(N_Ф = n_Ф·60 с).

3. 
   Помещают радиоактивный препарат на счетчик Гейгера и определяют суммарную радиацию препарата и фона N*(N* = n*·60 с).
   
4. 
   Между препаратом и счетчиком Гейгера помещают одну пластину алюминия толщиной d(указана на пластине) и определяют число импульсов в минутуN₁*.
   
5. 
   Затем последовательно увеличиваем число пластин между счетчиком и препаратом на одну. Толщина поглотителя будет равна соответственно 2d, 3d, 4d, ..., и определяют число импульсов в минутуN₂*, N₃*, N₄*, .... Увеличивают толщину поглотителя до тех пор, пока N_n* не приблизится к N_Ф.
   
6. 
   Результаты записывают в таблицу 52.1.
   
7. 
   Находят интенсивность радиации препарата N₁,N₂,N₃,N₄, .. N_nс поправкой на фон N_n = N_n* - N_Ф.
   
8. 
   Повторяют все измерения с пластинами из меди.
   
9. 
   Строят график зависимости N(x) для алюминия и меди в одной системе координат.
   
10. 
    По экспериментальным кривым находят толщину слоя половинного поглощения x_1/2, необходимую для уменьшения вдвое начальной интенсивностиβ–излучения.
    
11. 
    Находят линейные коэффициенты поглощения для алюминия и меди по формуле . Значения μ представляют в см^-1.
    
12. 
    Рассчитывают массовые коэффициенты поглощения в (см²·г^-1) для алюминия и меди по формуле (ρ_Al = 2,6 г∙см^-3, ρ_Cu = 8,6 г∙см^-3 ).
    

Таблица 52.1

Число пластин n	Толщина пластины D, мм	Толщина поглотителя x, мм	NФ, имп/мин	N*, имп/мин	N = (N* - NФ) имп/мин
0 1 2 ...

Задание 2. Определение граничной энергии β–спектра изотопа ₁₉К⁴⁰.

Для определения граничной энергии β–спектра изотопа ₁₉К⁴⁰ используют график N(x) для алюминия и кривые приведенные на рисунке 52.4, показывающие зависимость между толщиной слоя алюминия, ослабляющего излучения в 2ⁿ раз и граничной энергией β–спектра.

Отдельные кривые относятся к случаям, когда интенсивность излучения уменьшается в 2, 2², 2³, ... 2ⁿ раз. Найдите толщину слоя, ослабляющего излучения в 2, 4, 8, 16 ... раз, по экспериментальной кривой поглощения N(x) для алюминия и для каждой толщины слоя определите максимальную энергию Е_max мегаэлектрон-вольтах для изотопа ₁₉К⁴⁰.

Среди 3-х или 4-х значений максимальных энергий найдите среднее значение Е_max.

Р
исунок 52.4 - Граничная энергия β –спектра изотопа ₁₉К⁴⁰ для Al (алюминия)
Задание 3. Определение концентрации калия в солях радиометрическим методом.

1. 
   Находят радиоактивный фон N_Ф.
   
2. 
   Берут соли с известным содержанием калия С₁(%), С₂(%), … С_n(%) и измеряют для каждой соли суммарную интенсивность радиации и фона N₁*, N₂*, … N_n*. Результаты записывают в таблицу 52.2.
   

Таблица 52.2

№	Соль	N*, имп/мин	N, имп/мин	C, %
1 2 … n	Х

3. 
   Находят интенсивность радиации препарата N₁,N₂, N₃ с поправкой на фон N_n = N_n* - N_Ф.
   
4. 
   Берут соль с неизвестным содержанием калия C_x %, и определяют интенсивность радиации с поправкой на фон.
   
5. 
   Строят график зависимости N от С -концентрации содержания калия.
   
6. 
   По графику N(С) находят C_x, %.
   

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Радиоактивность. Виды радиоактивного распада.
   
2. 
   β– распад. Привести схемы электронного, позитронного распада и е – захвата.
   
3. 
   Энергетический спектр и распределение энергии между частицами, покидающими ядра.
   
4. 
   Закон радиоактивного распада в дифференциальном и интегральном виде.
   
5. 
   Основные характеристики β–распада: период полураспада, среднее время жизни, активность атомных ядер.
   
6. 
   Граничная энергия, принцип ее определения.
   
7. 
   Закон поглощения излучения веществом. Половинный слой поглощения, линейный и массовый коэффициенты поглощения.
   
8. 
   Счетчик Гейгера. Какие виды радиоактивного излучения можно измерять счетчиком Гейгера?
   
9. 
   На чем основано определение процентного содержания калия в солях?
   

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 
   Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – изд. 15 стер. - М.: Академия, 2012. - 560 с.
   
2. 
   Грабовский, Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. – изд. 12-е стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2012. – 608 с.
   
3. 
   Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – изд. 9-е стер. - М.: Академия, 2014. – 719 с.
   

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Требования техники безопасности 4

Лабораторная работа № 43 5

1. Теоретические сведения 5

2. Описание установки и методы измерений 13

3. Порядок выполнения работы 15

4. Контрольные вопросы 17

Лабораторная работа № 44 18

1. Теоретические сведения 18

2. Описание аппаратуры и метода измерений 32

3. Порядок выполнения работы 34

4. Контрольные вопросы 37

Лабораторная работа № 46 38

1. Теоретические сведения 38

2. Описание аппаратуры и метода измерений 47

3. Порядок выполнения работы 49

4. Контрольные вопросы 55

Лабораторная работа № 52 57

1. Теоретические сведения 57

2. Описание аппаратуры и метода измерений 63

3. Порядок выполнения работы 64

4. Контрольные вопросы 68

Библиографический список 69