Альфа-, бета-, гамма- излучения

См.выше «Радиоактивность»

Закон радиоактивного распада(уч.11кл.Стр.363-367)

Радиоактивный распад – статистический процесс. Нельзя сказать, какие именно атомы распадутся за определенное время.

Период полураспада- промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

Период полураспада определяется скоростью радиоактивного распада.

Чем меньше период полураспада, тем быстрее происходит распад.

Найдем закон радиоактивного распада, т.е. число N нераспавшихся атомов в произвольный момент времени t. Пусть в начальный момент времени есть N₀ атомов. Атомы распадаются независимо друг от друга.

Период полураспада не зависит от начального числа атомов.

Спустя период полураспада T_1/2 число нераспавшихся атомов: N_1/2 = N₀/2

Через n полураспадов t = nT_1/2 число нераспавшихся атомов: N = N₀/2ⁿ

Учитывая, что n = t/T_1/2 получаем закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:

N = N₀ .

где Т_1/2 – период полураспада – время за которое распадается половина всех атомов, константа для данного изотопа.

Графиком такой зависимости является экспонента.

Скорость радиоактивного распада определяется производной = A, называемой активность радиоактивного распада.

Активность радиоактивного распада вещества – число распадов радиоактивных ядер за 1 с.

Единица измерения – Бк (Беккерель)

1 Бк – активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один распад.

Зная число атомов N нераспавшихся и их начальное число, можно найти число атомов, распавшихся к моменту времени t (учитывая, что 2 = e^ln2):

N_расп = N₀ – N = N₀ – N₀ = N₀ – N₀

Тогда:

A = = – N₀ (- ) = N₀

Учитывая, что N = N₀ и 1/ln2 = 1.44, окончательно получаем:

A = .

Чем быстрее распадаются ядра, тем меньше период полураспада, тем больше активность вещества.

Активность пропорциональна числу нераспавшихся атомов, которое убывает со временем.

Активность одного грамма радия 3.7*10¹⁰Бк.

Эта величина часто используется на практике в качестве единицы активности – Кюри:

1 Ки (Кюри) = 3.7*10¹⁰Бк.

Время t = 1.44 T_1/2 характеризует среднее время жизни радиоактивного изотопа.

Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике(уч.9кл.Стр.189-192)

Метод фотоэмульсий

Сцинтилляционные счетчики

Газоразрядные счетчики

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

Метод фотоэмульсий.

Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии в результате ионизации создает вдоль траектории своего движения центры скрытого изображения. После проявки по толщине следа в фотоэмульсии и его длине можно определить заряд частицы и её энергию

Сцинтилляционные счетчики

Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.

Сцинтилляционный счетчик – прибор, в котором можно наблюдать превращение кинетической энергии быстрой частицы в энергию световой вспышки, которая, в свою очередь, инициирует фотоэффект (импульс электрического тока), который усиливается и регистрируется.

Метод сцинтилляций не дает необходимой точности, так как результат подсчета вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя.

Газоразрядные счетчики

Для регистрации быстрых заряженных частиц и гамма- квантов применяют счетчик Гейгера –Мюллера, изобретенный в 1908 г.

Ионизационная камера представляет собой металлический цилиндр (катод), заполненный разреженным газом и натянутой внутри цилиндра нитью из тонкого проводника (анода). Катод и анод через большое сопротивление (порядка 10⁹Ом) присоединены к источнику высокого напряжения (порядка 200-1000В). Между электродами возникает сильное электрическое поле.

Попадающая в камеру частица вызывает ионизацию газа. Ионы под действием электрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя по пути другие атомы. Возникает электронно-ионная лавина и коронный разряд, импульс которого на сопротивлении R регистрируется.

Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 10⁹Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает на нем, в результате чего напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается, так как напряжение становится недостаточным для образования электронно-ионных пар) Счетчик готов к регистрации следующей частицы.

С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели пригодные и для регистрации гамма- квантов.

Для измерения доз гамма- квантов полученных человеком используют дозиметры, по форме и размерам –авторучка.

Камера Вильсона

Счетчик Гейгера позволяет только регистрировать факт пролете частицы. Гораздо больше возможностей для изучения частиц дает изобретенная в 1912 г. камера Вильсона.

Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится ткань, увлажненная смесью воды и спирта. Благодаря этому воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.

При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура в камере понижается.

В обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров (появление тумана) Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как из нее предварительно удалены ядра конденсации – пылинки, ионы и т.д.

Поэтому в данном случае при понижении температуры в камере пары становятся пересыщенными, переходят в крайне неустойчивое состояние, при котором будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации, например на ионах.

Пролетая с большой скоростью через газ, частицы создают на своем пути ионы, которые становятся ядрами конденсации, на которых пары конденсируются в виде маленьких капелек.

Водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта – на положительных.

Вдоль всего пути частицы возникает видимый трек из микро-капелек.

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается от стенок камеры и капельки испаряются. Чтобы привести камеру в исходное состояние надо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать газ в камере, выждать пока воздух, нагревшийся при сжатии, охладиться, и произвести новое расширение.

Для фотографирования треков частиц камеры освещают сбоку мощным пучком света.

Для выполнения точечных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле, Треки частиц, движущихся в маг поле, оказываются искривленными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти

характеристики частиц могут быть определены по радиусам кривизны треков.

Пузырьковая камера

Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 г. пузырьковая камера. В ней вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость (жидкий водород, пропан, ксенон). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль ее траектории образуется ряд пузырьков пара.

Быстрые заряженные частицы через маленькое в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и образуют на своем пути цепочку ионов в жидкости находящейся около температуры кипения.

В этот момент давление резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, вдоль пути частицы, обладают избыточной кинетической энергией, за счет которой температура в микроскопическом объеме вблизи каждого иона повышается, и образуются пузырьки пара вдоль траектории.

Пузырьковую камеру обычно помещают в постоянное магнитное поле.

Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.