random books / коллектив авторов - Оптика и квантовая физика _ лаб. практикум по физике

Измерения считаются удовлетворительными по качеству, если половина ширины Eai, полученного доверительного интервала (3.15), т.е. величина Ла( (3.13) не превышает 20 % от величины aoi (3.11).

Записать в отчет полученный результат измерений и сделать вывод об их качестве.

стороны от каждой из точек графика вдоль оси а отложить значение максимальной из абсолютных погрешностей Atti (3.13). Соединить полученные точки двумя плавными линиями, обозначив тем самым доверительный интервал для искомой зависимости.

У) По результатам экспериментов записать выводы, соответ­ ствующие заданию.

3.5.4 Эксперимент №3. Определение концентрации вещества в растворе

A)Налить раствор № 1 (дистиллированная вода) в кювету. Б) Поместить кювету в специальное устройство на приборе.

B)Измерить интенсивность света /0 на длине волны 328 нм. Г) Вынуть кювету и вылить раствор в раковину;

Д) Налить раствор № 2 (раствор CuS04 концентрацией С=0,5 — )

мл

в кювету.

Е) Поместить кювету в специальное устройство на приборе. Ж) Измерить интенсивность света 1Х на длине волны 328 нм. 3) Вынуть кювету и вылить раствор в раковину.

И) Налить в кювету раствор №3 (раствор CuSO^ концентрацией

С=1,0 ^ ) .

мл

К) Поместить кювету в специальное устройство на приборе. Л) Измерить интенсивность света 12 на длине волны 328 нм.

М) Вынуть кювету и вылить раствор в раковину, промыть кювету дистиллированной водой (раствор № 1).

Н) Полученные данные записать в таблицу 3.3. П) Построить график зависимости Ц-2-| = /(с).

Р) Налить в кювету раствор № 4 неизвестной концентрации, уста­ новить кювету в специальное устройство на приборе.

60

С) Измерить интенсивность /х исследуемого раствора на длине волны 328 нм.

Т ) Вынуть кювету и промыть.

У) По результатам экспериментов записать выводы, соответству­ ющие заданию.

Таблица 3.3 - Протокол эксперимента № 3

20,5

31,0

3.5.5Завершение экспериментов

На данном этапе лабораторный комплекс ЛКК-1Р подготавливается к хранению и представляется на проверку преподавателю.

3.5.5.1Отключить мультиметры;

3.5.5.2Выключить лампу накаливания;

3.5.5.3Отключить комплекс, перевести тумблер "сеть" на панели Х-1 в положение "выкл.";

3.5.5.4Промыть кюветы;

3.5.5.5Вынуть входную и выходную щели;

3.5.5.6Кюветы, щели и испытуемые растворы сдать преподава­

телю;

3.5.5.7Предъявить рабочее место для проверки преподавателю.

3.6Контрольные вопросы

A)Дать определение дисперсии света. Рассмотреть дисперсию света в призме.

Б) Дать определение дисперсии света. Определить нормальную и аномальную дисперсии.

B)Электронная теория дисперсии света.

Г) Поглощение света. Записать закон Бугера. Определить коэф­ фициент поглощения.

3.7 Рекомендуемая литература

3.7.1 Основная литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики,- М: Высшая школа. 1990.

61

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Учебное пособие для вузов: Т.З. Оптика-М: Наука. Гл. редактор физ.-мат. литературы, 1978.

3.7.2 Дополнительная литература

1. Суханов А.Д. Фундаментальный курс физики: Учебное пособие для вузов: [В 4 т].-Т 1; 2.- М: Агар, 1999.

2.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике: Для инженеров и студентов вузов.-7-е издание, исп.-М.: Наука, главная редакция физ.-мат. лит., 1977.

3.Справочная книга по светотехнике.-Т. 1.-М., 1956.

4.Справочник по производству стекла.-Т. 1. М., 1963.

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-26.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ РАДИОАКТИВНОГО Р-РАСПАДА ЯДЕР

4.1 Цель работы

Изучение законов радиоактивного р-распада атомных ядер; определение максимальной глубины проникновения р-частиц в алюминий. Оценка максимальной энергии Р-частиц, излучаемых радиоактивным источником. Оценка активности объекта исследования.

4.2 Оборудование

Объект исследования (закрытый источник а-излучения с максимальной активностью не более 3.7-104 Бк, содержащий радиоактивные ядра Sr-90 и 7-90); измерительное устройство, предназначенное для регистрации Р-частиц и для измерения времени наблюдения.

4.3 Метод измерений

Максимальная глубина проникновения р-частиц в алюминий определяется косвенным методом по результатам прямых измерений

62

интенсивности Р-излучения при прохождении через алюминиевые фильтры различной толщины. Регистрация Р-частиц производится при помощи счетчика ионизирующего излучения: р-частицы ионизируют газ, которым наполнен счетчик, и вызывают кратковременные разряды, регистрируемые измерительным устройством.

Максимальная энергия р-частиц определяется косвенным методом на основании результатов косвенных измерений максимальной глубины проникновения Р-частиц в алюминий.

Линейный коэффициент ослабления, а также начальная интенсивность р-излучения определяется на основании результатов прямых измерений глубины проникновения Р-частиц в алюминий методами совместных измерений.

Кроме того, начальная интенсивность р-излучения подвергается прямым измерениям, максимальная глубина проникновения Р-частиц в алюминий определяется косвенным методом по результатам совокупных измерений линейного коэффициента ослабления, а активность измеряется косвенным путем по результатам прямых измерений начальной интенсивности Р-излучения.

4.4 Подготовка к работе

В ходе домашней подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью (п. 4.5) настоящих методических указаний и готовят бланк отчета по лабораторной работе (Приложение А), соответствующий установленным правилам. Бланк отчета должен содержать: титульный лист; цель работы (п. 4.1); краткое описание экспериментального оборудования (п. 4.2) и методов измерений (п. 4.3); расчетные формулы и таблицы (п. 4.7), которые нужно заполнить в ходе выполнения работы; письменные ответы на контрольные вопросы (п. 4.8).

При подготовке к выполнению лабораторной работы рекомен­ дуется использовать дополнительную литературу из списка.

4.5 Теоретическая часть

4.5.1 Р-распад. Природа радиоактивного Р-излучения

Р-распадом называется сопровождающееся излучением потока электронов (Р-частиц) самопроизвольное превращение неустойчивых

63

ядер одного химического элемента в ядра другого элемента. Поток электронов, которые образуются в результате Р-распада ядер, называется радиоактивным fl-излучением.

Понимание природы р-излучения пришло только после развития протон-нейтронной концепции строения атомных ядер. В соответствии с этой концепцией все ядра состоят из более мелких частиц - протонов и нейтронов, которые удерживаются внутри ядер мощными ядерными силами. Протоны — это частицы, имеющие положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона. Масса протона примерно в 1840 раз больше массы электрона. Нейтроны - это нейтральные частицы. Масса нейтрона приблизительно равна массе протона. Заряд атомных ядер Z, выраженный в единицах заряда электрона, равен числу протонов в ядре (Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева). Масса ядер определяется полным числом протонов и нейтронов в ядре (массовым числом А).

Нейтрон — это нестабильная частица.

Всвободном состоянии нейтрон п довольно быстро (примерно за

15.3мин.) распадается на протон р, электрон е~ и v,- частицу с нулевым зарядом и очень близкой к нулю массой, т.е. электронное нейтрино (точнее, антинейтрино):

В ядре нейтрон связан прочными ядерными силами и, как правило, стабилен. Но иногда он испытывает распад по обычной схеме (4.1), причем протон остается в ядре, а электрон излучается. Именно эти электроны мы воспринимаем как р-лучи радиоактивных элементов.

4.5.2 Энергия /3-частиц /3-распаду, как правило, подвержены те ядра, у которых число

нейтронов превышает число протонов. В результате Р-распада, в частности, образуется новое (дочернее) ядро У с зарядом, на единицу большим заряда Z исходного (материнского) ядра X, и тем же массовым числом А:

z Y-±Z+W^aj-GT7

64

Кроме того, из схемы распада нейтрона (4.1) следует, что Р-распад (4.2) сопровождается излучением электронов и нейтрино.

Таким образом, среди продуктов р-распада присутствуют электрон, нейтрино и дочернее ядро, у которого число протонов приближается к числу нейтронов. Такие ядра, как показывает опыт, являются более прочными, то есть обладают большей энергией связи, чем энергия связи материнского ядра. Избыток энергии связи выделяется в ходе радиоактивного распада в виде энергии Р-частиц и нейтрино. При этом часть этой энергии уносят нейтрино, а другая ее часть уносится электроном. Соотношение же между этими частями, как того требует закон сохранения импульса, зависит от значения угла, под которым разлетаются электрон и нейтрино (так как масса дочернего ядра больше массы электрона и нейтрино, его отдачей всегда можно пренебречь). Таким образом, кинетическая энергия fi-частицы, в зависимости от угла между вектором ее скорости и вектором скорости нейтрино, может принимать любое значение от О до некоторого максимального значения Етах, которое можно рассчитать, воспользовавшись соотношением Эйнштейна между массой и энергией:

где Мх - масса материнского ядра X, MY - масса дочернего ядра Y, те - масса электрона (масса Р-частицы); с - скорость света в вакууме.

4.5.3 Среднее время жизни р-радиоактивных ядер. Закон радиоактивного распада Среднее время жизни /^-радиоактивных ядер определяется вероятностью распада (4.1) нейтрона на протон, электрон и нейтрино и не зависит от каких-либо внешних факторов.

Однако вероятность распада нейтрона сильно зависит от интенсивности ядерных сил, действующих на эту частицу внутри ядра. Ядерные силы существенно меняют свойства нейтронов, поэтому в зависимости от типа радиоактивных ядер их среднее время жизни по отношению к р-распаду может быть самым разным: от сотых долей секунды до нескольких миллиардов лет.

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают радиоактивное превращение независимо друг от друга. Кроме того, вероятность распада ядер не зависит от времени, которое они "прожили" к

65

моменту распада. Поэтому средняя скорость распада dN / dt будет равна отношению числа N нераспавшихся ядер к среднему времени т жизни ядер этого типа:

dt т

(знак "минус" указывает здесь на то, что число радиоактивных ядер в результате радиоактивного распада уменьшается). Интегрирование выражения (4.4) приводит к соотношению, которое называют законом радиоактивного распада ядер:

где No - количество ядер в начальный момент времени, а Л - величина, обратная среднему времени т жизни ядер до распада, называемая постоянной распада:

Иногда вместо среднего времени жизни для характеристики радиоактивных ядер используется понятие периода полураспада.

Периодом полураспада Т называется время, за которое распадается половина первоначального количества N0 ядер:

Отсюда следует, что период полураспада Т связан со средним временем т. жизни ядер очень простым соотношением:

г= / ^ а б 9 з = 0 9 3 т

лА.

4.5.4Активность радиоактивных веществ. Скорость распада ядер радиоактивного вещества называется активностью А этого вещества:

66

В международной системе единиц физических величин СИ за единицу активности принята величина, равная одному распаду в секунду. Эта величина в честь первооткрывателя явления радиоак­ тивности получила название беккереля (1 Бк = 1 распад / с). Внесистемной единицей измерения радиоактивности является 1 Ки (кюри). Это более крупная величина (1 Ки = 3,7-10 Бк), которая в настоящее время выходит из употребления.

Радиоактивность различных веществ, как следует из формулы (4.4), определяется количеством N нераспавшихся ядер и средним

Чем меньше среднее время жизни ядер, тем выше активность вещества.

4.5.5 Взаимодействие радиоактивного {^-излучения с вещес­ твом В результате р-распада каждое материнское ядро излучает одну fl-частицу (электрон). Эти частицы обладают отрицательным зарядом и большой энергией (до нескольких мегаэлектронвольт), поэтому они легко ионизируют атомы вещества, окружающего источник излучения. Энергия частиц уменьшается, и они выбывают из общего потока электронов, излучаемых радиоактивными ядрами. Вследствие этого интенсивность В-излучения при прохождении через вещество тоже уменьшается.

Закон поглощения В-частиц веществом имеет вид:

где /] - начальная интенсивность В-излучения, 12 - интенсивность излучения после прохождения слоя вещества толщиной х, ц. - пос­ тоянная величина, называемая линейным коэффициентом ослабления.

67

Коэффициент ослабления зависит только от начальной энергии Р-частиц и свойств поглощающей среды. Как следует из формулы (4.10), величина L, обратная коэффициенту ослабления,

имеет смысл максимальной глубины проникновения (3-излучения в вещество. При прохождении слоя вещества толщиной х — L интен­ сивность потока р-частиц становится экспоненциально малой величиной:

/2 =/,*-"" = /,е~*. • (4.13)

Энергия р-частиц может принимать самые разные значения (разные частицы имеют разную энергию), поэтому проникнуть на максимальную глубину L могут только те электроны, которые обладают максимальной энергией Етах (4.3). Связь между этой энергией и максимальной глубиной проникновения хорошо описывается эмпирической формулой:

где энергия Етах выражается в мегаэлектронвольтах, МэВ;

глубина проникновения L - в сантиметрах, р - плотность вещества в

граммах на кубический сантиметр (г/см ).

Таким образом, измерив на опыте максимальную глубину проникновения р-частиц в вещество, можно оценить их максимальную энергию. В свою очередь, максимальную глубину проникновения можно определить по изменению интенсивности р - излучения при прохождении им слоя вещества известной толщины х. Как следует из формул (4.11) и (4.12),

(4.15)

"*},

4.6 Описание лабораторной установки

Настоящая работа выполняется на установке ФПК-05, структурная схема которой представлена на рис. 4.1. Основными

68

Рисунок 4.1 - Структурная схема установки ФГЖ-05

элементами установки являются: объект исследования 1 (закрытый

4 алюминиевых фильтров различной толщины, предназначенный для изучения поглощения Р-частиц в алюминии. Измерительное устройство, в свою очередь, состоит из счетчика ионизирующего излучения 2 и регистрирующего устройства 3.

Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная р- частица, пролетая через газ, заполняющий счетчик, выбивает из атомов газа электроны, создавая таким образом положительные ионы и свободные электроны. Эти заряженные частицы ускоряются электрическим полем, создаваемым между анодом и катодом счетчика, до энергии, при которой начинается ударная ионизация газа. Образуется лавина ионов и электронов, и между анодом и катодом счетчика возникает кратковременный разряд. Этот разряд (импульс напряжения) фиксируется регистрирующим устройством.

Регистрирующее устройство выполнено в виде конструктивно законченного изделия, состоящего из блока питания, блока управления и индикации, узла автоблокировки, таймера и узла пересчета импульсов. На передней панели устройства размещены органы управления: кнопки «ИЗМЕРЕНИЕ» («СТОП», «СБРОС», «ПУСК»), кнопки «ВРЕМЯ» («+», «-», «УСТАНОВКА»), табло «КОЛИЧЕСТВО ЧАСТИЦ», табло «ВРЕМЯ». На задней панели устройства расположены выключатель «СЕТЬ», клемма заземления, держатель предохранителя, сетевой шнур и выходной разъем.

69