Контрольні запитання

1. Що таке бета-розпад? Які існують його різновиди?

2. Викласти суть електронного бета-розпаду та його особливостей.

3. Позитронний розпад, його схема та закономірності.

4. Суть електронного захвату. К-захват та його тлумачення.

5. Сформулювати та пояснити правило зміщення для бета-розпаду.

6. Охарактеризувати радон як джерело радіоактивного випромінювання атмосферного повітря.

7. Викласти суть методики отримання кривої бета-радіо­активності повітря.

8. Як за допомогою кривої бета-розпаду визначається період напіврозпаду ?

9. За схемою на рис.1 показати, як визначались ізотопи, що вивчаються в даній роботі?

10. Які частинки називаються дивними? Перерахувати дивні частинки, що розглядаються в даній роботі.

Література

1. И.В.Савельев, Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1982.

2. И.В.Ракобольская, Ядерная физика. – М.: МГУ, 1982.

3. О.Ф.Кабардин, Практикум по ядерной физике. – М.: Просвещение, 1965.

4. П.Е.Колпаков, Основы ядерной физики. – М.: Просвещение, 1969.

5. Г.А.Зисман, О.М.Тодес, Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1972.

Лабораторна робота №10

Вивчення поглинання γ - випромінювання за допомогою сцинтиляційного лічильника

Мета роботи: Вивчити природу та властивості гамма-променів, ознайомитися з основним методом їх реєстрації та визначити коефіцієнти поглинання гамма-променів різними речовинами.

Прилади та обладнання: установка для вивчення гамма-випромінювання, набір досліджуваних зразків (1 – алюміній, 2 – мідь, 3 – свинець) різної товщини.

Теоретичні відомості

Рис. 1.

Гамма-випромінювання або гамма-промені – електро-магнітне випромінювання най-вищої енергії з довжиною хвилі меншою за 1 ангстрем. Утворюється в реакціях за участю атомних ядер і елементарних частинок в процесах розпаду, синтезу, анігіляції, при гальмуванні заряджених частинок великої енергії.

Позначаються грецькою літерою γ. Схематичне зображення γ-випрмінювання показано на рис. 1.

γ-промені спричиняють іонізацію атомів речовини, мають велику проникність, не заломлюються, породжують електрон-позитронні пари.

Одним із процесів утворення гамма-квантів є випромінювання радіоактивним ядром, яке було утворене в збудженому стані. Гамма-квант випромінюється при переході ядра із збудженого стану в основний. При цьому не міняються ні атомний номер, ні масове число ядра.

Гамма-кванти можуть з’являтися також у інших, складніших ядерних реакціях.

Іншим джерелом гамма-променів є гальмівне випромінювання високоенергетичних заряджених частинок. Заряджені частинки, рухаючись з прискоренням випромінюють електромагнітні хвилі. Спектр випромінювання залежить від енергії частинки. Для того, щоб частинка випромінювала гамма-кванти, її енергія повинна бути дуже високою, лежати в області принаймні десятків МеВ. Такі частинки можна отримати в прискорювачах, зокрема синхротронах.

Гамма-промені можуть також народжуватися при анігіляції частинок із античастинками. Оскільки в такому випадку сумарний імпульс частинок і античастинок в таких випадках зазвичай невисокий, утворені при анігіляції два гамма-кванти розповсюджуються в протилежних напрямках. Одночасне детектування двох гамма-квантів, що розповсюджуються в протилежних напрямках, є експериментальним свідченням акту анігіляції.

При проходженні γ-випромінювання крізь речовину спостерігається специфічна експоненціальна залежність інтенсивності від довжини шляху в речовині, на відміну від певного співвідношення між пробігом та енергією, яке характерне для проходження заряджених частинок крізь речовину (рис. 2).

(а) іони	(б) електрони
Рис. 2. Крива пропускання заряджених частинок в залежності від товщини поглинача.

Причина експоненціального закону зменшення інтенсивності γ- випромінювання полягає в тому, що кожний γ-фотон вибуває з паралельного пучка внаслідок одиничного акту взаємодії. В найпростішому випадку, для вузького паралельного моноенергетичного пучка, цей закон має вигляд

, (1)

де – інтенсивність γ-випромінювання до поглинача, І – інтенсивність після проходження шляху х в речовині, густина якої дорівнює , та – відповідно лінійний та масовий коефіцієнти поглинання, в даному випадку не залежні від х.

Основними процесами в поглинанні γ-випромінювання в речовині є процеси електромагнітної взаємодії γ-фотонів з електронами та кулонівським полем ядер середовища:

• Фотоефект;

• комптонівське розсіяння;

• утворення електрон - позитронних пар.

Відносна ймовірність кожного з цих трьох процесів залежить від енергії γ- фотонів та властивостей речовини, зокрема – атомного номера. Характер взаємодії γ- фотонів з атомом залежить від того, чи є електрон вільним чи зв’язаним. Фотоефект – процес, при якому γ-фотон «гине» (повністю поглинається атомом), а його енергія витрачається на відрив зв’язаного електрона та надання йому кінетичної енергії . Цей процес неможливий на вільних електронах, оскільки при цьому не можуть одночасно виконуватись закони збереження енергії та імпульсу. Справа в тому, що для вільних електронів закони збереження енергії та – система двох рівнянь з одним невідомим (швидкість фотоелектрона ), а саме

та .

Очевидно ці рівняння є несумісними. Отже фотоефект відбувається тільки на зв’язаних електронах. Кінетична енергія фотоелектронів майже дорівнює енергії фотонів, оскільки остання значно перевищує енергію зв’язку електронів. Коефіцієнт поглинання, зумовлений фотоефектом

(для малих hν);

(для ).

Якісно залежність від z та hν можна пояснити так: оскільки необхідною умовою фотоефекту є зв’язаність електронів, зростає зі збільшенням z, бо при цьому зростає енергія зв’язку електрона; зменшується зі збільшенням hν, бо при цьому електрони стають « квазівільними».

Ефект Комптона – це пружне розсіяння γ-фотонів, який спостерігається переважно на вільних або слабо зв’язаних (квазівільних) електронах. Внаслідок комптонівського розсіяння γ-фотони передають частину своєї енергії електронам віддачі та, змінюючи при цьому напрямок руху, вибувають з первинного пучка, що призводить до зменшення інтенсивності γ-випромінювання.

В цьому випадку закони збереження енергії та імпульсу – це система з двох рівнянь з двома невідомими (енергія розсіяного фотона та швидкість електрона віддачі). Енергія розсіяних фотонів та електронів віддачі буде різною для різних кутів розсіяння, і тому енергетичний спектр електронів віддачі є суцільним з певною верхньою границею. Ймовірність комптонівського розсіяння і відповідно коефіцієнт поглинання:

.

Утворення електронно-позитронних пар є процес, в якому фотон перестає існувати, перетворюючись в пару частинок електрон та позитрон. Очевидно, що цей процес є пороговим, оскільки за законом збереження енергії він можливий за умови, що енергія фотона не менша за сумарну енергію спокою новонароджених частинок електрона та позитрона: = 1,022 МеВ. Якщо hν > , то надлишок енергії переходить у кінетичну енергію народжених частинок.

Процес утворення пари неможливий у вакуумі, а можливий лише у полі ядра або у полі електрона (ймовірність процесу у другому випадку на декілька порядків менша, ніж у першому). Необхідність участі в цьому процесі третього тіла – ядра або електрона, – знов-таки обумовлена одночасною дією законів збереження енергії та імпульсу.

Дійсно, енергія фотона ; імпульс фотона , сумарна повна енергія пари , а максимальний сумарний імпульс пари (тобто у випадку, коли імпульси , паралельні) ;

; ; ; .

Якщо виконується закон збереження енергії , то

,

що є порушенням закону збереження енергії і, отже, неможливе. Саме тому і потрібна третя частинка, яка одержує зайвий імпульс і забезпечує одночасне виконання обох законів. Звичайно, ця частинка разом з імпульсом одержує і певну кінетичну енергію і тому, строго кажучи, порогова енергія трохи більша за . Проте перевищення порогової енергії у випадку народження пари у полі ядра дуже незначне , оскільки . Проте, коли пара утворюється у полі електрона, цією поправкою нехтувати не можна, і порогова енергія буде вже ≈ .

Рис.3. Залежність коефіцієнтів поглинання , , та від енергії γ-випромінювання для свинця.

Ймовірність народження пари і відповідно пропорційна до поглинаючої речовини.

Кожний з трьох основних процесів поглинання γ-фотонів дає незалежний вклад у загальний коефіцієнт поглинання:

, (2)

де , , – коефіцієнти поглинання за рахунок фотоефекту, комптонівського розсіяння та утворення пар відповідно. Залежність кожного з коефіцієнтів та загального коефіцієнта поглинання в свинці від енергії γ-фотонів показане на рис. 3.

Практично вклад процесу утворення пар у поглинання γ-випромінювання від радіоактивних препаратів з енергіями γ-фотонів, меншими за 2 МеВ, дуже малий.

З рис. 2 також видно, що у випадку проходження крізь речовину немоноенергетичного γ-випромінювання зростає відносна кількість фотонів із більшою енергією у загальному потоці, внаслідок чого ефективний коефіцієнт поглинання дещо змінюється при збільшенні товщини поглинача.

З формули (1) видно, що якою б не була товщина поглинача, повне поглинання γ-випромінювання настає при х → ∞, тобто формально неможливе, а можливе лише зменшення його інтенсивності. Тому для γ-випромінювання іноді вводять поняття «шару напівпоглинання», тобто товщини поглинача, при якій інтенсивність γ-випромінювання зменшується вдвічі.

Поглинання широкого пучка γ-випромінювання відбувається не так, як поглинання вузького пучка. У цьому випадку, внаслідок реєстрації розсіяних γ-фотонів, змінюється поняття інтенсивності і виникає необхідність введення поправок у вигляді так званого дозового фактора накопичення.