Контрольные вопросы

1. Определение естественного и поляризованного света.

2. Способы получения и свойства поляризованного света.

3. Закон Брюстера.

4. Закон Малюса.

5. Оптически активные вещества (правовращающие, левовращающие).

6. Формулу для угла вращения плоскости поляризованного света оптически активным веществом.

7. Удельный угол вращения.

8. Оптическую схему поляриметра и его применение.

9. Использование поляризованного света в медицине.

Лабораторная работа № 16 Определение активности радиоактивного препарата и коэффициента поглощения β - лучей в веществе

Основные понятия и определения:явление радиоактивности (естественная и искусственная радиоактивность); активность радиоактивного распада; взаимодействие ионизирующего излучения с веществом; дозиметрические приборы.

Цель работы: пользоваться пересчетным устройством, определять активность радиоактивного препарата и коэффициент поглощения излучения веществом.

Краткая теория

По современным представлениям, атомное ядро состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые называются нуклонами. Протоны и нейтроныпрочно удерживаются внутри ядра ядерными силами, природа которых изучена еще недостаточно.

Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона (е=1,6∙10^-19Кл), а нейтрон не имеет заряда. Протон принято обозначать символом – ₁р¹, а нейтрон – ₀n¹. Нижние символы обозначают заряд частицы, а верхние – массовое число частиц выраженное в атомных единицах массы (а.е.м.).

Число протонов N_p в атомном ядре элемента определяется порядковым номером элемента Z , т.е. N_p=Z.

Число нейтронов N_n в атомном ядре элемента равно разности между массовым числом А и атомным номера элемента: N_n=A–Z, где A выражается в а.е.м.

Атомные ядра химических элементов принято обозначать символом _ZX^A, где Х – символ элемента, А – массовое число, Z – атомный номер. Например, ₁₉К³⁹ – атомное ядро кислорода. Число протонов в ядре кислорода равно 19, а число нейтронов – 39-19=20.

Для того чтобы разрушить ядро, т.е. удалить нуклоны из поля действия сил, надо совершить работу (затратить некоторую энергию). Эта энергия называется энергией связи ядра (E_св) и определяется на основе пропорциональности массы иэнергии.

В процессе распада ядра наблюдается радиоактивное излучение трёх видов: α- лучи, β - лучи, γ - лучи.

α-лучи представляют собой поток ядер гелия₂Не⁴, называемыхα-частицами. Каждаяα-частица несет два элементарных положительных заряда (+2е) и обладает массовым числомА=4. Они вылетают из ядер со скоростью 14000-20000 км/с, чтосоответствует энергии от 4 до 9 МЭВ. α - частица возникает по следующей реакции:

2₁p¹+2₀n¹₂Не⁴

Схему α-распада с учетом правила смещения (законы сохранения заряда, массового числа и энергии) записывают в виде:

_ZX^A→ _Z-2Y^A-4+₂α⁴,

где XиY– символы соответственно материнского и дочернего ядра.

Проникая через вещество, α - частица ионизирует его атомы, действуя на них своимэлектрическим полем. Израсходовав энергию, она захватывает два электрона и превращается в атом гелия. В связи с тем, что α – частица является довольно тяжелой и большой по размеру микромира, она очень быстро растрачивает свою энергию при взаимодействии с веществом. Следовательно, - частица сильно поглощается веществом и для их экранировки достаточно, например, слой алюминия толщиной 0,06 мм или слой биологической ткани толщиной 0,12 мм.

β-лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов (называемыхβ- частицами).

β-частицы рождаются в результате превращения одного из нейтронов ядра впротон или протона в нейтрон по следующей реакции:

;

где: _-1β⁰электрон;₊₁β⁰- позитрон;и- нейтроно и антинейтроно -элементарные частицы.

Схема _-1β⁰– распада (электронного) с учетом правила смещения:

_ZX^A→ _Z+1Y^A+_-1β⁰ +.

При _-1β⁰-распаде электрон образуется в результате внутриядерного превращения нейтрона в протон.

Схема ₊₁β⁰– распада (позитронного) с учетом правила смещения:

_ZX^A→ _Z-1Y^A+₊₁β⁰ +.

При ₊₁β⁰-распаде позитрон образуется вследствие внутриядерного превращения протона в нейтрон.

Поскольку - частица имеет весьма малую массу, большую (в среднем) скорость и несет только один элементарный заряд ее ионизационная способность значительно (в среднем в 100 раз) меньше, а длина пробега во столько же раз больше, чем у - частиц.

Во многих случаях при радиоактивном распаде ядро нового элемента оказывается в возбужденном состоянии, т.е. на более высоком энергетическом уровне. Такое состояние ядра неустойчиво, оно переходит в основное состояние. С излучением γ – фотона энергия  - фотонов у различных веществ может быть в пределах от 0,2 до 3 МЭВ.

 - лучи, в отличие от и- лучей, обладают малой ионизационной, но громадной проникающей способностью.

Радиоактивный распад приводит к постепенному уменьшению числа ядер радиоактивного элемента. Он носит случайный характер в том смысле, что нельзя предсказать, когда и какое именно ядро распадется. Можно говорить только о вероятности распада каждого ядра за определенный промежуток времени.

Число ядер dN, распадающихся за времяdt, пропорционально времени и общему числуNядер радиоактивного элемента:

(1)

 - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада данного элемента.

Знак «-» указывает на уменьшение числа ядер радиоактивного элемента со времени. Для подсчета количества оставшихсяNядер радиоактивного элемента через t, проинтегрируем выражение (1). Для этого разделяем переменные:

.

От левой и правой частей берем интеграл:

Используем начальные условия, что в момент времени t=0 число ядер равно N₀, а в любой момент времени t число ядер – N. С учетом этого получаем:

или

Полученное выражение запишем в виде:

или

Потенцируем полученное выражение и получаем:

(2)

Выражение (2) называется законом радиоактивного распада. Графически он представлен на рис. 1. Скорость распада различных радиоактивных элементов характеризуют периодом полураспада Т — время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер; т.е. приt=Tчисло ядерN=N₀/2, гдеN₀ – начальное число радиоактивных ядер.

- период полураспада.

Рисунок 1. График закона радиоактивного распада

Число ядерных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1с называется активностью этого элемента - а:

,

т.е. активность элементов пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада. За единицу активности принята активность 1 г радия, получившая название Кюри:

1 Ки=3,7·10¹⁰ распадов/с

Применяется еще одна единица активности - резерфорд.

1 Р=10⁶ распадов/с=1/3700Ки

Активность радиоактивного препарата можно определить по активности эталонного препарата.

Если эталонный препарат с известной активностью а_эт. дает N_эт импульсов за t,то, посчитав количество импульсовN_xисследуемого препарата за то же время, определяют его активность по формуле:

а с учетом естественного фона имеем:

(3)

Для оценки защитных свойств какого-либо вещества от радиоактивного излучения необходимо знать, каково поглощение излучения в данном веществе.

Обозначим поглощающую величину слоя через dX. Относительное уменьшение интенсивности излученияdJ/Jпропорционально толщине слояdX:

(4)

где  - коэффициент пропорциональности, численно равный относительному уменьшению интенсивности излучения, на единицу пути в данном веществе и называется коэффициентом поглощения. Проинтегрировав выражение (4) получим закон поглощения дляβиγ - лучей в веществе:

(5)

где: J₀- интенсивность излучения без поглощения среды;

J- интенсивность после поглощения средой толщинойX.

Интенсивность излучения β и γ - лучей до и после поглощения, I пропорциональнаNчислу импульсов, зарегистрированных прибором за времяt. Тогда из формулы (5) имеем:

, откуда (6)

где N₀ и N₁ — соответственно количество импульсов до и после поглощения в слое толщинойX₁. Такое же соотношение можно написать и для поглощающего слоя толщинойХ₂.

(7)

Решая уравнения (6) и (7) относительно μполучим:

т.к. , то это выражение (с учетом естественного фона) даст намокончательное формулу для подсчета коэффициента поглощения β и γ - лучей:

(8)