8.9. Лабораторна робота "визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання"

Мета роботи: вивчити метод реєстрації іонізуючого випромінювання за допомогою радіометра, який містить газорозрядний лічильник; визначити коефіцієнт лінійного послаблення /-випромінювання для свинцю, заліза та алюмінію.

Питання для підготовки до лабораторної роботи

1. Радіоактивність. Основні характеристики радіоактивного розпаду.

2. Активність, одиниці активності.

3. Взаємодія корпускулярного іонізуючого випромінювання (аль­фа-, бета-, протонного, нейтронного тощо) з речовиною.

4. Взаємодія рентгенівського та гамма-випромінювань з речови­ною.

5. Характеристики іонізуючого випромінювання (іонізуюча та про­никна здатності).

6. Закон послаблення іонізуючого випромінювання. Захист від іонізуючого випромінювання.

Додаткова література

Ливенцев Н.М. Курс физики. -М.: Высшая школа, 1978.-4.2. 2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Выс­шая школа, 1996.

Додаткові теоретичні відомості

Гамма-промені - короткохвильове електромагнітне ви­промінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі Вони становлять потік γ-квантів (фотонів) з енергією та імпульсом Гамма-випромінювання є одним із видів радіоактивного випромінювання та. як пра­вило, супроводжуєрозпади. На дослідах встановлено, що γ-промені випускаються не материнським, а дочірніми ядрами, які в момент свого утворення збуджені та мають надлишкову енергію порівняно із звичайним, нормальним енергетичним станом незбудженого ядра. За дуже короткий час дочірнє ядро переходить у нормальний або менш збуджений стан, при цьому випускаючипро­мені, що мають дискретний спектр.

При проходженні через речовину внаслідок поглинання та розсіяння інтенсивністьвипромінювання зменшується. Під час проходження через речовинуквант може взаємо­діяти як з електронною оболонкою атомів (молекул) речо­вини, так і з їх ядрами. Фізичні процеси, що зумовлюють зменшення інтенсивностіпроменів під час проходження через речовину є: утворення пар еяектрон-позитрон, Комптон-ефект, фотоефект і когерентне розсіяння. Можливість виникнення певного процесу залежить від енергії фотонів і фізичних властивостей речовини, яка поглинає ці фотони.

При великих енергіях квантів, що перевищують по­двійну енергію спокою електрона переважно виникає поглинання променів, пов'язане з утворенням електронно-позитронних пар.

Зі зменшенням енергії фотона збільшується можливість виникнення Комптон-ефекту. В 1925 році А. Комптон, досліджуючи розсіяння рентгенівських променів, визначив, що в розсіяному випромінюванні присутні як коливання з частотою падаючого випромінюваннятак і коливання з частотою , меншою ніж . Ефект зменшення частоти розсіяного випромінювання одержав назву ефекту Компто-на. При цьому ефекті енергія падаючого фотона hv_Q частково витрачається на відрив електрона від атома, тобто на роботу виходу та надання електрону кінетичної енергії Цей електрон називають електроном віддачі, або комптонівським електроном. За законом збереження енергії енергія розсіяного фотона(і отже частота випромінювання) буде меншою від енергії пада­ючого фотона. Ефект Компотна частіше за все спостері­гається для енергій гамма-випромінювань, менших за енер­гію подвійної маси спокою електрона та більших від енергії зв'язку електрона з атомом. Його також називають некоге-рентним розсіянням гамма-випромінювання, так як відбу­вається зміна частоти фотона, який поглинається.

Із зменшенням енергії гамма-фотонів збільшується можливість взаємодії кванта з електронами атомів. Виникає фотоефект, при якому електрони вириваються із внутрішніх шарів електронної оболонки. Цей процес називають ще фотоелектричним поглинаннямпроменів. Коефіцієнт фо­тоелектричного поглинання залежить від атомного номера Zречовини і довжини хвилі гамма-випромінювання:

Сталізалежно від енергії квантів, змінюють свої значення в межах

При невисоких енергіях фотона гамма-випромінювання при взаємодії його з речовиною (подібно рентгенівському) може виникати і когерентне розсіяння, при якому зміню­ється лише напрямок поширення випромінювання без зміни його енергії (частоти).

Враховуючи всі ці процеси, що характеризують взаємо­дію гамма-випромінювання з речовиною, можна записати закон Бугера для послаблення інтенсивностіцього випро­мінювання або потоку частинок по мірі проходження шару речовини товщиною

Коефіцієнт- це лінійний коефіцієнт послаблення, ве­личина якого обернено пропорційна такій товщині поглина­ючої речовини, на якій інтенсивність випромінювання змен­шується в е разів. Його значення можна знайти, скористав­шись такою формулою:

Однією з характеристик захисних властивостей речови­ни від іонізуючого випромінювання є товщина шару поло­винного послаблення, на якому інтенсивність випромі­нювання зменшується вдвічі. Враховуючи закон Бугера,

можна знайти значення , а саме: звідки

Лабораторна установка для визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання

Лабораторна установка складається із лічильника (де­тектора) та лічильного пристрою ЯС-100 (рис. 8.26). Лічильник являє собою циліндричну посудину, заповнену газом з тиском до 100-200 мм. рт. ст. та містить два електроди - нитковидний анод і циліндричний катод. Робоча напруга на лічильнику кілька сотень вольт. При попаданні в об'єм лічильника будь-якої іонізуючої частинки (електрони випромінювання, вторинні фотоелектрони, комптон-електрони або електрон-позитронні пари при γ-випромінюванні) в ньому виникає самостійний розряд із швидким самопогашенням. Розряд переривається вмикан­ням великого опоруа також введенням домішок (парів спирту, галогенів тощо) у склад газової суміші лічильника. Час погашення близько с. Час

відновлення чутливості лічильника визначається дрейфом іонів до катода та становить близькос. Отже, лічильна характеристика, або ефективність лічильника, яка визна­чається числом зареєстрованих частинок за одиницю часу, становить величину порядка десяти тисяч за секунду.

Рис.8.26. Схема лабораторної установки.

Електричні імпульси, що виникають в лічильнику, посилюються на підсилювачі (Яс) та поступають в лічильний пристрій. На зовнішній панелі цього пристрою знаходяться індикатори розрядів, які фіксують число зареєстрованих частинок, і клавіші для встановлення різних режимів роботи (мережа, скидка, перевірка, пуск, стоп).

Порядок виконання роботи

Під час виконання цієї роботи треба жорстко дотри­муватися правил безпеки, зокрема не торкатися струмо­несучих частин, тому що на лічильник подається напруга близько 400 В. Джерело радіоактивного випромінювання має знаходитися в контейнері. Час роботи з ним повинен бути зведений до мінімуму, з цієї причини всю підготовчу роботу (пункти 1-3, підготовка таблиці) треба виконати заздалегідь.

1. Підготувати установку до роботи. Закріпити лі­чильник в штативі, дотримуючи полярність під'єднання електродів згідно з маркіруванням. Увімкніть тумблер "мережа" і дайте прогрітися приладу кілька хвилин.

2. Перевірити роботу установки. Для перевірки роботи пристрою на вхід подаються імпульси від мережі змінного струму. Натисніть клавішу "скидка" - показання індикато­рів "обнуляються". Натисніть клавішу "50 Гц" або "пере­вірка" та через одну хвилину - клавішу "стоп". При пра­вильній роботі індикатори лічильника покажуть значення 3000.

3. Виміряти фон іонізуючого випромінювання В нормальних умовах цей фон зумовлений космічним випромінюванням, розпадом ядер радіоактивних елементів, які містяться в оточуючих нас матеріалах тощо. Виміряйте не менше 3-5 разів число актів іонізації в об'ємі лічильника за одну хвилину. Послідовність операцій: клавіша "скидка", одночасно із запуском секундоміра - клавіша "пуск", через одну хвилину - клавіша "стоп". Дані з індикаторів занесіть в таблицю.

4. Виміряти число N зареєстрованих частинок, які випромінюються радіоактивним препаратом. Капсулу з радіоактивним препаратом помістіть під лічильник і прове­діть вимірювання, аналогічно вказаним в пункті 3. Виміряне число частинокскладається з суми числа частинок

що визначають фон іонізуючого випромінювання, а також числа частинок N, які випромінюються препаратом і потрапили в об'єм лічильника. Отже, величина N визначається як різницяВимірювання провести 3-5 разів, дані занести в таблицю.

5. Виміряти число зареєстрованих частинок, які випро­мінюються радіоактивним препаратом, поглинаються шаром металу і потрапляють в об'єм лічильника разом з фоном іонізуючого випромінювання. Не змінюючи положен­ня капсули, екрануйте її від лічильника пластиною із заліза та виміряйте 3-5 разів число актів іонізації в об'ємі лічильника Дані занесіть в таблицю. Аналогічні вимі­рювання зробіть також для інших металів – алюмінію та свинцю . Товщинавказана на металевих пластинах.

Таблиця. Результати вимірювань та обчислень

6. Знайти середні значення

7. За знайденими середніми значеннями визначити чис­ла зареєстрованих частинок тільки від радіоактивного препарату (без фона), що послаблені за рахунок поглинання в металевих шарах:

8. Визначити коефіцієнти послаблення і .та товщини шарів половинного послабленнядля вказаних металів за формулами

Отримані дані занесіть в таблицю.

9. Порівняти отримані результати для різних металів та зробити висновки.

Оформлення роботи. У звіті має бути: а) стислі теоретичні відомості про природу гамма-випромінювання та механізми його поглинання; б) схема установки; в) таблиця з результатами вимірювань та обчислень; г) висновки.

Завдання для самостійної роботи та самоконтролю

1. Як пояснити випромінювання з атомного ядра електронів та позитронів прирозпаді, якщо в ядрі знаходяться лише протони та нейтрони?

2. Чим визначається активність радіонуклідів?

3. Що таке когерентне розсіяння?

4. Пояснити фізичну суть ефекту Комптона.

5. В чому полягає суть фотоефекту?

6. Пояснити явище утворення електронно-позитронних пар. За яких умов можуть утворитися електронно-позитронні пари з γ-квантів?

7. Що таке лінійний коефіцієнт послаблення? Яка його розмір­ність?

8. Який фізичний зміст товщини шару половинного поглинання?

9. Бетонна плита товщиною 20 см зменшує інтенсивність пучка γ-частинок кобальту в 16.5 раза. Визначити коефіцієнт лінійного послаблення і товщину шару половинного послаблення бетону.

10. Активність радіоактивного препарату, що містить з пе­ріодом напіврозпадумільярдів років складає Знайти кількість радіоактивних ядер.

11. Визначити постійну розпаду радіоактивного елемента, якщо за місяць число радіоактивних ядер зменшиться в разів