книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

с энергией 23,8 кэВ должен быть расположен в интервале значений порога дискриминатора ААДО от 1 до 15 В.

Прошедшие через анализатор импульсы сосчитываются пересчетным прибором ПСТ-100. В этот прибор внесены некоторые изменения.

Для повышения точности измерений частота стандартных сигна­ лов в канале секундомера увеличена в 10 раз и составляет 100 Гц. Добавлен один декатрон, который укреплен на передней панели вместо интенсиметра. Канал секундомера и канал счета импульсов выведены на реле, управление которыми ведется от тефлоновых ку­ лачков. Под их действием концевые выключатели замыкают или размыкают токовое питание электромагнита реле. Таким образом, после нажатия кнопки «Пуск» пересчетный прибор автоматически включается на участке, где поглотитель движется с постоянной ско­ ростью, и выключается, когда этот участок пройден. Скорость счи­ тается «положительной», если поглотитель движется навстречу источнику. При движении в обратном направлении скорость «отри­ цательна». Тумблер с маркировками V > 0 и V < 0, установленный на блоке с эксцентриком, позволяет подключать пересчетный при­ бор для измерений либо на участке движения с положительной ско­ ростью, либо на участке с отрицательной скоростью.

Абсолютное значение скорости поглотителя легко определяется, так как секундомер пересчетного прибора фиксирует время, за ко­ торое поглотитель проходит линейный участок. Деля известное значение 5 на это время, находят скорость. Для большей точности время прохождения линейного участка следует усреднять за не­ сколько (например, десять) оборотов.

Смена скорости или ее подбор производится путем изменения частоты генератора, питающего мотор; при этом следует также пере­ ключать согласующую емкость на моторе. Диапазон изменения ча­ стоты — от 0 до 200 Гц, а емкости — от 0,1 до 4 мкФ. Чтобы вра­ щать вал двигателя с «большой» скоростью, следует включать малую емкость и большую частоту. Для медленного вращения нужна ма­ лая частота и большая емкость. Измерять частоту и емкость при этом не нужно, так как скорость определяется путем независимого измерения, как было указано выше.

Если опыт проводится при неподвижном поглотителе, то нужно выбрать такую позицию эксцентрика, чтобы реле на ПСТ-100 было включено. Для этого ручкой «Per. вых. напряж.» на генераторе плавно увеличивают напряжение на двигателе, приводя систему в медленное движение. Нажимают кнопку «Пуск» на приборе ПСТ-100. После замыкания реле (на участке линейного движения) можно остановить эксцентрик в любой позиции, сняв напряжение с двигателя.

Измерения. 1. Ознакомьтесь с описанием приборов по приложе­ ниям VI и VIII и с описанием сцинтилляционного спектрометра по работе 80.

512 VI. ЯДЕРПЛЯ ФИЗИКА

2. Включите приборы и после трехминутного прогрева устано­ вите напряжение на ФЭУ (значение напряжения указано нр уста­ новке, полярность отрицательная).

3. Дайте прогреться приборам в течение 10 -и 15 минут. В это время проделайте следующие операции:

а) Подставьте штатив с выносным блоком под рамку с погло­ тителем. Если требуется, отрегулируйте положение блока на шта­ тиве так, чтобы он не мешал свободному перемещению рамки. Низко опускать блок не следует, чтобы не уменьшать счета у-квантов.

б) Установите на звуковом генераторе частоту 50 -н 60 Гц. Ем­ кость на моторе должна быть равна 1 мкФ. С помощью ручки «Per. вых. напряж.» подайте напряжение на мотор. Механическая система должна прийти в движение. Попробуйте увеличить частоту, умень­ шить ее, поменять величину емкости. Включите тумблер с марки­ ровкой 1 /> 0 и нажмите кнопку «Пуск» пересчетного прибора. Наблюдая за прибором и за движением поглотителя, убедитесь, что пересчетный прибор работает только когда рамка идет вверх. Сделайте аналогичную проверку для позиции V <С 0. «Запустив» пересчетный прибор, поверните ручку «Per. вых. напр.» на генера­ торе резко влево. Движение системы прекратится. Нажмите кнопки «Стоп» и «Сброс». Пересчетный прибор готов к работе.

в) На амплитудном анализаторе поставьте ручку переключателя' «Род работы» в положение «Усилитель дискриминатор», а пере­ ключатель «ширина окна» в положение 1 В. Переключатель под­ диапазонов аттенюатора переведите в позицию 0,02 -ь 1 . Полярность выходного импульса анализатора л . согласуйте со входом пере­ счетного прибора. Если импульсы с ФЭУ проходят через анализатор, то в правом верхнем углу прибора ААДО должна мигать неоновая лампочка. Она указывает на то, что выходной сигнал поступает на пересчетный прибор. Нажмите кнопку «Пуск» пересчетного прибора. По прибору и неоновой лампочке ААДО проследите, как изменяется счет при изменении величины порогов в интервале от 1 до 15 В. Закрывая свинцовым фильтром входное окно выносного блока, про­ верьте, «чувствует» ли установка источник или нет. Если при­ бор не «чувствует» источника, то проверьте полярность высокого напряжения и правильность согласования полярности выходного импульса анализатора со входом пересчетного прибора. Выносной блок разрешается вскрывать только в случае крайней необходи­ мости. Вскрытие производится при выключенном напряжении в при­ сутствии преподавателя. После того как прибор начал чувство­ вать источник, следует приступить к определению точного положе­ ния фотопика от у-квантов с энергией 23,8 кэВ. Спектр источника можно снимать, не убирая поглотителя.

4. Проведите измерения числа импульсов за определенный ин­ тервал времени в зависимости от величины «порогов» анализатора

514 VI. ЯДЕРПЛЯ ФИЗИКА

секунд. Положение максимума резонансного поглощения требует до­ полнительного уточнения. Необходимое количество эксперименталь­ ных точек при этом определите самостоятельно.

6 . Из графика по формуле (14) найдите амплитуду резонансного поглощения в максимуме (в процентах). Значение фона возьмите из измерений в и. 4.

7. Определите величину химического сдвига в миллиметрах за секунду и в электрон-вольтах (см. формулу (13)).

8 . Определите экспериментальную ширину линии Гэксп в милли­ метрах за секунду и в электрон-вольтах и сравните с расчетным зна­ чением. Объясните причину уширения.

9.Оцените ошибки измерений.

10.После окончания работы закройте свинцовым фильтром вход­ ное окно выносного блока и выключите установку.

Принадлежности: источник нейтронов с замедлителем, фольга с тонким слоем урана, установка типа Б-2, набор фильтров из папиросной бумаги.

Основные особенности процесса деления тяжелых ядер могут быть поняты из простых энергетических соображений. С помощью таблицы масс нетрудно убедиться, что, начиная с Z ж 50, масса це­ лого ядра больше суммы масс двух одинаковых ядер с половинным числом нуклонов. Деление ядер с Z > 50 должно поэтому происхо­ дить с выделением энергии. Из опыта, однако, известно, что само­ стоятельное, или, как говорят, спонтанное, деление ядер не проис­ ходит даже при Z, равном 90. Причину этого легко понять с помощью капельной модели ядра. Согласно этой модели, ядро представляет собой «каплю» весьма плотной заряженной ядерной «жидкости». Изменение энергии ядра при деформации или делении объясняется изменением кулоновской энергии и энергии поверхностного натя­ жения.

Перед тем как разделиться на две. части, ядро должно пройти через ряд положений, когда его форма напоминает зерно фасоли с постепенно утончающейся перемычкой. При такой деформации кулоновская энергия падает, а энергия поверхностного натяжения увеличивается. Сумма этих энергий при небольших удлинениях

516 VI. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

или 7 -квантами. Наиболее удобны для этой цели нейтроны, так как в отличие от а-частиц и протонов они не имеют заряда и поэтому легко проникают внутрь ядра. Гамма-лучи оказываются неэффек­ тивными из-за малого сечения их взаимодействия с ядрами.

Особенно просто наблюдать деление, происходящее под воздей­ ствием медленных нейтронов, обладающих, как известно, большими сечениями взаимодействия с ядрами. Попадая в ядро, медленный нейтрон «приподнимает» дно потенциальной ямы на величину энер­ гии связи, причем у четно-нечетных изотопов урана и плутония энер­ гия связи оказывается почти равной высоте барьера. При таком возбуждении ядро делится с очень большой вероятностью. Суммар­ ная кинетическая энергия осколков при делении урана-235 состав­

у урана-238 существенно меньше, чем у урана-235, и медленные нейтроны неспособны вызвать его деления. Уран-238, однако, начи­ нает делиться при бомбардировке быстрыми нейтронами.

По сравнению со стабильными ядрами, имеющими тот же заряд, осколки деления сильно перегружены нейтронами и поэтому не­ устойчивы. Два-три нейтрона (в расчете на оба осколка) обычно «испаряются» сразу после деления. Дальнейший переход ядра-ос- колка к стабильному состоянию происходит путем последователь­ ных ß-переходов и испускания у-квантов.

Сильная активность и довольно большая энергия осколков могут быть использованы для обнаружения и исследования процесса деления. Приложим к слою урана толстый лист бумаги и поместим его в поток тепловых нейтронов. Осколки, которые образуются при делении ядер, находящихся вблизи поверхности образца, могут вы­ лететь из него и оседают на бумаге, которая служит коллектором осколков деления. После этого бумага становится активной. Актив­ ность может быть обнаружена гейгеровским счетчиком.

Описание установки. Для исследования активности используется установка типа Б-2, состоящая из пересчетной схемы, выносного блока с ß-счетчиком и высоковольтного выпрямителя. Облучение образца проводится в установке для генерации медленных нейтро­ нов, схематический разрез которой изображен на рис. 273.

Источник быстрых нейтронов Ро + Be укреплен на конце длин­ ного штока, с помощью которого он может перемещаться вдоль вертикального канала. Хранится источник в нижней части канала (колодце). Верхняя часть канала окружена парафином, кото­ рый служит для замедления нейтронов.

В парафиновом блоке сделаны полости для облучения образцов. Во время облучения источник должен находиться вблизи центра блока. Необходимое положение устанавливается с помощью нане­

чается от нее всего на 14%, а при дальнейшем увеличении времени растет очень медленно. Обычно нет смысла выбирать время облуче­

измерений включите установку, дайте ей прогреться, проверьте работу пересчетной схемы и установите нужное напряжение на счет­ чике. При опущенном в колодец источнике измерьте фон установки. Поднимите источник в рабочее состояние и снова измерьте фон. Его величина должна несколько возрасти. Если установка не чувствует поднятия источника, то она, по-видимому, неисправна и должна быть проверена. Если же установка чувствует источник, то фон сле­ дует вновь измерить при опущенном в колодец источнике. Вели­ чина фона, естественно, должна в пределах статистической точности совпасть с результатами первого измерения. Заметное различие ука­ зывает на нестабильность работы установки, — в этом случае сле­ дует обратиться за советом к преподавателю.

Установив цилиндр с образцом в паз парафинового куба, подни­ мите источник до нужной высоты и облучите образец в течение 2 0 ми­ нут. После облучения опустите источник в колодец, снимите с ци­ линдра коллектор, намотайте его на ß-счетчик и проследите распад осколков, каждые 3 минуты отмечая зарегистрированное число распадов. Измерения следует начинать как можно быстрее после окончания облучения. Исследование кривой распада прекратите, когда счет уменьшится в 10—15 раз по сравнению с первона­ чальным.

время, прошедшее после облучения. Из графика определите сред­ ний период полураспада осколков и выберите разумное время облу­ чения для последующих опытов.

Прежде чем переходить к следующим измерениям, необходимо провести некоторые контрольные Опыты. Сначала убедитесь в том, что выданная для работы бумага не обладает собственной актив­ ностью. Затем, облучив в блоке бумагу без фольги, проверьте, что бумага нейтронами не активируется. Наконец, сверните бумагу с фольгой, оставьте ее в таком положении на несколько минут, не помещая в блок, и убедитесь в том, что появившаяся в первом опыте

Р 83. ДЕЛЕНИЕ УРАНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ 519

активность связана не с присутствием урана, а именно с его деле­ нием под действием источника.

2 . И с с л е д о в а н и е п р о б е г а о с к о л к о в д е ­ л е н и я . Для исследования пробега осколков деления между кол­ лектором и фольгой поместите фильтр из четырех слоев тонкой (па­ пиросной) бумаги. Слои должны быть предварительно пронуме­ рованы и положение слоев относительно фольги зафиксировано. Подготовив образец так же, как это делалось выше, облучите его потоком тепловых нейтронов. Время облучения выберите на осно­ вании результатов предыдущего опыта.

После облучения исследуйте активность каждого слоя бумаги: сначала измерьте активность коллектора, затем четвертого слоя, затем третьего и т. д., причем обязательно запишите время конца облучения, а также начала и конца измерений для каждого слоя. Из-за распада осколков активность слоев быстро падает, и очень важно провести все исследование возможно быстрее. Активность каждого образца приходится измерять поэтому в течение 2 минут.

После окончания измерений проверьте величину фона. Необхо­ димая точность измерения определяется конкретными условиями опыта. Если фон много меньше, чем число отсчетов, набранное при измерении активности даже самого далекого слоя (коллектора), то определять фон с большой точностью не имеет смысла. Ошибка в этом случае будет определяться главным образом точностью изме­ рения активности. Если же величина фона сравнима с величиной эффекта, то фон следует определять возможно точнее, чтобы суще­ ственно не увеличивать относительную ошибку конечного результата.

Результаты измерений запишите в заранее заготовленную таб­ лицу. Затем результаты измерений должны быть приведены к од­ ному и тому же времени, например ко времени окончания облуче­ ния, или к любому другому. Для этого во все результаты внесите поправку на уменьшение активности из-за распада осколков. По­ правка вносится с помощью кривой распада, полученной выше. В таблицу результатов занесите как непосредственно измеренные активности слоев, так и активности, полученные в результате вве­ дения поправок на фон и на распад осколков. Построив затем гра­ фик зависимости числа отсчетов от толщины поглотителя, определите экстраполированный пробег осколков (для определения экстра­ полированного пробега в средней части полученной кривой прове­ дите касательную. Экстраполированным пробегом называют абс­ циссу пересечения этой касательной с уровнем нулевой активности). Толщину бумаги измерьте с помощью микрометра. Считая, что заряд осколка равен 45, а масса близка к 120, оцените энергию оскол­

Полученное таким методом значение для энергии осколков явля­ ется, конечно, оценочным. При желании получить более надежные