Институт / Матер_для_1_курсу / Лаб_ДЗФ_pdf / Лаб дзф 15 розпад
.pdfЛабораторна робота № 15.
МОДЕЛЮВАННЯ РАДІОАКТИВНОГО РОЗПАДУ.
Мета роботи: перевірити математичну залежність, що описує закон радіоактивного розпаду і побудувати графік розпаду.
Прилади і матеріали: монети, дві пластикові банки, рознос.
Теоретичні відомості.
Природна радіоактивність являє собою процес самовільного перетворення атомних ядер, що супроводжується вилітанням різних частинок та випромінюванням. Випромінювання –променів супроводжує, як правило, процеси – та –розпаду. Випромінюючи–фотони, збуджене ядро переходить в основний стан.
Під час –розпаду ядро втрачає чотири нуклони; його масове число зменшується на чотири одиниці, а заряд – на дві. Під час – розпаду масове число залишається незмінним, а заряд збільшується на одиницю. Як і , так і –розпад описуються одним і тим же статистичним законом, який називають законом радіоактивного розпаду.
Оскільки природна активність – це самовільний процес, то розпад кожного ядра є випадковою подією, що має певну імовірність. Число ядер dN, що розпалися за проміжок часу dt, пропорційне dt і числу наявних ядер, які ще не розпалися:
dN = – Ndt |
(1) |
Знак "мінус" з’являється в зв’язку з тим, що число ядер, які не розпалися, зменшується в процесі розпаду. Стала розпаду являє собою відносне зменшення числа ядер в одиницю часу. Інтегруючи рівняння (17.1) з початковою умовою N = N0 при t = 0, одержимо
закон радіоактивного розпаду:
N = N0e-λt |
(2) |
В рівнянні (2) N0- це число радіоактивних ядер в початковий момент часу, а N- число ядер, що не розпалися за час t.
Крім сталої розпаду радіоактивний розпад можна характеризувати періодом піврозпаду Т.
Період піврозпаду – це час, протягом якого число наявних радіоактивних ядер зменшується вдвічі.
1
Якщо час t1=T, то число ядер, що залишилися, дорівнює
N1 = |
|
N0 |
; через два періоди t2=2T : |
|
N2 = |
|
N1 |
= |
|
N0 |
; через три періоди |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
4 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
t3=3T |
: |
N |
3 |
= |
|
N2 |
|
= |
N0 |
|
і т.д. Перепишемо |
|
вирази для N1, N2, |
N3 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
N0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N0 |
|
|
|
|
|
|
|
N0 |
|
|
|
|
|
||||||||
наступним чином: N |
1 |
= |
|
; |
|
N |
|
= |
|
; N |
|
= |
. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
2 |
22 |
3 |
23 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Легко бачити закономірність, яку можна подати в загальному |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
виді: N |
|
= |
N0 |
|
, де k = |
tk |
. Для довільного моменту часу t: |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k |
2k |
T |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N = |
|
|
|
0 |
|
|
або |
|
N N0 |
2 T |
|
|
|
(3) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
t |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(3)- це ще одна форма запису закону радіоактивного розпаду. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Вираз (3) можна одержати також і з рівняння (2). |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Якщо t =T , |
то N = |
|
|
N0 |
: |
|
|
N0 |
|
= N0e-λT ; |
|
|
|
скоротивши на |
N0, |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
матимемо: |
|
|
|
|
= e-λT , |
або |
2 = eλT . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Прологарифмуємо цей вираз: |
|
ln2 = λT , звідки: |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ = T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Вираз (4) дає зв’язок |
між |
сталою |
|
радіоактивного |
розпаду і |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln2 |
|
|
періодом |
піврозпаду. |
Підставимо |
(4) |
|
в |
|
(2): |
|
N = N0e- |
|
t ; після |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
T |
t
перетворень одержимо: N = N0 2-T , що співпадає з виразом (3). Число ядер, що розпались за час t, дорівнює:
N |
′ |
- |
t |
- |
t |
) |
(5) |
T |
T |
||||||
= N0 |
- N = N0 - N0 2 |
= N0(1-2 |
|
Закон радіоактивного розпаду передбачає число ядер, які не розпались за час t; але він не вказує, які саме ядра розпадуться за цей час. Цей закон є статистичним законом; точно він виконується лише у випадку величезної кількості ядер.
Імовірність розпаду кожного з радіоактивних ядер за час T дорівнює 1/2. Процес радіоактивного розпаду можна моделювати
2
підкиданням монет, при якому з імовірністю 1/2 випадає герб чи цифра ("орел" чи "решка"). Нехай, якщо випаде "орел", то ядро вціліло, а якщо "решка" - то розпалось. Кожне кидання монет відповідає для ядра протіканню проміжку часу, що дорівнює періоду піврозпаду.
Хід роботи.
1.Відрахуйте 128 монет (N0=128), перемішайте їх у банці і висипте на рознос.
2.Підрахуйте число монет, що "не розпались" ("орел"), і складіть їх знову в банку. В іншу банку складіть монети, що "розпалися".
3.Перемішайте монети, що "не розпались", і висипте на рознос. Повторіть п.2.
4.Пункт 3 повторюйте до тих пір, поки всі монети "розпадуться".
5.Кількість монет, що "не розпалися" при черговому киданні , і кількість монет, що "розпались" за n кидань, занесіть в таблицю 1.
6.Повторіть серію кидань ще двічі, щоразу починаючи з N0=128. Результати дослідів занесіть в таблиці 2 і 3, що аналогічні табл.1.
7.Побудуйте графік залежності N(n). Всі серії зобразіть на
одному рисунку, використавши різнокольорові ручки. На цьому ж рисунку зобразіть теоретичну залежність N = N0 2-n .
8.Зробіть висновок.
Контрольні запитання
1. Який склад атома і атомного ядра?
2. Що являють собою α , β - частинки та γ - промені?
3.Які способи реєстрації іонізуючих випромінювань ви знаєте?
4.Який фізичний зміст сталої розпаду .?
5.Що називають періодом піврозпаду Т?
6.Який зв’язок між величинами . і Т?
5. Який елемент слід вважати більш радіоактивним: з періодом піврозпаду 1 доба чи 1 година? Чому?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Табл. 1 |
||
Кількість кидань n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Кількість монет, що |
128 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
"не розпались", N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кількість монет, що |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
"розпались", N' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3