Добрецов Сборник лабораторных работ по ядерной физике ч.2 2010

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

Часть вторая

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Москва 2010

Р а б о т а 7

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕМАТИКИ НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОНОВ НА ЯДРАХ УГЛЕРОДА

Цель – кинематический анализ неупругого рассеяния нейтронов на ядрах углерода.

ВВЕДЕНИЕ

Для изучения реакции неупругого рассеяния нейтронов на ядрах углерода 126 C n, n 342 He ядерные эмульсии облучают потоком

быстрых нейтронов. Ядра углерода входят в состав ядерной фотоэмульсии. Используются специальные эмульсии типа «Я», в которых легко визуально отличить протоны от -частиц [1]. Такая реакция в ядерной эмульсии выглядит как трехлучевая звезда (три следа ионизирующих -частиц выходят из одной точки), так как следы падающего и рассеянного нейтронов не видны. Типичная фотография реакции представлена на рис. 7.1.

Рис. 7.1

3

Если измерить энергии и углы вылета -частиц и воспользоваться законами сохранения энергии и импульса, то можно определить энергии падающего и рассеянного нейтронов

[2].

Обозначим через Р0 и P импульсы падающего и рассеянного нейтронов, а через Е0, E , соответственно, их кинетические энергии. Законы сохранения импульса и энергии при этом имеют следующий вид:

общем случае содержит, кроме продольной, ещѐ и поперечные составляющие.

Для кинематического анализа звезды введем декартову систему координат x, y, z, направив ось x в сторону пучка нейтронов, а ось

z – перпендикулярно плоскости эмульсии. Кинематически ядерную реакцию 126 C n, n 342 He можно свести к анализу двухчастичной реакции 126 C(n, n) A , где А – гипотетическая частица, энергия ЕA и импульс РA которой равны сумме энергий и импульсов трех

-частиц:

В этом случае формулы (7.1) и (7.2) имеют вид:

4

а проекции импульсов на оси координат:

Решив систему уравнений (7.3) (7.5), получаем следующее выражение для продольной составляющей импульса рассеянного нейтрона:

Импульс и энергия рассеянного нейтрона определяются по формулам

Одним из критериев правильности идентификации ядерной

то эти поперечные составляющие отсутствовали бы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В лабораторной работе используются ядерные эмульсии, наклеенные на стеклянную пластинку, и бинокулярный микроскоп типа МБИ-3. Устройство микроскопа и правила работы на нем описаны в приложении к данной работе.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с методикой работы на микроскопе (см. приложение).

2.Установить облученную нейтронами эмульсию на предметный столик микроскопа. Настроить микроскоп и найти

5

несколько случаев реакции 126 C n, n 342 He . Поиск событий лучше всего вести «сухим» объективом 10 . Записать координаты звезды.

3. Измерить с помощью иммерсионного объектива 60 пробеги -частиц в делениях окулярной шкалы. Внимание! Чтобы не раздавить пластинку иммерсионным объективом, необходимо сначала подвести объектив к поверхности эмульсии и лишь затем, глядя в окуляр, поднимать вверх тубус микроскопа до появления

эмульсии в поле зрения.

4. Определить при помощи объект-микрометра цену деления окулярной шкалы и вычислить горизонтальные проекции следов в микрометрах.

5. Измерить глубину следов -частиц.

6.С помощью окулярного лимба при объективе 60измерить проекции углов вылета -частиц на плоскость эмульсии по отношению к падающему пучку нейтронов. Направление пучка нейтронов указано стрелкой на стеклянных пластинах.

7.Результаты измерений занести в табл. 7.1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислить полные пробеги -частиц изучаемой звезды по формуле Ri2 ai2 (K hi )2 , приняв для коэффициента усадки

эмульсии значение K = 2,4.

2. Используя кривые зависимости пробега R от энергии Е для частиц в эмульсии (рис. 7.2), определить кинетические энергии

-частиц.

6

Пробег, мкм (кривая 2)

Пробег, мкм (кривая 1)

7

Используя формулы (7.4) (7.7), вычислить значения энергии и импульса рассеянного нейтрона и нейтрона, вызвавшего реакцию.

В случае, когда все следы -частиц компланарны, т.е. лежат в плоскости эмульсии, целесообразно импульс определить графически. Массы частиц, участвующих в реакции, следующие:

M 126 C 12,0038 a.e.м.; M 42 He 4,00387 a.e.м. ; mn 1,00898 a.e.м.

Исходя из точности измерения пробегов -частиц и углов их вылета, оценить погрешность результата эксперимента, принимая во внимание, что:

а) проекция следа а и его глубина h измеряются с точностью, задаваемой ценой деления окулярной шкалы и шкалы барабана (1 и 2 мкм соответственно), а также разбросом в измерениях коэффициента усадки эмульсии (15 20 %). Оценка величины ошибки в определении R, обусловленной этими источниками погрешности, дает значение в пределах (20 7 %) для следов длиной 15 30 мкм;

б) удельные потери энергии частицы на одно столкновение испытывают флуктуации. Их характеристикой служит страгглинг

Страгглинг ограничивает точность, с которой может быть определена длина измеряемого пробега, а следовательно, и энергия

-частицы. Точность значения энергии -частицы оценивается суммарной величиной ошибки в определении ее пробега.

Углы вылета -частицы относительно направления пучка нейтронов измеряются с точностью, задаваемой ценой деления окулярного лимба.Экспериментальные погрешности измеряемых величин определяют точность значений энергий падающего и рассеянного нейтронов.

8

П Р И Л О Ж Е Н И Е

УСТРОЙСТВО МИКРОСКОПА, ПРАВИЛА РАБОТЫ И ПРОСМОТР ЯДЕРНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Общий вид микроскопа приведен на рис. 7.3. Он состоит из основания штатива-башмака 1, придающего микроскопу устойчивое положение; коробки с микромеханизмом 12; предметного столика 8; тубусодержателя 3; бинокулярной насадки 5 с окулярами 4; револьвера 6, служащего для крепления четырех объективов 7.

Рис. 7.3

9