11

Лабораторная работа №21

Определение длины пробега альфа-частиц в воздухе

Цель работы: ознакомление с a-распадом, освоение методики измерения энергии по длине пробега в воздухе.

Объект исследования

Используется препарат плутоний-238 из набора учебных радионуклидных (радиоактивных) источников закрытого типа “Плутон”, суммарная интенсивность которого не превышает минимально значимый по нормам радиационной безопасности (НРБ-76). Поток a-частиц с рабочей поверхности источника с радионуклидом плутоний-238 не менее 400 частиц в секунду.

ВНИМАНИЕ! До начала работы необходимо знать, что недопустимы нарушения целостности источника, изменение его конструкции, а также удары, воздействия твердыми или заостренными предметами на рабочую поверхность источника, его падение и другие механические повреждения. К работе допускаются лица, достигшие 18-летнего возраста. Во время работы с препаратом расстояние от глаз должно быть не менее 10 см.

Перед началом работы открыть защитный контейнер, извлечь из него a-источник, поместить препарат в центр измерительного столика и проводить измерения. Закончив работу, поместить препарат в контейнер и сдать на хранение лаборанту или преподавателю.

Используемое оборудование

Блок-схема измерительной установки (рис. 1) состоит из блока детектирования (сцинтиллятора с фотоумножителем ФЭУ-49Б) и измерителя скорости счета УИМ 2.

Рис. 1

Блок детектирования БДЗА2-01 обеспечивает регистрацию альфа-излучения в диапазоне энергий 4,13 – 5,15 МэВ. Эффективность регистрации блока при энергии 5,15МэВ при одном защитном слое без защитной решетки составляет 50%. В блоке детектирования используется сцитиллятор ZnS/Fg, нанесенный на подложку из органического стекла. Альфа-частицы, попадая в слой люминофора ZnS/Fg, называют появление вспышки света. Световые вспышки, попадая на фотокатод фотоумножителя, выбивают из катода электроны, которые “умножаются” в результате вторичной эмиссии на диодах фотоумножителя. Питание блока детектирования производится от источника постоянного напряжения 12 В, потребляемый ток 50 mA. Выходной сигнал блока детектирования имеет следующие характеристики:

полярность – отрицательная;

амплитуда –2,5( 0,5) В;

длительность импульса не более 10,0 мкс;

форма импульса прямоугольная.

С блока детектирования импульсы подаются на измеритель средней скорости счета импульсов с автоматическим переключением поддиапазонов типа УИМ2. измеритель обеспечивает скорости счета в диапазоне от 0,3 до 30000 импульсов в секунду. Время установления рабочего режима не превышает 5 мин. Время установления показаний измерителя на 1–5 поддиапазонах (0,3–100 импульсов в с) не превышает 120 с, на 6–10 поддиапазонах (100–30000 импульсов в с) не превышает 10 с. Постоянная времени интегрирования на 1–4 поддиапазонах 20 с; на 5–10 поддиапазонах – 2 с. Предел допускаемой, основной погрешности измерения средней скорости счета 10 % от максимального значения поддиапазона измерения.

Альфа-распад

Альфа-частицы, или a-частицы, представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Они имеют заряд 2е, состоят из четырех нуклонов – двух протонов и двух нейтронов.

a-частицы возникают при радиоактивном распаде атомных ядер, а также в различных ядерных реакциях. Частицы с относительно небольшой энергией можно получить путем ионизации атомов гелия.

a-частицы часто используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных реакциях. При изучении рассеяния -частиц на тонких металлических пленках Резерфорд в 1911 году сделал вывод, что масса атома практически сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющим размеры порядка 10^-13 см. Первая ядерная реакция с использованием α-частиц

была осуществлена в 1919 г.

На современных ускорителях получают пучки -частиц с энергией от нескольких до сотен мегаэлектронвольт. Альфа-частицы с такой энергией успешно используются для изучения атомных ядер.

Если радиоактивное ядро претерпевает -распад, то этот процесс протекает по схеме

,

где X – символ материнского ядра; Y – символ дочернего ядра.

Электрический заряд ядра при -распаде уменьшается на две единицы

,

т. е. образуется ядро элемента, стоящее в таблице Менделеева на две клетки левее исходного элемента.

Массовое число при этом уменьшается на четыре единицы:

.

В качестве примера -распада можно привести распад ядер плутония-238, при котором образуется ядро урана-234:

.

Основными характеристиками -распада, как и всякого другого радиоактивного процесса, являются: 1) область атомных ядер, у которых наблюдается этот распад, 2) период полураспада, 3) энергетический спектр испускаемых -частиц.

1. a-распад наблюдается лишь у достаточно тяжелых ядер, у которых А > 84, либо Z > 84. В таких ядрах имеется не менее двух нейтронов или двух протонов сверх замкнутой оболочки, соответствующей магическому числу 82.

2. Периоды полураспада -радиоактивных изотопов – самые разнообразные – от 10^-6 с (радон-215) до 1,410¹⁷лет (свинец-204).

3. Энергия -частиц составляет 4-9 МэВ.

Необходимое (но недостаточное) условие -распада: энергия связи материнского ядра должна быть меньше суммы энергий связидочернего ядра и-частицы

.

Суммарная энергия, выделяющаяся при -превращении одного ядра, равна

.

При ΔW > 0 – распад возможен, при ΔW < 0 – запрещен.

Найдем, к примеру, энергию, выделяющуюся при -распаде некоторых ядер.

Энергия связи ядер равна соответственно 1801,3, 1778,6, 28,3 МэВ, а удельная энергия связи 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно,-распад становится энергетически возможным только для тех ядер, для которых удельная энергия связи оказывается меньше 7,1 МэВ, что имеет место для ядер с массовым числом, превышающим 140.

Рис. 2

Энергетический спектр -частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, – дискретный. Это объясняется тем, что дочернее ядро может возникнуть не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях, энергетический спектр которых, как уже говорилось, – дискретный. На рис. 2 изображены нормальныйW₀ и возбужденные W₁, W₂, W₃ уровни энергии дочернего ядра.

Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоянии, то вся избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергииa- частицы и дочернего ядра

.

Найдем, в какой пропорции распределяется энергия W между a- частицей и дочерним ядром. Полагая, что до распада материнское ядро покоилось, по закону сохранения импульса имеем

,

откуда

.

W и W_y равны соответственно

,.

Решая уравнения совместно, получим

.

Так как масса дочернего ядра в десятки раз больше a-частиц, то большую часть энергии уносит a-частица (эта группа a-частиц на рис. 2 обозначена через a₀).

Если дочернее ядро возникает в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия дочернего ядра a-частицы составит часть W^K

,

где – энергия возбуждения дочернего ядра.

При распаде ядер 72 % всехa-частиц (частицы a₀) соответствуют невозбужденному дочернему ядру, 27,89 % (a₁) – первому возбужденному состоянию, 0,1 % (a₂) – второму возбужденному состоянию и менее 0,006 % – всем остальным возбужденным состояниям.

Время жизни a-возбужденных ядер составляет с. По истечении этого времени возбужденное ядро, как правило, испускает γ-квант и переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние. Энергия γ-кванта равна разности энергий W_i и W_j уровней, между которыми происходит переход:

.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другим способом. Возбужденное ядро может испускать какую-либо частицу – протон, нейтрон и т. д. Оно может отдать избыточную энергию одному из электронов атомной оболочки, в результате чего этот электрон вылетит из атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. Освободившееся после вылета электрона состояние заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней, вследствие чего возникают характеристические рентгеновские лучи.

a-частица образуется из двух протонов и двух нейтронов непосредственно в ядре. Покидая ядро, она преодолевает потенциальный барьер, существующий у поверхности ядра и обусловленный ядерным и кулоновским взаимодействием a-частиц с ядром. Кривая потенциальной энергии a-частицы в функции расстояния от центра ядра изображена на рис. 3. Внешняя ветвь барьера обусловлена кулоновскими силами отталкивания a-частицы и дочернего ядра, внутренняя – ядерными силами притяжения.

Рис. 3

Высота потенциального барьера всегда несколько больше энергии, которой обладает a-частица в ядре. С точки зрения классической механики преодоление a-частицей потенциального барьера при этих условиях невозможно. По квантовой теории a-частица может просочиться сквозь барьер благодаря туннельному эффекту. Использование теории туннельного эффекта для объяснения a-распада приводит к результатам, согласующимся с экспериментом.

Мы рассмотрели наиболее распространенный случай a-распада, когда a-частицы испускаются материнскими ядрами из невозбужденных состояний. Коротко живущие a-активные ядра могут испускать a-частицы, находясь в возбужденном состоянии. Однако вероятность таких процессов мала. Чаще всего возбужденные ядра переходят в нормальное состояние, испуская не a-частицы, а γ-кванты.