Лабораторная работа № 13 “Исследование и анализ γ -радиоактивных элементов”

Цель работы: изучение работы сцинтилляционного счетчика ядерных излучений. Исследование гамма радиоактивных элементов.

Содержание работы

Атомное ядро - это сложная квантовая система, которая может находиться в различных энергетических состояниях. Наименьшее энергетическое состояние называется основным. Остальные состояния - возбужденными. Спектр энергетических состояний атома дискретный, то есть энергия атомного ядра может принимать только вполне определенные значения. В возбужденном состоянии ядро неустойчиво и всегда стремится перейти в меньшее по энергии состояние, при этом происходит процесс испускания ядром γ- кванта (или конверсионного электрона), энергия которого равна разности энергий соответствующих состояний E₂ и E₁ (1).

(1)

Где E_γ = hν, h - постоянная Планка, ν- частота излучения.

Так как ядра имеют большое количество уровней, и испускание γ -квантов происходит вполне определенным образом согласно правилам отбора, то определение энергии перехода ядра в меньшее энергетическое состояние сводится к определению энергии γ -кванта (или конверсионного электрона) по определенной для данного элемента схеме энергетических уровней.

Экспериментально энергия γ-квантов определяется по вторичному излучению, возникающему при взаимодействии γ-кванта с веществом. При прохождении γ -излучений через вещество вследствие взаимодействия γ -квантов с атомами веществ происходит ослабление интенсивности пучка.

В диапазоне энергий радиоактивных препаратов 0.05-3 МэВ основными являются следующие три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование электронно-дырочной пары.

В эффекте Комптона вместо падающего фотона с энергией E_γ возникает рассеянный фотон с меньшей энергией E_γ’ < E_γ, а электрон, подвергшийся рассеянию, приобретает дополнительную энергию E_e= E _γ - E _γ’ (рис.1 )

Рис.1

При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается атомом, и вылетает один из электронов i-той оболочки с энергией E_e (2):

E_e= E_γ - I_i , i = K,L,M..., (2)

где I_i - потенциал ионизации i-той оболочки атома.

Процесс образования электронно-дырочной пары маловероятен, так как возможен при очень высокой энергии γ -квантов ( ~ 10 МэВ).

Вероятность каждого из рассмотренных эффектов зависит от энергии γ-квантов. Это позволяет анализировать энергетические состояния ядер в атомах и элементный состав γ -радиоактивных веществ по энергетическому спектру вторичных электронов.

Таким образом, при прохождении через вещество γ-кванта, его энергия тратится на ионизацию атомов и их возбуждение. При возвращении атомов в основное состояние выделяется энергия, которая превращается в тепло, частично испускаясь в виде фотонов видимого света. При определенных условиях эти фотоны могут выходить из тела, где они образовались. Возникающие вспышки света называются сцинтилляциями.

Для преобразования сцинтилляций в электрические импульсы используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), основными элементами которого являются фотокатод и ускоряющие электроды.

Детекторы излучения, состоящие из сцинтиллятора и ФЭУ, называются сцинтилляционными счетчиками.