Приборы и оборудование

Установка состоит из облучателя (Обл) и устройства измерительного (УИ), в качестве которого применен серийно выпускаемый монохроматор. Монохроматор устанавливается с помощью стойки (1) и штатива (2) на лабораторном столе и с помощью стойки (3) и рейтера (4) на скамье оптической (5). Облучатель с помощью рейтера (6) устанавливается на скамье оптической (5). Общий вид установки показан на рисунке 2.

Рис. 2

Облучатель выполнен в виде сборного корпуса, в котором установлены водородная лампа, источник ее питания и узел юстировки. Источник питания служит для получения высокого напряжения высокой частотой порядка 100 кГц, необходимого для питания лампы.

На боковой стенке облучателя расположено выходное окно для выхода излучения, защищенное блендой.

На задней панели облучателя размещены: выключатель СЕТЬ с индикатором включения сети и отверстие для доступа к винту юстировки лампы.

На передней панели облучателя расположена ручка (9), с помощью которой зажигают лампу и регулируют яркость ее свечения.

На основании корпуса расположены винты юстировки лампы, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой. К нему прикреплена также стойка для установки облучателя в рейтер.

Юстировочный узел предназначен для юстировки направления излучения лампы относительно входного окна монохроматора.

Внимание: Необходимо проверить заземление излучателя перед включением.

В исходном состоянии излучатель отъюстирован.

Монохроматор предназначен для выделения и исследования монохроматического излучения в спектральном диапазоне от 200 до 800 нм (от2000 до 8000 ангстрем). Для наблюдения спектра на выходной патрубок надевается окуляр (7), положение которого регулируется наблюдателем. Сканирование спектра осуществляется вращением ручки, расположенной на задней стенке монохроматора рядом с индикатором цифрового счетчика длин волн. Первые три цифры счетчика 4 (см. рис 3) соответствуют длине волны в нм, по барабану с рисками отсчитываются десятые доли нм в том же окне.

На входном и выходном патрубках монохроматора установлены щели (8).

Схема размещения устройств установки в рабочем состоянии приведена на рисунке 3.

Рис. 3 (вид сверху)

На рисунке:

Обл – облучатель;

УИ – монохроматор;

5 – скамья оптическая;

4, 6 – рейтеры;

1* – направление излучения;

2* – направление наблюдения (выбор используемого направления наблюдения определяется исходя из размещения установки на лабораторном столе);

Примечание: Допускается размещение установки на лабораторном столе так, чтобы удобно было производить наблюдения с одного из направлений 2*.

Лабораторная работа №6 определение длины пробега альфа-частиц

Цель работы: получение кривой прохождения α - частиц через вещество, определение длины среднего пробега и энергии α -частиц.

Содержание работы

Альфа-частицы представляют собой ядра атома гелия He, имеют заряд +2e, состоят из двух протонов и двух нейтронов. α-частицы возникают при радиоактивном распаде атомных ядер, а также в различных ядерных реакциях. α -частицы используются в качестве бомбардирующих частиц. Именно при изучении рассеяния α-частиц на тонких металлических пленках Резерфорд в 1911 году сделал вывод, что масса атома практически целиком сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющем размеры ~10^-15 м. Первая ядерная реакция (1):

(1)

была также осуществлена с использованием α-частиц (1919 г.). На современных ускорителях получают пучки альфа-частиц с энергией от нескольких до сотен МэВ для изучения свойств атомных ядер.

Характерные особенности альфа-распада:

а). α-распад идет только для тяжелых ядер с Z>83 (2):

(2)

б). Периоды полураспадов T_1/2 α-активных ядер варьируются в широких пределах, например, для T_1/2 = 3*10^-7c, а для T_1/2 = 1.4*10¹⁷ лет, при этом они очень сильно зависят от энергии вылетающих α-частиц (3):

(3)

эмпирический закон Гейгера - Неттола, где C,D = const )

в). α- частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию порядка 4-9 МэВ для редкоземельных ядер. Возникающие альфа-частицы взаимодействуют с веществом посредством упругого рассеяния и ионизационного торможения. При упругом рассеянии суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется и перераспределяется между ними. Вследствие большой массы (М_α = 7350 m_e, m_e – масса электрона ) альфа - частицы почти не рассеиваются на электронах среды (а только на ядрах), продолжая двигаться прямолинейно (рис 1.):

Рис.1

Кулоновское поле электронов атомов вещества взаимодействует с движущейся α - частицей, которая при этом теряет энергию, постепенно останавливаясь. Это процесс ионизационного торможения. Характерной особенностью альфа-частиц является существование у них определенного пробега R -расстояния , которое проходит частица до момента полной потери энергии. Величина пробега определяется теми потерями энергии, которые происходят при ее движении (4):

(4)

а потери энергии согласно формуле Бете (5):

(5)

где n - концентрация атомов поглотителя , z - заряд частицы , v - ее скорость. Tаким образом, потеря энергии на ионизацию пропорциональна массовой толщине поглотителя и не зависит от его природы (6):

(6)

Если исследовать монохроматический поток α-частиц и подсчитывать число частиц, увеличивая постепенно расстояние между источником и детектором, то есть заставляя альфа-частицы проходить все больший слой воздуха, то число N частиц в пучке начинает на определенном расстоянии падать не сразу до нуля, а с некоторым наклоном (кривая 1 на рис.2):

Рис.2

Если эту кривую продифференцировать и построить величину dN/dx в зависимости от толщины слоя x, то получиться кривая 2 (рис2) с резким максимумом при x = R₀ , показывающим, что подавляющее большинство α-частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом в ту и другую сторону. В диапазоне энергий 4 < Eα < 15 Мэв используют для оценки Eα зависимость (7):

(7)

Для Е_α < 4 МэВ связь между пробегом и энергией частицы представлена в виде номограммы (рис 3):

Рис.3

при помощи которой по пробегу частицы можно найти ее энергию, и наоборот. Иногда для оценки Eα используют Rэ - экстраполированный пробег, полученный путем продолжения наклонной линии 1 до пересечения с осью абсцисс.

Для построения кривой N(x) необходимо внести поправку на телесный угол с учетом реальных размеров окон детектора и источника, так как в детектор попадает лишь часть излучения .

Увеличение расстояния уменьшает телесный угол, в котором счетчик "видит" источник частиц, и приводит к уменьшению числа регистрируемых частиц. Для получения полного числа частиц надо зарегистрированное число частиц поделить на поправку, взятую из таблицы 1:

x/r0	0.1	0.2	0.4	0.5	0.6	0.8	1.0	1.25	1.5
Поправка	0.286	0.253	0.197	0.175	0.158	0.127	0.102	0.080	0.062

где x - расстояние между окном детектора и α -препаратом,

r₀ - радиус окошка детектора.