
marina_lab_333
.docПГУПС
Лабораторная работа № 333
Исследование альфа-излучения
с помощью сцинтилляционного
счетчика.
II - ЭНС
Выполнил:
Проверил:
Санкт-Петербург
2001
Цель
работы:
определить длину пробега
-частицы
в воздухе, ее начальную скорость
и кинетическую энергию
.
Краткое теоретическое обоснование:
Альфа-излучение
представляет собой поток частиц
(
-частиц)
с положительным зарядом 3,2
10
Кл
и массой m
=6,644
10
кг.
Альфа-частича состоит из двух протонов
и двух нейтронов, прочно связанных между
собой. Зарядовое число
-частицы
Z =
2, массовое
число А
=
4, что
соответствует ядру атома гелия.
Альфа-частицы
испускают некоторыми изотопами в
результате радиоактивного распада. При
этом исходное («материнское») ядро
Х
превращается в другое («дочернее») ядро
Y с зарядовым числом,
меньшим на 2 единицы, и массовым числом,
меньшим на 4 единицы. Поэтому реакцию
-распада
можно записать в виде:
Х
Не
+
Y
(
I )
Альфа-распад характерен для тяжелых атомных ядер, например для изотопов урана:
U
He
+
Th
(
II )
Процесс
-распада
можно разбить на две стадии: образование
-частицы
в недрах «материнского» ядра из протонов
и нейтронов последнего и вылет ее
(
-частицы)
из ядра.
Вероятность образования альфа-частицы сравнительно велика. Поэтому время жизни и постоянная распада радиоактивных ядер определяется второй стадией, вероятность которой значительно меньше. Альфа-частица, находящаяся вне ядра, взаимодействует с ним по закону Кулона. Энергия взаимодействия U как функция расстояния r представлена на рис.1.
Внутри ядра
(r<r,
где r
- радиус ядра) потенциальная энергия
частицы отрицательна (пунктир на рис.1)
называется высотой потенциаль- ного
барьера. Если полная энергия Е альфа-частицы
больше 0, но меньше Um, вылет альфа-частицы
из ядра возможен только путем так
называемого « туннельного Эффекта».
Вероятность такого процесса определяется
«коэффициентом прозрачности» барьера
D, который связан с высотой
Um и шириной
потенциального барьера:
D = D0e ( III )
Здесь m – масса частицы;
- ширина
потенциального барьера;
h
– постоянная Планка,
.
Как видно из
рис.1., с увеличением Е уменьшается
и (Um-Е), следовательно, D
возрастает. Соответственно возрастает
постоянная распада и уменьшается период
полураспада радиоактивного ядра. После
вылета
-частицы
из ядра ее энергия переходит в кинетическую
Е
,
чем и объясняется большая скорость
альфа-частиц. Энергия Е
альфа-частиц, используемых
естественными изотопами, лежит в пределах
от 4 МэВ (Th
)
до 8,7 МэВ (
).
Соответственно
скорости
-частиц
составляют (1,4…3,1)
10
м/с.
Рис.1. Зависимость энергии
альфа-частицы
от расстояния между центрами частицы и ядра.
Двигаясь внутри какого-либо вещества, альфа-частицы взаимодействуют с атомами. Результат взаимодействия может быть различным: рассеяние альфа-частиц, пролетающих вблизи ядра встречного атома, ядерная реакция при попадании альфа-частиц в ядро и т.д. Но в подавляющем числе случаев альфа-частица ионизирует встречный атом, теряя при этом часть своей энергии. Так как энергия альфа-частиц измеряется миллионами электрон-вольт, а энергия ионизации имеет порядок 30…35 эВ, то одна частица может на своем пути ионизировать большее число атомов (молекул). Когда альфа-частица израсходует всю свою энергию, она «остановится» и, захватит два электрона, превратится в нейтральный атом гелия. Так как альфа-частицы, испускаемые определенным изотопом, имеют одинаковую энергию ( некоторые радиоактивные изотопы испускают несколько групп альфа-частиц с различными энергиями, но в каждой группе энергия частиц одинакова), то все они проходят в веществе приблизительно одно и то же расстояние R. Это расстояние называется длинной пробега альфа-частицы и однозначно связано с ее энергией. Длина пробега не пропорциональна энергии частицы, т.к. вероятность ионизации альфа-частицей встречного атома зависит от ее скорости. Длина пробега альфа-частицы в воздухе приблизительно соответствует выражению:
R
= a
,
(
IV )
где
- начальная скорость частицы;
а = 9,710
с
см
.
Длина пробега альфа-частицы в различных веществах различна. Она определяется так называемой «тормозной способностью», зависящей от среднего расстояния между атомами и атомного веса вещества.
Зная длину пробега частиц в воздухе, можно найти ее начальную скорость из формулы ( IV ) и энергию по формуле:
Е
= m
( V )
Строго говоря,
при скорости
,
близкой к скорости света с = 3
10
м/с,
для расчета Е
следует пользоваться формулой специальной
теории относительности:
Е
= m
c
(
- 1) ,
( VI
)
где m
- масса покоя
-частицы.
Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика представлена на рис.2.
Как видно из
рис. 2, он включает в себя следующие
основные элементы: С – сцинтиллятор;
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель; У –
усилитель электрических импульсов; Р
- - регистрирующее электрические импульсы
устройство; В – высоковольтный
выпрямитель, обеспечивающий через
делитель напряжения R,
R
,
R
,
R
постоянную разность потенциалов между
фотокатодом – Ф и динодами Д.
Рис.2. Схема сцинтилляционного счетчика.
Блок – схема
лабораторной установки для исследования
-
излучения с помощью сцинтилляционного
счетчика приведена на рис. 3.
Радиоактивный
аппарат 1 укреплен на платформе 2, которая
может подниматься и опускаться с помощью
микрометра 3. Испускаемые препаратом 1
-частицы
попадают на сцинтиллятор 4, находящийся
в блоке фотоэлектронного умножителя
5. Возникающие в блоке ФЭУ импульсы
регистрируются пересчетным прибором
6. Высокое напряжение на ФЭУ подается
от блока питания 7.
N
- импульсы фона
n
- “фон” счетчика
n
=

Рис.3. Схема лабораторной установки.