ПГУПС

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 3,210Кл и массой m=6,64410кг. 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)10м/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 ссм.

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 = 310м/с, для расчета Е следует пользоваться формулой специальной теории относительности:

Е = mc( - 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.