9. Лабораторна робота “Визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання”

Мета роботи: вивчити метод реєстрації іонізуючого випромінювання за допомогою радіометра, який містить газорозрядний лічильник; визначити коефіцієнт лінійного послаблення -випромінювання для свинцю, заліза та алюмінію.

Питання для підготовки до лабораторної роботи

1. Радіоактивність. Основні характеристики радіоактивного розпа­ду.

2. Активність, одиниці активності.

3. Взаємодія корпускулярного іонізуючого випромінювання (аль­фа-, бета-, протонного, нейтронного тощо) з речовиною.

4. Взаємодія рентгенівського та гамма-випромінювань з речови­ною.

5. Характеристики іонізуючого випромінювання (іонізуюча та про­никна здатності).

6. Закон послаблення іонізуючого випромінювання. Захист від іонізуючого випромінювання.

Додаткова література

1. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – Ч. 2.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Выс­шая школа, 1996.

Додаткові теоретичні відомості

Гамма-промені – короткохвильове електромагнітне випро­мінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі ( < 10^–10 м). Вони являють собою потік -квантів (фотонів) з енергією h та імпульсом h /c. Гамма-випромінювання є одним із видів радіоактивного випромінювання та, як пра­ви­ло, супроводжує - і -розпади. На дослідах встановлено, що -промені випускаються не материнським, а дочірніми ядрами, які в момент свого утворення збуджені та мають надлишкову енергію порівняно із звичайним, нормальним енергетичним станом незбудженого ядра. За дуже короткий час (10^–13–10^–14 с) дочірнє ядро переходить у нормальний або менш збуджений стан, при цьому випускаючи -про­мені, що мають дискретний спектр.

При проходженні через речовину внаслідок поглинання та розсіяння інтенсивність -випромінювання зменшується. Під час проходження через речовину -квант може взаємо­діяти як з електронною оболонкою атомів (молекул) речо­ви­ни, так і з їх ядрами. Фізичні процеси, що обумовлюють зменшення інтенсивності -променів при проходженні через речовину є: утворення пар електрон-позитрон, Комптон-ефект, фотоефект і когерентне розсіяння. Можливість виникнення того чи іншого процесу залежить від енергії -фотонів і фізичних властивостей речовини, яка поглинає ці фотони.

При великих енергіях -квантів, що перевищують по­двій­ну енергію спокою електрона (h > 2m₀c² = 1.022 МеВ), переважно виникає поглинання променів, пов’язане з утворенням електронно-позитронних пар.

Зі зменшенням енергії фотона збільшується можливість виникнення Комптон-ефекту. В 1925 році А. Комптон, досліджуючи розсіяння рентгенівських променів, визначив, що в розсіяному випромінюванні присутні як коливання з частотою падаючого випромінювання ₀ , так і коливання з частотою ₁ , меншою ніж ₀. Ефект зменшення частоти розсіяного випромінювання одержав назву ефекту Компто­на. При цьому ефекті енергія падаючого фотона h₀ частково витрачається на відрив електрона від атома, тобто на роботу виходу А_в, та надання електрону кінетичної енергії W_к. Цей електрон називають електроном віддачі, або комптонівським електроном. За законом збереження енергії h₀ = h₁ + А_в + W_к енергія розсіяного фотона h₁ (і, отже, й частота випромінювання) буде меншою від енергії пада­ючо­го фотона. Ефект Компотна частіше за все спостері­гається для енергій гамма-випромінювань, менших за енер­гію подвійної маси спокою електрона та більших від енергії зв’язку електрона з атомом. Його також називають некоге­рент­ним розсіянням гамма-випромінювання, так як відбу­ваєть­ся зміна частоти фотона, який поглинається.

Із зменшенням енергії гамма-фотонів збільшується можливість взаємодії кванта з електронами атомів. Виникає фотоефект, при якому електрони вириваються із внутрішніх шарів електронної оболонки. Цей процес називають ще фотоелектричним поглинанням -променів. Коефіцієнт фо­то­­електричного поглинання _фе залежить від атомного номера Z речовини і довжини хвилі гамма-випроміню­вання:

_фе  Z^m ⁿ.

Сталі m і n, в залежності від енергії квантів, змінюють свої значення в межах m = 2.94.4, n 3.

При невисоких енергіях фотона гамма-випромінювання при взаємодії його з речовиною (подібно рентге­нівсь­кому) може виникати і когерентне розсіяння, при якому зміню­ється лише напрямок розповсюдження випро­мі­нювання без зміни його енергії (частоти).

Враховуючи всі ці процеси, що характеризують взаємо­дію гамма-випромінювання з речовиною, можна записати закон Бугера для послаблення інтенсивності І_L цього випро­мінювання або потоку частинок N_L по мірі проходження шару речовини товщиною L:

І_L = І₀ e ^{–  L}, N_L = N₀ e ^{–  L}.

Коефіцієнт  – це лінійний коефіцієнт послаблення, ве­ли­­чи­­на якого оберненопропорційна такій товщині поглина­ючої речовини, на якій інтенсивність випромінювання змен­шу­ється в е разів. Його значення можна знайти, скористав­шись формулою:

 = (1/L)  ln (N₀/N_L).

Однією з характеристик захисних властивостей речови­ни від іонізуючого випромінювання є товщина шару поло­вин­ного послаблення L_1/2, на якому інтенсивність випромі­нювання зменшується вдвічі. Враховуючи закон Бугера, мож­на знайти значення L_1/2: , звідки L_1/2 = ln 2 /  = 0.693 / .