Л. Р. СБОРНИК № 3: ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

РАБОТА 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ ПРЕПАРАТА

ОТНОСИТЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ

Приборы и принадлежности: блок детектирование БДЗА2-01, измеритель средней скорости счета импульсов УИМ2-2, радиоактивный препарат с

известной активностью, препараты с неизвестной активностью.

Цель работы: определение неизвестнойα - активности изотопа путем сравнения его с эталонным изотопом, α -активность которого известна.

Описание установки метода измерений

Активностью источниканазывается число радиоактивных распадов в единицу времени:

А = dN /dt =λ ⋅ N,

где N - число нераспавшихся ядер в препарате, λ - постоянная распада.

Число частиц n , регистрируемых счетчиком за определенное время,

пропорционально активности образца:

n =κ ⋅ A.

Поэтому активность А_х неизвестного образца и активность А_э эталона

будут пропорциональны числу частиц n_х и n_з, регистрируемых счетчиком в каждом случае:

А_х / А_э = n_х / n

Рис. 5

Для измерения скорости счета импульсов данной работе используется блок

детектирования, включающий в себя сцинтиллятор, фотоэлектронный

20

умножитель и источник высокого напряжения (рис. 5), подключенный к

счетчику-измерителю средней скорости счета импульсов.

Порядок выполнения работы.

1. Приводят установку в состояние готовности к проведению измерений.

а) убеждаются, что блок детектирования соединен кабелем с измерителем;

б) все выключатели на панели измерителя скорости счета импульсов должны

быть в положении “выкл.”, т.е. в отжатом положении;

в) включают в сетевую. Розетку измеритель скорости счета и нажатием

кнопки “сеть” включают прибор (при этом должна загореться сигнальная

лампочка);

г) нажимают переключатель каналов “II”;

д) дают прогреться прибору в течение 3-5 минут.

2. Проводят измерения:

а) на середину экрана блока детектора кладут α - частицу с известной

активностью;

б) нажимают кнопку “разряд” для установления стрелки измерительного

прибора на нулевое положение и затем отпускают. Через промежуток времени,

равный примерно 0.5 мин. Снимают показания по стрелочному прибору,

которые определяются по красной (верхней) шкале, если горит красная лампа

(под светящимся значением множителя); или по зеленой (нижней) шкале, если

горит зеленая лампа. Записывают в таблицу измеренные значения Э n с учетом

светящегося множительного коэффициента (1, 10, 100, 1000, 10000 или

100000), который устанавливается автоматически;

в) опыт повторяют 5 раз, данные записывают в таблицу;

г) на экран блока детектора вместо эталонного кладут исследуемый препарат

и проводят измерения в соответствии с пунктами “б” и “в”, данные записывают

в таблицу. Измерения проводят для пяти препаратов.

№ Э n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n

1.

2.

3.

4.

5.

Среднее

3. Подсчитывают средние значения измеренных величин n Э и n i для каждого

из исследуемых препаратов.

4. На основании данных таблицы для каждого препарата вычисляют среднее

значение активности i A по формуле:

= ⋅ i Э А А

Э

i

n

n ,

где n Э и n i - средние значения скоростей счета импульсов эталонного и

исследуемых изотопов соответственно.

21

5. Относительная погрешность определяемой активности i A в каждом из пяти

случаев равна:

2 2 2

A A Э i E E E E i Э

= + + ,

а абсолютная погрешность

i i Ai ΔA = A ⋅ E

Здесь относительная погрешность известной эталонной активности,

Э

Э

A A

A

E i

Δ

= относительная погрешность скорости счета эталонного

образца,

Э Э

Э

Э

Э

Э n n

n

n

E n 1

2 2

2 = ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛

= ⎟

⎟⎠

⎞

⎜ ⎜⎝

⎛ Δ

= , относительная погрешность скорости счета

неизвестного образца i i E2 = 1 n

6. Сделать письменное заключение по работе, в котором привести

активности исследуемых препаратов в виде A = (A ± ΔA )⋅ c−1 i i i

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулировать закон радиоактивного распада. Привести его вывод

2. Что такое активность препарата и каковы единицы ее измерения?

3. Объяснить механизм α - распада и его особенности.

4. В чем сострит особенность энергетического спектраα - излучения?

5. Как объяснить возникновение γ - излучения, сопровождающего α -

распад?

6. Объяснить принцип работы сцинтилляционного детектора.

22

РАБОТА 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ

Приборы и принадлежности: источник α - излучения на подвижном

держателе со шкалой отсчета расстояния, сцинтилляционный детектор частиц ,

блок питания и усиления, пересчетный прибор типа ПС-100, секундомер.

Цель работы: ознакомление с основными закономерностями

взаимодействия заряженных частиц с веществом на примере движения α -

частиц в воздухе.

Описание установки и метода измерений: в работе производится

измерение количества регистрируемых α - частиц в зависимости от расстояния

между источником излучения и детектором частиц. Схема установки показана

на рис.6.

Рис. 6

Она состоит из источника α - излучения 1, укрепленного на подвижном

стержне 2 с верньером, по шкале которого отсчитывается расстояние от

источника до детектора 3. Детектор состоит из сцинтилляционного датчика и

фотоумножителя, питание которого осуществляется от источника высокого

напряжения 4.

Каждое попадание α - частицы в сцинтилляционный датчик вызывает очень

короткую вспышку света. Преобразование световой вспышки в электрический

импульс производится в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ). Пересчетный

прибор 5 производит счет импульсов, поступающих с ФЭУ. Движение

заряженной частицы в веществе сопровождается возбуждением и ионизацией

атома вещества. Это приводит к потере энергии частицы и уменьшению ее

скорости. Относительное изменение энергии α - частицы при акте

23

взаимодействия с электроном атома мало (сотые доли процента), поэтому α -

частица создает на своем пути десятки тысяч ионизированных атомов.

Расстояние, на котором частица теряет всю энергию, называется длиной

пробега частицы 0 R . График зависимости числа α - частиц N от толщины слоя

вещества L приведен на рис. 7.

Рис. 7

При толщине слоя вещества, равном среднему пробегу, практически все

альфа-частицы теряют энергию на ионизацию. В работе необходимо

определить по графической зависимости средний пробег альфа-частицы в

воздухе 0 R . .Для этого измеряют число α -частиц, регистрируемых детектором

за определенный промежуток времени на различных расстояниях от

источника.

Значение R0 определяют по экстраполяции графика N(L)как показано на

рис. 7. Из соотношения

3 2

0 R = 0.31⋅ E

определяют начальную энергию частицы E в МэВ ( 0 R – длина пробега α -

частицы в сухом воздухе в см).

Порядок выполнения работы.

1. Включить тумблер ”сеть” на приборах Т-3 и ПС-100 и дать приборам

прогреться в течение 3 мин. Все кнопки прибора ПС-100 должны быть в

исходном (не нажатом) состоянии.

2 . Отпустить с помощью верньера шток держателя с источником α -

излучения на торец сцинтилляционного детектора. При этом расстояние между

источником излучения и датчиком детектора составляет 0 L = 20 мм- расстояние,

проходимое α - частицами в кожухе детектора.

3. Нажать кнопку “пуск” на приборе ПС-100 и одновременно включить

секундомер. По истечению 30 сек. нажать кнопку “стоп” на приборе ПС-100 и

произвести отсчет импульсов N по светящимся индикаторам. Записать

результат в таблицу и нажать кнопку “сброс”. Повторить измерения еще 2 раза

и записать результаты в таблицу.

24

Таблица

i L L L, мм 0 = + Δ 1

i N 2

i N 3

i N ср N ΔN

1 20

2 21

3 22

и т.д. …

4. Поднять с помощью верньера шток с источником на высоту ΔL = 1 мм.

Расстояние L примет значение L = 0 L + ΔL .

Повторить измерения по п. 3. Продолжать перемещать источник излучения с

шагом 1 мм и проводит измерения до высоты, при которой счет импульсов

практически прекратиться.

5. Вычислить среднее значение числа ср N зарегистрированных импульсов для

каждого из расстояний и его погрешность по формулам введения. Результаты

занести в таблицу.

6. построить график зависимости ср N от расстояния L . В соответствии с рис.

19 экстраполировать по графику прямолинейный участок спадающей кривой до

пересечения с осью L и найти значение 0 R ..

7. Определить среднюю кинетическую энергию α - частиц данного

радиоактивного вещества.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные механизмы потерь энергии α - частиц в веществе?

2. Что такое длина пробега α - частицы и от чего зависит ее величина?

3. Каковы основные особенности энергетического спектра α - частиц?

4. Во сколько раз пробег α - частицы в воздухе меньше, чем пробеги

протона и однократно ионизированного атома гелия той же энергии?

5. Оценить число пар ионов, образуемых α - частицей с энергией 5 МэВ на

длине пробега.

25

Вторичные электроны, возникающие при "рождении пары" в результате

взаимодействия γ-квантов с веществом, обладают значительной энергией и

производят ионизацию и возбуждение атомов среды.

Проникающая способность γ-лучей, как видно из табл. A, увеличивается с

ростом энергии γ-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-

поглотителя.

Таблица A

Толщина слоя вещества, ослабляющего – излучение в 10

Энергия γ- раз, см

квантов, Мэв вода бетон свинец

0.5 24 12 1.3

1.0 33 16 2.9

5.0 76 36 4.7

Нейтроны при движении в веществе с электронными оболочками атомов не

взаимодействуют и относительно легко проникают вглубь атома. При

взаимодействии с атомными ядрами они испытывают рассеивание или при

захвате нейтрона ядром вызывают ядерные реакции с выходом из ядра частиц и

γ- квантов. Ядра атомов после соударения с нейтронами и быстрей заряженные

частицы ионизируют и возбуждают атомы среды. При этом выделяют:

Энергия в эВ Эквивалентная

температура, К

Холодные нейтроны 10-3 1

Тепловые нейтроны 2.5·10-2 290

Медленные нейтроны 1 1.2·104

Быстрые нейтроны 5·105 1.2·1010

Для быстрых нейтронов при взаимодействиях с ядрами характерно так

называемое упругое рассеяние, когда нейтрон отдает ядру часть своей энергии,

а сам замедляется. Вероятность такого рассеяния возрастает с увеличением

массового числа ядра и происходит наиболее эффективно для тепловых и

медленных нейтронов, поэтому для осуществления регулируемых ядерных

реакций обычно применяются специальные замедлители нейтронов (например,

тяжелая вода D2O, бериллий, графит и пр.), которые вводят в зону реакции. Для

управления ядерными реакциями в потоке нейтронов применяют также

поглотители тепловых нейтронов. Обнаружен ряд веществ (например, кадмий),

ядра которых обладают очень большой (резонансной) способностью поглощать

нейтроны малых энергий без порождения новых.

Гамма-лучи и потоки нейтронов являются наиболее проникающими видами

ионизирующего излучения, потому при внешнем облучении они представляют

наибольшую опасность.

34