МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЦЕ

Кафедра технической физики и физики горных пород

______________________________________________________________________

3 семестр

Аудитория 4-36

Лабораторная работа № 11

Изучение особенностей - распада

____________________________________________________________________

Приборы и принадлежности: альфа-нейтронный радиометр типа Кран-1, измерительная шкала, набор источников -излучени.

Цель работы: ознакомление с основными теориями -распада и взаимодействия

-частиц с веществом.

Введение

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одних химических элементов в изотопы других химических элементов, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых

изотопов, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной.

 - лучи представляют собой поток ядер атома гелия .

Естественным -распадом называется испускание ядрами тяжелых химических элементов (с Z 82) -частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Распадающееся ядро называется материнским, а ядро продукта распада - дочерним.

,

где X - символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру;

У - то же для дочернего ядра;

А- массовое число (барионный заряд или число нуклонов в ядре);

Z - электрический заряд ядра (число протонов в ядре).

Для каждого радиоактивного ядра существует вероятность ( ), что оно испытает превращение в единицу времени. Обозначим число ядер в момент времени t через dN(t). Убыль ядер -dN за время dt пропорциональна наличию ядер N и времени dt:

-dN=Ndt (1),

где  - постоянная распада (при dt=1 , = ). Представим выражение (1) в виде: и проинтегрируем его: ; или , (2)

где N_o - начальное число ядер (при t=0) - закон радиоактивного распада.

Из основного закона (2) следует, что число распадающихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

N

No

N₀/2

0 Т t

Рис.1

Число распадов в единицу времени называется активностью радиоактивного вещества (А) : т.е. активность пропорциональна числу радиоактивных ядер, содержащихся в источнике в момент, для которого определяется активность.

Единица активности: [ А ]= 1 распад/с = 1 с^-1.

Эта единица называется беккерель (Бк). Беккерель - это активность радиоактивного источника, в котором за 1 секунду происходит 1 акт распада.

Внесистемная единица активности - кюри (Ки) - это активность источника, в котором происходит 3,70010¹⁰ актов распадов в секунду. 1 Ки = 3,70010¹⁰ Бк.

Величиной, указывающей на быстроту следования распадов ядер, является период полураспада (Т). Период полураспада - это промежуток времени, в течение которого в образце распадается половина первоначального количества ядер.

Постоянная радиоактивного распада () с периодом полураспада (Т) связана зависимостью: (доказать самостоятельно).

Естественные радиоактивные элементы имеют значения периода полураспада от более чем 10¹⁰ лет до времен, меньших 10^-8с.

- частица, обладающая большой энергией, попав в вещество, теряет её в основном на возбуждение и ионизацию атомов. Часть энергии она теряет так же при упругих соударениях с ядрами. В конце концов, пройдя определенный путь R , называемый пробегом - частицы, она теряет всю свою энергию, захватывает два электрона и превращается в нейтральный атом гелия. Пробег является функцией заряда, массы, энергии частицы, а также атомного номера и среднего числа атомов в единице объема вещества. Вследствии того, что -частицы массивны (они содержат по 4 нуклона) и имеют двойной заряд (+2е), длина их свободного пробега в веществе невелика. Большинство

-частиц останавливает даже слой воздуха толщиной в несколько сантиметров. Чем больше плотность вещества, тем меньше пробег -частицы до остановки. В твердом веществе пробег составляет всего несколько десятков микрон. Эксперименты показали, что тождественные радиоактивные атомы испускают несколько групп -частиц, имеющих свое вполне определенное значение начальной энергии (моноэнергетические группы) и свой средний пробег R. Отсюда следует, что выбрасываемые из ядер -частицы обладают определенным энергетическим спектром. Однако пробеги тождественных -частиц, несколько отличаясь друг от друга, статистически колеблются около среднего значения R_ср. Существует простое соотношение между периодом полураспада Т - источника (а следовательно и постоянной радиоактивного распада ) и свободным пробегом испускаемых им -частиц. Оно было впервые сформулировано в виде чисто эмпирического закона Гейгера-Нэттола: ln= А + В lnR, где  - постоянная распада ядра,

R - средний пробег продуктов распада в поглотителе, А и В - эмпирические постоянные для данного изотопа. Этот закон утверждает, что чем больше  радиоактивного элемента, тем больше пробег -частиц

Лабораторная работа включает две задачи: определение активности -препарата и определение длины свободного пробега -частиц в воздухе.

Регистрация -частиц осуществляется переносным -нейтронным радиометром. Принцип действия -радиометра основан на том, что -частица, проходя через сцинтилляционный детектор, вызывает в нем слабые световые вспышки (сцинтилляции), которые с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) преобразуется в электрические импульсы и усиливаются. Последние регистрируются с помощью электронной схемы измерителя скорости счета (подробнее о работе сцинтилляционного счетчика см./ Т.И.Трофимова §261/).

ЗАДАЧА №1. Определение активности -препаратов.

В данной задаче определение -активности препаратов проводится относительным методом путем сравнения с эталоном. Показания измерителя скорости счета импульсов пропорциональны числу испускаемых препаратом -частиц:

(4)

где А_xi-активность i-го исследуемого препарата, А_э-активность эталонного препарата;

n_э и n_xi - число импульсов, даваемых, соответственно, эталонным и неизвестны i-м источником. Из (4) имеем:

(5)