Физика Определение коэффициента поглощения
g- и b- лучей веществом
Методические указания
к лабораторной работе по физике № 52
с применением компьютерного моделирования
Сыктывкар
2003
Министерство образования Российской Федерации
Сыктывкарский лесной институт
Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии
имени С.М. Кирова
Кафедра физики
Методические указания
к лабораторной работе по физике № 52
с применением компьютерного моделирования
для студентов всех специальностей и всех форм обучения
Сыктывкар
2003
Рассмотрены и рекомендованы к изданию
методическим советом технологического факультета
Составитель:
кандидат физико-математических наук, доцент
М.Ю. Демина
Компьютерная программа:
А.В. Ванеев, В.А. Столыпко
Рецензент:
Лабораторная работа № 52
4 часа
Определение коэффициента поглощения
g- и b- лучей веществом
Цель работы: исследование закона поглощения g- и b- лучей веществом.
Задачи работы: определение коэффициента поглощения g- и b- лучей и толщины слоя половинного ослабления для алюминия, меди и свинца.
Обеспечивающие средства: компьютер с Windows’95.
Теоретическая часть
Прохождение ядерных частиц через вещество
Общая картина прохождения частиц высокой энергии через вещество крайне сложна. Частицы сталкиваются с электронами, находящимися на различных оболочках, рассеиваются кулоновскими полями ядер, а при достаточно больших энергиях вызывают и различные ядерные реакции. По механизму прохождения через вещество частицы можно разбить на три группы: 1) тяжелые заряженные частицы; 2) легкие заряженные частицы и 3) g- кванты. К легким заряженным частицам относят электроны и позитроны (b- лучи), к тяжелым – все остальные.
Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом.
Основной механизм взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом таков. Частица, пролетая сквозь вещество, “расталкивает” атомные электроны своим кулоновским полем. За счет этого частица постепенно теряет энергию, а атомы либо ионизируются, либо возбуждаются. Растеряв свою энергию, частица останавливается. Из-за дальнодействующего характера кулоновских сил пролетающая частица успевает “растолкать” очень большое количество электронов.
Сама пролетающая частица при столкновении с отдельным электроном мало отклоняется от своего пути из-за ее большой массы (сравнительно с массой электрона). К тому же и эти малые отклонения почти целиком компенсируют друг друга при огромном числе хаотически ориентированных столкновений. Поэтому траектория тяжелой заряженной частицы в веществе практически прямолинейна. Потеряв всю энергию, частица останавливается. Расстояние, пройденное частицей в веществе, называется пробегом. Основными физическими величинами, характеризующими прохождение тяжелых частиц, являются потери энергии на единицу пути и полный пробег частицы в веществе.
Взаимодействие легких заряженных частиц с веществом.
Прохождение электронов и позитронов (b- лучей) через вещество качественно отличается от прохождения остальных заряженных частиц. Главной причиной этого является малость масс электрона и позитрона. Из-за малости массы для налетающего электрона (позитрона) относительно велико изменение импульса при каждом столкновении в веществе. А это в свою очередь приводит к тому, что электрон, во-первых, может значительно отклоняться от первоначального направления движения и, во-вторых, может порождать при столкновениях кванты электромагнитного излучения. Первый из упомянутых эффектов проявляется в том, что электрон движется в веществе не по прямой; за счет же второго эффекта для электронов становятся существенными радиационные потери, т.е. потери энергии на электромагнитное излучение.
Для электронов вводят две величины, соответствующие пробегу: максимальный пробег и средний пробег. Максимальным пробегом называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все электроны. Например, алюминиевая пластинка толщиной 2 мм полностью поглощает b- лучи.
Взаимодействие g - лучей с веществом.
К g- излучению относят электромагнитные волны, длина которых значительно меньше межатомных расстояний:
l<<
,
где - имеет порядок 10-8 см. В корпускулярной картине это излучение представляет собой поток частиц, называемых g- квантами. Нижний предел энергии g- квантов
Е=2p
с/l
имеет порядок десятков кэВ. Естественного верхнего предела нет. В современных ускорителях получаются кванты с энергией вплоть до 20 ГэВ.
Подобно заряженным частицам (и в отличие от нейтронов), пучок g - квантов поглощается веществом в основном за счет электромагнитных взаимодействий. Однако механизм этого поглощения существенно иной. На это есть две причины. Во-первых, g- кванты не имеют электрического заряда и тем самым не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Поэтому g - кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т.е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность g- квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света. А это значит, что g- кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы.
Для g- квантов не существует понятий пробега, максимального пробега, потерь энергии на единицу длины. При прохождении пучка g- квантов через вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка. Нетрудно получить закон, по которому происходит это ослабление. Обозначим через I монохроматический поток падающих частиц, т.е. число частиц, проходящих через 1 см2 в 1 с. Пройдя слой вещества dx, пучок ослабнет на величину dI. Очевидно, что dI пропорционально потоку и толщине слоя:
dI = -m I dx. (1)