Министерство сельского хозяйства и продовольствия

Российской федерации

Уральская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра физики

Определение мощности радиоактивного излучения Лабораторная работа № 21

Методические указания к лабораторной работе по физике для студентов 1 курса не инженерных специальностей.

Екатеринбург, 2011

Определение мощности радиоактивного излучения

Лабораторная работа № 21

Методические указания к лабораторной работе по физике для

студентов 1 курса не инженерных факультетов.

Екатеринбург, УрГСХА, 2011 г. 8 стр.

Составители: Дунаева Н.Ф., Комарова Л. К.

Одобрено к изданию учебно-методической комиссией

инженерного факультета УрГСХА

(протокол № ______от _________2011 г.)

Рецензент Скорняков В. А.

Определение мощности радиоактивного излучения

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: 1. Дозиметр бытовой ДБГ – 07 Б

2. Источник излучения

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить законы естественной радиоактивности.

2. Измерить мощность фона.

3. Измерить мощность излучения образца.

Введение

Атом любого элемента состоит из ядра и электронной оболочки. В состав всех атомных ядер входит только два вида элементарных частиц – протоны и нейтроны. Общее название этих частиц – нуклоны.

Протон имеет заряд и массу покоя (или 1,00728 а.е.м.).

Нейтрон не имеет заряда; его масса покоя

(1,00866 а.е.м.).

Число протонов в ядре равно порядковому номеру (Z) элемента в таблице Менделеева.

Число нейтронов в атомном ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента: N _n = A – Z.

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из разного числа нейтронов, называются изотопами. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы как химические свойства, так и те физические свойства, которые обусловлены главным образом структурой электронной оболочки. Физические свойства, обусловленные структурой ядра (массовое число, плотность, радиоактивность и т. д.), заметно различаются.

Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами.

Устойчивость атомных ядер говорит о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными очень близко друг от друга. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях – порядка 10^-13 см. При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны (разрушают ядро).

Самопроизвольный распад ядер тяжёлых элементов на ядра более лёгких элементов называется естественной радиоактивностью. Самопроизвольный распад ядер сопровождается излучением радиоактивных частиц и выделением большого количества энергии.

Естественная радиоактивность присуща многим тяжёлым элементам: урану, актинию, торию, полонию, радию и др. Все эти элементы были названы радиоактивными элементами, а испускаемые ими лучи – радиоактивными лучами (радиоактивным излучением). В радиоактивное излучение входят три различных вида излучения:

Свойства радиоактивных излучений.

1. Альфа – лучи: - частица, являясь ядром атома гелия , несёт на себе два положительных элементарных заряда и обладает массовым числом 4. Частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от до , что соответствует кинетическим энергиям от 4 МэВ до 9 МэВ .

Пролетая сквозь вещество, - частица ионизирует его атомы, действуя на них своим электрическим полем («выбивает» электроны из атомов вещества). Израсходовав энергию, частица останавливается, захватывая при этом два электрона и превращаясь в атом гелия. Путь, проходимый - частицей в веществе до остановки, называется проникающей способностью, а число пар ионов, создаваемых ей на пробеге, называется ионизирующей способностью. Пробег - частиц в воздухе (при нормальном давлении) составляет 3 - 9 см, а их ионизирующая способность равна 100 000 – 250 000 пар ионов. Таким образом - частица обладает высокой ионизирующей способностью, но небольшой проникающей способностью.

Альфа – лучи полностью поглощаются слоем алюминия толщиной 0,06 мм или слоем биологической ткани толщиной 0,12 мм.

- частицы отклоняются электрическими и магнитными полями.

2. Бета – лучи ( - частицы) - поток быстрых электронов или позитронов

. Масса их в 7350 раз меньше массы - частицы. Средняя скорость - частиц составляет около , однако - излучение имеет сплошной энергетический спектр, т.е. содержит - частицы со всевозможными значениями энергии (всевозможными значениями скорости: от скорости близкой к нулю до скорости, близкой к скорости света).

Ионизирующая способность - частиц в среднем в 100 раз меньше, а пробег во столько же раз больше, чем у - частиц.

Так как - частицы, обладают зарядами, поэтому они отклоняются электрическими и магнитными полями.

3. Гамма – лучи ( - частицы) - поток фотонов, имеющих очень высокую частоту (порядка 10²⁰ Гц); обладают энергией порядка 1 МэВ, не отклоняются электрическими и магнитными полями.

- лучи распространяются со скоростью света, при прохождении через кристаллы обнаруживают дифракцию. Пролетая вблизи атомного ядра - фотон может под влиянием ядерного поля превратиться в пару элементарных частиц – электрон и позитрон и прекратить своё существование.

Ионизирующая способность - лучей невелика (в среднем 1 – 2 пары ионов на 1 см «пробега»), но проникающая способность большая: свинец – 5 см; слой воздуха толщиной в несколько сотен метров; тело человека пронизывают насквозь.

Радиоактивное излучение испускается атомными ядрами, а не их электронными оболочками. Для - излучения это очевидно. Бета – частицы не входят в состав ядра, но возникают в нём в процессе ядерного распада нуклонов:

и ,

где – нейтрино; - антинейтрино.

Радиоактивное излучение ведёт к превращению атомов излучающего элемента в атомы другого элемента.

При - распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы:

, например, .

При - распаде элемент смещается в периодической таблице на один номер вправо (при образовании электрона) или на один номер влево (при образовании позитрона) без изменения массового числа.

, например ;

, например .

Правила, определяющие смещение радиоактивного элемента в периодической системе, называются законами смещения.

Радиоактивный распад ведёт к постепенному уменьшению числа атомов радиоактивного элемента. Распад имеет случайный характер, так как нельзя предсказать, когда и какой именно атом распадётся. Можно говорить только о вероятности распада за определённый промежуток времени.

Число атомов dN , распадающихся за время dt, пропорционально времени и общему числу N атомов радиоактивного элемента: ,

где - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада данного элемента. Знак минус указывает на уменьшение числа атомов радиоактивного элемента со временем.

Из закона радиоактивного распада следует, что , т.е. постоянная распада равна относительному уменьшению числа атомов данного элемента в единицу времени. Интегрируя выражение для dN в пределах от 0 до t, получаем

закон радиоактивного распада ,

где N₀ - число атомов элемента в начальный момент времени,

N - число атомов этого же элемента, оставшихся по истечении времени t.

Графически закон радиоактивного распада представлен на рисунке. Для характеристики быстроты распада радиоактивного элемента вводится понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.

Из закона радиоактивного распада следует, что:

.

Величина, обратно пропорциональная постоянной распада, представляет среднее время жизни радиоактивного атома:

, следовательно,

Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1 с, называется активностью этого элемента:

.

Из предыдущих формул следует, что .

Таким образом, активность элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада.

За единицу активности в системе СИ принят 1Беккерель, равный одному распаду за секунду ( ).

Чаще используют другую единицу измерения активности, равную активности 1г радия, получившую название Кюри (Кu): .

При изучении атомного ядра и внутриядерных процессов приходится иметь дело с крайне малыми частицами (электронами, протонами, - частицами и т.п.) Для наблюдения и регистрации этих микрочастиц используются приборы, основанные на их ионизирующей способности: ионизационный счётчик, сцинтилляционный счётчик, камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстостенных фотографических эмульсий. С этими методами Вы должны познакомиться. Описания их есть в учебниках физики.