Теоретическая часть. Возникновение γ-квантов

Возникновение γ-квантов

Гамма-излучением называется самопроизвольное испускание ядром g-квантов. g-излучение возникает в процессе перехода ядер из одних энергетических состояний в другие и представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. Длина волны l ≤ 10^–10 м, т.е. меньше, чем расстояние между атомами в кристаллах. С квантовой точки зрения это поток фотонов, энергия и импульс которых определяются соотношениями (формула де Бройля):

(8.1)

где с – скорость света, h – постоянная Планка

Атомное ядро, так же как и атом, представляет собой квантово-механическую систему с дискретным набором энергетических уровней. Находясь в основном состоянии, ядро не проявляет радиоактивности, подобно тому, как невозбужденный атом не испускает оптические фотоны (l ~5 × 10^–7 м). В процессе радиоактивного распада, при ядерных реакциях, при взаимодействии ядра с сильным кулоновским полем вылетающей частицы и т.п., ядра могут переходить в возбужденное состояние.

Атомные ядра, подобно атомам, имеют дискретные уровни энергии. Переходы между нормальным и возбужденными уровнями приводят к возникновению коротковолнового электромагнитного излучения (g-лучи) (l от 10^–3 до 1 Å)., ( - изменяется от 10¹⁹до 10²³рад/с, а энергия - от 10КЭВ до 5МЭВ).

Разность энергетических уровней в ядре составляет десятки и сотни тысяч электрон-вольт, тогда как в атомах эта разница составляет примерно 1 эВ.

g-квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядер. Спектр g-квантов дискретен.

Пример: при высоких температурах в углеродно-азотном цикле идет образование g-квантов:

В среднем 98,8% p⁰мезоны распадаются на 2 g-кванта:

либо с рождением электрон-позитронной пары:

Распространение g-излучения в вакууме происходит беспрепятственно, так что, измеряя интенсивность параллельного пучка на любом расстоянии от источника, мы, естественно, получили бы один и тот же результат.

Поглощение g -квантов веществом. Свойства g -излучения

При прохождении излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка в результате его взаимодействия с атомами вещества. Степень взаимодействия, т.е. ослабление интенсивности пучка, с одной стороны, определяется свойствами вещества – его плотностью, размером атомов и т.п., а с другой – свойствами самого излучения.

Из разных видов радиоактивного излучения наиболее сильно должны взаимодействовать с веществом массивные заряженные a-частицы, их проникающая способность минимальна. g-лучи представляют собой поток нейтральных и не обладающих массой покоя фотонов, испытывают наименьшее взаимодействие с веществом и поэтому обладают наибольшей проникающей способностью.

Ослабление g-лучей при распространении в веществе обусловлено в основном тремя процессами взаимодействия:

1. фотоэффектом;

2. комптоновским рассеянием;

3. образованием электрон-позитронных пар в поле ядра.

1. При фотоэффекте энергия g-кванта целиком поглощается атомом. Вероятность этого процесса велика только при сравнимых значениях энергии кванта и энергии связи электрона в атоме. Энергия же g-кванта в сравнении с фотонами оптического диапазона очень велика. Поэтому в фотоэффекте могут принимать участие, с одной стороны, только электроны самых глубоких внутренних оболочек атома, а с другой – g-кванты самой малой энергии. При увеличении энергии g-лучей вероятность фотоэффекта быстро падает.

2. В широком диапазоне средних энергий g-квантов основную роль в ослаблении интенсивности g-лучей играет эффект Комптона: рассеяние g-квантов на свободных или слабо связанных с атомами электронах. В результате этого процесса вместо первичного g-кванта появляется летящий в другом направлении рассеянный g-квант, причем часть энергии получает электрон отдачи. После ряда столкновений квант теряет большую часть своей энергии и в конце концов поглощается.

3. В процессе поглощения g-квантов с образованием электрон-позитронной пары е ⁺ + е ^– энергия кванта расходуется на создание этих двух частиц и на сообщение им кинетической энергии. Минимальная энергия, которая необходима для этого процесса, составляет 2 m₀c², т.е. 1,022 МэВ, так что этот процесс существует лишь для g-лучей очень большой энергии (m₀ – масса покоя электрона с – скорость света).

Взаимодействие фотонов с частицами вещества носит статистический характер: число актов взаимодействия пропорционально наличному числу квантов (интенсивности излучения) и числу частиц, способных взаимодействовать. Поэтому изменение (убыль) интенсивности излучения dI в малом слое толщины dx пропорционально dx и интенсивности падающего на данный слой излучения I:

dI = – m Idx. (8.2)

Коэффициент пропорциональности m называется коэффициентом поглощения.

Интегрируя уравнение (8.2) с учетом начальных условий (I = I ₀ при х = 0), получим:

I = I ₀ е ^{– m Х} (8.3)

рис 8.1.График зависимости интенсивности поглощения - квантов от толщины образца.

Экспоненциальную зависимость (8.3) удобно изобразить в полулогарифмических координатах, отложив по оси абсцисс толщину поглотителя, а по оси ординат ln , получив линейную зависимость. По этому графику легко определить коэффициент поглощения m (рис. 8.2).

Преобразуем формулу 8.3. прологарифмируем ее:

μx=

μx=

если I=Io, то M – величина коэффициента поглощения имеет смысл обратному значению толщин образца (X), при которой интенсивность - излучения уменьшается в е раз (е = 2,72). Воздействие - излучения на вещество определяется дозой излучения.

За единицу дозы излучения - квантов принят в СИ один рентген – это доза излучения, при которой в объеме - 1,29·10^{-6 кг воздуха образуются ионы с суммарным зарядом} в каждого знака, т.е. 1р=2,579·10^-4 /кг.

Различные типы излучения (рентгеновские лучи, - лучи) по разному воздействуют на биологические объекты, поэтому существует несколько определений 1 рентгена дозы облучения.

В случае преобладания комптоновского рассеяния удобно пользоваться так называемым массовым коэффициентом ослабления где r – плотность вещества. Он характеризует ослабление g-лучей единицей массы вещества.

Поскольку комптоновский эффект обусловлен столкновением квантов с внешними электронами атомов, ослабление пучка зависит прежде всего от концентрации электронов. Но концентрация электронов в веществе приблизительно пропорциональна его плотности, и поэтому в рассматриваемом случае коэффициент не должен практически зависеть от рода вещества. Получение такого результата в эксперименте свидетельствует о преобладающей роли комптоновского рассеяния.

Экспериментальная установка.

В состав экспериментальной установки входят: радиоактивный источник (Е g= 24 кэВ), сцинтилляционный счетчик (входит в состав приборов установки ФПК-12), набор металлических пластинок, микрометр или штангенциркуль.

Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 8.1, где 1 – источник g-квантов; 2 – поглотитель; 3 – сцинтиллятор ФЭУ; 4 – блок питания и управления; 5 – система ПВЭМ; 6 – монитор (ФЭУ – фотоэлектронный умножитель).

Рис. 8.1

Установка ФПК-12 предназначена для проведения лабораторных работ по курсу «Квантовая физика». Она позволяет исследовать работу сцинтилляционного счетчика путем получения спектра напряжений выходных импульсов счетчика с выделением и подсчетом их в зависимости от напряжения питания фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) фотоэлектронный умножитель и при ограничении напряжения выходных импульсов счетчика снизу и сверху (интегральный спектр). Установка должна использоваться совместно с ПВЭМ любого типа.

При проведении лабораторных работ установка может быть использована самостоятельно с маломощным источником, не превышающим активность 370 Бк типа CaSn¹¹⁹O₂. Предназначена для эксплуатации в закрытых, сухих отапливаемых помещениях при температуре окружающей среды от 10 до 35°С и относительной влажности воздуха до 80% при температуре 25°С и атмосферном давлении от 84,4 до 106,7 кПа.

Существуют вполне определеные (в медицине и биологии ПДН (предельно допустимые нормы) допустимые дозы при работе человека с различного вида излучением (рентгеновские лучи, - излучение, радиоактивное излучение).

Методика регистрации g -излучения

Быстро движущаяся заряженная частица (например, a- или b-частица) благодаря существующему вблизи нее сильному электрическому полю способна вырывать электроны из атомов и молекул вещества, образуя некоторое число ионов. g-лучи, не обладающие зарядом, не способны вызывать ионизацию. Однако при всех видах взаимодействия g-лучей с веществом появляются электроны, обладающие значительной энергией, которые ионизируют среду. При рекомбинации ионов в некоторых кристаллах появляются оптические фотоны, которые вызывают фотоэффект на пластинах ФЭУ – фотоэлектронных умножителей. Такое явление в кристаллах называется сцинтилляцией, а датчики называют сцинтилляционными.

При определенном режиме работы сцинтилляционного датчика число гамма-квантов подсчитывается пересчетным устройством и фиксируется за определенное время. Если число гамма-кван-тов разделить на время их регистрации, то получим интенсивность излучения. Но если время одинаковое при каждом измерении, то ; где N ₀ и I ₀ соответственно число g-квантов и интенсивность излучения без поглотителя, а N (х) и I (х) соответственно число g-квантов и интенсивность излучения при наличии поглотителя толщины х.

Экспериментальная часть