2015-05-14
1182Лабораторная работа №11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ
Цель работы: получение кривой прохождения α - частиц через вещество, определение длины среднего пробега и энергии α -частиц.
Содержание работы
Альфа-частицы представляют собой ядра атома гелия He, имеют заряд +2e, состоят из двух протонов и двух нейтронов. α-частицы возникают при радиоактивном распаде атомных ядер, а также в различных ядерных реакциях. α -частицы используются в качестве бомбардирующих частиц. Именно при изучении рассеяния α-частиц на тонких металлических пленках Резерфорд в 1911 году сделал вывод, что масса атома практически целиком сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющем размеры ~10-15 м. Первая ядерная реакция (1):
(1)
была также осуществлена с использованием α-частиц (1919 г.). На современных ускорителях получают пучки альфа-частиц с энергией от нескольких до сотен МэВ для изучения свойств атомных ядер.
Характерные особенности альфа-распада:
а). α-распад идет только для тяжелых ядер с Z>83 (2):
|
|
|
(2)
б). Периоды полураспадов T1/2 α-активных ядер варьируются в широких пределах, например, для 
T1/2 = 3*10-7c, а для 
T1/2 = 1.4*1017 лет, при этом они очень сильно зависят от энергии вылетающих α-частиц (3):
(3)
эмпирический закон Гейгера - Неттола, где C,D = const)
в). α- частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию порядка 4-9 МэВ для редкоземельных ядер. Возникающие альфа-частицы взаимодействуют с веществом посредством упругого рассеяния и ионизационного торможения. При упругом рассеянии суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется и перераспределяется между ними. Вследствие большой массы (Мα = 7350 me, me – масса электрона) альфа - частицы почти не рассеиваются на электронах среды (а только на ядрах), продолжая двигаться прямолинейно (рис 1.):
Рис.1
Кулоновское поле электронов атомов вещества взаимодействует с движущейся α - частицей, которая при этом теряет энергию, постепенно останавливаясь. Это процесс ионизационного торможения. Характерной особенностью альфа-частиц является существование у них определенного пробега R -расстояния, которое проходит частица до момента полной потери энергии. Величина пробега определяется теми потерями энергии, которые происходят при ее движении (4):
(4)
а потери энергии согласно формуле Бете (5):
(5)
где n - концентрация атомов поглотителя, z - заряд частицы, v - ее скорость. Tаким образом, потеря энергии на ионизацию пропорциональна массовой толщине поглотителя и не зависит от его природы (6):
(6)
Если исследовать монохроматический поток α-частиц и подсчитывать число частиц, увеличивая постепенно расстояние между источником и детектором, то есть заставляя альфа-частицы проходить все больший слой воздуха, то число N частиц в пучке начинает на определенном расстоянии падать не сразу до нуля, а с некоторым наклоном (кривая 1 на рис.2):
|
|
|
Рис.2
Если эту кривую продифференцировать и построить величину dN/dx в зависимости от толщины слоя x, то получиться кривая 2 (рис2) с резким максимумом при x = R0, показывающим, что подавляющее большинство α-частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом в ту и другую сторону. В диапазоне энергий 4 < Eα < 15 Мэв используют для оценки Eα зависимость (7):
(7)
Для Еα < 4 МэВ связь между пробегом и энергией частицы представлена в виде номограммы (рис 3):
Рис.3
при помощи которой по пробегу частицы можно найти ее энергию, и наоборот. Иногда для оценки Eα используют Rэ - экстраполированный пробег, полученный путем продолжения наклонной линии 1 до пересечения с осью абсцисс.
Для построения кривой N(x) необходимо внести поправку на телесный угол с учетом реальных размеров окон детектора и источника, так как в детектор попадает лишь часть излучения.
Увеличение расстояния уменьшает телесный угол, в котором счетчик "видит" источник частиц, и приводит к уменьшению числа регистрируемых частиц. Для получения полного числа частиц надо зарегистрированное число частиц поделить на поправку, взятую из таблицы 1:
| x/r0 | 0.1 | 0.2 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.8 | 1.0 | 1.25 | 1.5 |
| Поправка | 0.286 | 0.253 | 0.197 | 0.175 | 0.158 | 0.127 | 0.102 | 0.080 | 0.062 |
где x - расстояние между окном детектора и α -препаратом,
r0 - радиус окошка детектора.
Приборы и оборудование:
Общий вид установки приведен на рис.5:
Рис. 5
На рисунке:
1. Индикатор;
2. Кнопка «Установка»;
3. Кнопка «-»;
4. Кнопка «+»;
5. Кнопка «СБРОС»;
6. Кнопка «ПУСК»;
7. Блок счетчика;
8. Шторка;
9. Линейка;
10. Держатель источника альфа частиц.
Установка состоит из объекта исследования и устройства измерительного, соединяемых между собой кабелем.
Объект исследования состоит из счетчика альфа частиц с источником питания и устройством формирования импульсов, держателя источника альфа частиц. Держатель источника устанавливается на скамье перед счетчиком. Кроме того, на скамье прикреплена линейка, предназначенная для измерения расстояния от источника до счетчика.
Из корпуса формирователя выведен кабель с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному.
На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:
- кнопка СБРОС - предназначена для установки в исходное состояние перед началом измерения или прерывания измерения с установкой в исходное состояние;
- кнопка ПУСК/ СТОП - предназначена для прерывания измерения без установки в исходное состояние и для включения режима измерения при начале измерения или после остановки измерения;
- кнопка УСТАНОВКА - предназначена для включения и выключения (путем повторного нажатия) режима установки времени измерения;
- кнопки "+" и "-" - предназначены для установки времени измерения (при этом при кратковременном нажатии происходит установка единиц секунд, а при длительном - установка десятков секунд, переключение диапазонов 99,9 и 999 с происходит автоматически);
- индикатор – предназначен для индикации количества частиц при проведении измерения и времени измерения соответственно, а также режимов работы;
На задней панели устройства измерительного расположен выключатель СЕТЬ.
Порядок выполнения работы
1. Подготовить установку к измерениям. Включить установку с помощью выключателя “СЕТЬ”, дать прогреться 5 мин. Нажать кнопку “СБРОС”, при этом показания TIME и IMP. обнуляться.
|
|
|
2. Нажать кнопку “УСТАНОВКА”, на индикаторе должна появится надпись SET. Выставить время измерения (240 c) кнопками “+” и “-”. Повторным нажатием кнопки “УСТАНОВКА” отключить соответствующий режим.
3. Выставить минимальное расстояние между альфа- источником и детектором.
4. Нажать кнопки “СБРОС” и “ПУСК”, дождаться окончания счета импульсов.
5. Увеличить расстояние и повторить измерение.
6. Провести измерения для 6-7 расстояний.
7. Установить время измерения 480 с и повторить все измерения.
8. Выключить установку, с помощью выключателя «СЕТЬ»
9. Рассчитать поправку на телесный угол.
11. Построить график N(x).
12. Построить зависимость 
.
13. Найти R0 и оценить Eα
Контрольные вопросы
1. Что такое α – частица.
2. Каковы характерные особенности α – распада.
3. В чем состоит закон Гейгера – Неттола.
4. Как α – частицы взаимодействуют с веществом.
5. Что называется длиной пробега α – частицы.
6. Как оценить энергию α – частицы.
