Изучение поглощения гамма-излучения

Цель работы: познакомиться с явлением радиоактивности. Определить коэффициент поглощения гамма-излучения в веществе.

Оборудование: контейнер с препаратом, счетчик импульсов радиоактивного излучения.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Естественная радиоактивность – это явление самопроизвольного распада ядер с превращением одних ядер в другие. Распад ядер происходит с испусканием α-, β- частиц, некоторых других элементарных частиц и сопровождается электромагнитным γ -излучением. На явление радиоактивного распада не влияет ни тепловое, ни электрическое, ни другие воздействия. Это обусловлено тем, что энергия этих воздействий ничтожно мала по сравнению с энергией связи ядер (несколько МэВ).

Рассмотрим виды распада. При альфа - распаде из ядер вылетают α -частицы. Они обладают двойным положительным элементарным зарядом, а их масса составляет 4 атомных единицы. То есть это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Испытывают α- распад в основном ядра тяжелых элементов, стоящих в таблице Менделеева за свинцом. Они образуют четыре радиоактивных семейства с массовыми числами: 4 n, 4 n +1, 4 n +2, 4 n +3.

Если материнское ядро X испытывает α -распад, то онопревращается в дочернее ядро Y, стоящее в таблице Менделеева на две клеточки ближе к началу, с массовым числом меньше на 4 единицы:

. (1)

Бета-распад происходит при распаде ядер с вылетом электрона или позитрона. Иногда ядро захватывает один из ближайших электронов с электронной оболочки и испытывает β- превращение. Кроме того, при электронном β- распаде из ядра вылетает еще антинейтрино, а при позитронном – нейтрино. Нейтрино – это элементарная частица без электрического заряда, масса покоя которой, возможно, равна нулю. Уравнение электронного распада имеет вид

. (2)

При электронном бета-распаде дочернее ядро смещается на одну клеточку к концу таблицы Менделеева, при позитронном распаде на одну клеточку к началу таблицы.

При радиоактивном распаде ядер выделяется энергия, которую можно определить по соотношению Эйнштейна Q= Δ m ₀c² как произведение разности масс покоя материнского ядра и частиц после распада на квадрат скорости света. Спектр энергии α -частиц дискретный, β- частиц− сплошной, так как некоторую, неопределенную часть энергии уносят нейтрино.

Альфа- и бета-распады сопровождаются гамма-излучением. Это жесткое, коротковолновое электромагнитное излучение с огромной энергией до нескольких МэВ, с большой проникающей способностью. Оно обусловлено излучением дочернего ядра, которое после распада оказалось в возбужденном состоянии, при переходе ядра в основное состояние.

При облучении вещества происходит поглощение γ- излучения. Возможно три механизма потери энергии γ- фотонами. Во-первых, при малой энергии фотонов преобладает фотоэффект. При этом фотон, отдав энергию при взаимодействии с электроном, исчезает. Во-вторых, при большой энергии фотона, когда энергией связи электрона с атомом можно пренебречь, взаимодействие фотона происходит упруго, как со свободной частицей в эффекте Комптона. Фотон многократно постепенно теряет энергию, взаимодействуя с электронам отдачи, пока не исчезнет в процессе фотоэффекта. В-третьих, при энергии фотонов более 1,02 МэВ происходят реакции превращения γ -фотонов в электронно-позитронную пару. Энергия фотона превращается в энергию двух частиц . (Позитрон – это античастица электрона, обладающая такой же массой, но положительным зарядом.)

Определим закон поглощения γ-излучения в веществе. Вероятно, что на некоторой небольшой толщине вещества доля поглощенных частиц пропорционально этой толщине:

. (3)

Чтобы определить количество частиц N, проникших на конечную глубину, проинтегрируем уравнение (3) . Откуда

. (4)

Здесь N ₀ – начальное количество частиц, μ – коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения зависит от вида вещества и от энергии γ -фотонов. Численно он равен величине, обратной толщине вещества, на котором происходит ослабление интенсивности в е =2,72 раза.

Для изучения радиоактивного излучения применяется счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера представляет собой тонкостенную металлическую трубку, наполненную газом при низком давлении. Трубка является катодом, а анодом служит тонкая нить, натянутая по оси трубки. Между ними приложено напряжение 400–1000 В. При пролете внутри трубки γ -фотона, α-, β- частиц, вследствие ионизации молекул газа, возникают электроны и положительные ионы.

Электроны, ускоряясь в сильном электрическом поле около нити, производят вторичную ионизацию молекул. В результате в счетчике возникает лавинный разряд. Чтобы зарегистрировать следующую частицу, разряд следует погасить. Для гашения разряда последовательно со счетчиком включается резистор с большим сопротивлением (рис. 1).

Лабораторная установка состоит из счетчика Гейгера, усилителя импульсов, пересчетного прибора, контейнера с источником со следами α -препарата и набора поглощающих пластинок. Пересчетный прибор считает импульсы счетчика Гейгера в течение времени, устанавливаемого таймером прибора. Поглощающие пластинки устанавливаются в нишу свинцового контейнера между источником и счетчиком Гейгера.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включить пересчетный прибор в сеть 220 В. На индикаторе должно установиться время 10 с. Кнопками «+» и «–» установить время счета импульсов не менее 300 с.

2. Убрать из ниши контейнера пластинки. Нажать кнопку «Установка», нажать кнопки «Сброс» и «Пуск», начнется счет времени и числа импульсов. Через 300 с счет остановится. Записать в таблицу число зарегистрированных импульсов N.

Установить в нишу контейнера сначала одну пластинку, провести измерение, затем две пластинки и так далее до пяти. Результаты измерений записать в таблицу.

3. Произвести измерения интенсивности фона космического излучения в течение 300 с. Так как контейнер с установки убирать нежелательно, то следует поставить свинцовую пластину в нишу контейнера для отсечения излучения источника. Записать результат.

Выключить установку.

Количество пластинок n