Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного превращения ядер одного элемента в ядро другого за счет испускания a, b± и g – излучения.
a и b – излучения – это частицы с определенной массой и зарядом; g – излучение(g – квант) – это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, энергия которого равна eg = h n = ;
a – частицы – это ядра гелия; b – это поток электронов, b+ – поток позитронов.
g – излучение в основном, сопровождает a– и b– излучения, когда дочернее ядро из возбужденного состояния переходит в стационарное.
Основной закон радиоактивного распада выражается так:
N = N0 e–lt,
где N0 – число радиоактивных ядер в момент времени t = 0; N – число радиоактивных ядер, оставшихся нераспавшимися к моменту t.
l – постоянная радиоактивного распада: l = , где Т1/2– период полураспада.
2. Закон поглощения g –излучения.
Гамма–кванты состоят из фотонов одной энергии или содержат группу фотонов с дискретными значениями энергии. Чаще всего энергия гамма–лучей находится в диапазоне от нескольких КэВ до нескольких МэВ.
Прохождение g –излучения через вещество сопровождается его поглощением. При прохождении поглотителя толщиной x интенсивность J g –лучей уменьшается на J, причем относительная интенсивность поглощения излучения пропорциональна толщине поглотителя:
= –mDх | (1) |
где m – линейный коэффициент поглощения.
Если вместо конечной толщины Dх имеем бесконечно малую величину dx, бесконечно малое изменение интенсивности d J, то уравнение (1) примет вид:
= – m dx | (2) |
Интегрируя это уравнение, получим
J =J0 е–mх | (3) |
При рассмотрении процесса поглощения гамма–излучения веществом, полезным оказывается понятие о слое половинного поглощения х1/2.
Слоем половинного поглощения называется толщина поглотителя, в котором поглощается половина падающих на него фотонов.
Эта величина выражается: = е –mх
Тогда, логарифмируя, получим:
х = | (4) |
До сих пор рассматривали явление поглощения гамма–лучей, не касаясь конкретного взаимодействия гамма–лучей с веществом, обусловливающего процесс поглощения и величину m – коэффициента поглощения.
При прохождении g – лучей через вещество происходит ослабление интенсивности первоначального пучка. Это ослабление интенсивности является результатом взаимодействия g – квантов с электронами и атомами вещества, через которые они проходят.
Практически наиболее существенны три процесса взаимодействия с веществом: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар, приводящих к поглощению g – излучения.
а. Ф О Т О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Э Ф Ф Е К Т
Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия g – кванта (фотона) с веществом, при котором g – квант исчезает, полностью передавая свою энергию и импульс электрону и атому. При этом электроны выбрасываются за пределы атома с кинетической энергией
Wk = hn – Ai | (5) |
где hn – энергия g – кванта; Аi – работа выхода электрона с i –ой оболочки атома.
Фотоэффект наиболее вероятен в том случае, когда энергия фотона близка к работе выхода А. Именно поэтому ослабление лучей вследствие фотоэффекта играет основную роль при малых энергиях (Еg £ 1 МэВ). Фотоэффект возможен лишь на связанном электроне и не может быть на свободном электроне.
Вероятность фотоэффекта на К –оболочке атома dфот » при
Еg >>Ак и dфот» при Еg > Ак × (Ак – работа выхода электрона на К – оболочке).
б. К О М П Т О Н О В С К О Е Р А С С Е Я Н И Е
Процесс рассеяния g – квантов на свободных или слабосвязанных электронах называется комптон–эффектом. В результате рассеяния изменяется направление движения g – кванта и уменьшается его длина волны:
Dl = l2 – l1
Вероятность комптоновского эффекта при Еg >>m0c2 (m0c2 – энергия покоя электрона) равна dкомп» .
в. О Б Р А З О В А Н И Е П А Р
Третьим процессом, приводящим к ослаблению g – излучения при прохождении через вещество, является процесс образования пар. Согласно современной теории, падающий g – квант полностью поглощается в области кулоновского поля ядра (или электрона), в результате чего возникает пара частиц: электрон–позитрон. Минимальная энергия фотона, необходимая для образования пары в области поля ядра, равна
Е = 2 Е0е = 2 m0 c2
Вероятность образования пары
dпар» Z5 l n Eg
Таким образом, поглощение g – излучения веществом и величина m обусловлена тремя рассмотренными процессами, каждый из которых, в зависимости от энергии g – излучения и свойств поглощающего вещества, вносит свой вклад в значение: m = mфот + mкомп + mпар. Величина mфот, mкомп, mпар, в свою очередь, определяется описанными выше вероятностями: m» mфот + mкомп +mпар.
Описание установки и порядок выполнения работы.
В данной работе необходимо проверить закон поглощения g – излучения в веществе, построить график зависимости изменения интенсивности J g – излучения от толщины поглотителя. По графику определить слой половинного поглощения для g – излучения данной энергии и рассчитать коэффициент линейного поглощения m. В качестве источника излучения используется радиоактивный изотоп С060 (Е = 1,17 МэВ).
При выполнении работы используются приборы и принадлежности: радиометр–спектрометр (см. рис. 1); свинцовый домик типа "ТУР 74019 Robotron – masselectrone»; источник g – излучения С060; набор пластин из оцинкованного железа (см. рис. 1). Радиометр–спектрометр состоит из сцинтилляционного датчика «Stintillation probe type – 484 В» и измерительного пульта «Nuclear analyzer – 482 В». Датчик присоединяется с помощью высоковольтного разъема (1) с измерительным пультом (1) и помещен внутри свинцового домика, напротив источника g – излучения С060.
Между источником гамма–излучения и сцинтилляционным датчиком в свинцовом домике имеются приспособления для установки пластин, которые служат поглотителем g – излучения. Толщина поглотителя регулируется числом пластин.
1 – высоковольтный разъем датчика
2 – измеритель скорости счетчика и напряжения батарей
3 – переключатель поддиапазонов измерителя скорости счета
4 – дисплей
5 – переключатель дисплея
6 – тумблер Reset–start–star (cбор – пуск – стоп)
7 – переключатель селекции времени измерения
8 – регулятор высокого напряжения
9 – регулятор порога анализатора
10 – регулятор ширины окна анализатора
11 – переключатель режима измерения
12 – тумблер напряжения питания
Порядок выполнения: (см. обозначения на рис. 1 и приборе).
1. Включить сеть (тумблер ОN – 12).
2. Установить высокое напряжение 1200 В на многооборотном патенциометре "High – Vоltage" 400....1400 ® 8.
3. На блоке «Analyzer» – установить тумблер «int– diff» ® 12 в положение «int», ручку потенциометра 2 DE ® 10 в положение 0.0, ручку потенциометра «Е» ® 9в положение 860.
4.Переключатель «rate» ® 3 поставить в положение 3 × 105.
5. Ручку переключателя «time» ® 7 поставить в положение «01».
6. Убедиться, что в свинцовом (защитном) домике нет пластин.
7.Тумблер «reset – start – stop» ® 6 поставить в положение «start». На экране дисплея 4 появится точка (отсчет начался) через 6 секунд (0,1минуты) на экране дисплея 4 высветится число, соответствующее количеству g – квантов, зарегистрированных детектором (датчиком) в отсутствие поглотителя. Это число n0 записать в таблицу.
8. Установить в защитный домик 3 пластины и повторить п.7. Записать число n1, которое высветится на экране дисплея. Оно будет соответствовать количеству g – квантов, прошедших 1–й поглощающий слой пластин.
9. Последовательно увеличивать число пластин, устанавливая в домик 6, 9, 12....i пластин и каждый раз повторять п.7, записывая значения n2, n3,......ni c экрана дисплея в таблицу.
10. По результатам измерения построить график зависимости ni/n0 = f (i) (по оси координат , по оси абсцисс – число пластин i). По графику определить слой половинного поглощения и вычислить значения m; для этого вычислить толщину поглотителя, соответствующую слою половинного поглощения: = id, где d – толщина пластины (кг/м3).
ПРИМЕЧАНИЕ.
Числа на экране дисплея высвечиваются в течении 4 секунд, если за это время Вы не успели записать показания, то необходимо нажать тумблер «Display» ® 5 вверх и на экране дисплея высветиться это число, оно будет на экране до тех пор, пока Вы не отпустите тумблер.