12136

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №21 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФАЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ Цель работы: ознакомление с aраспадом освоение методики измерения энергии по длине пробега в воздухе. Объект исследования Используется препарат плутоний238 из набора учебных радио...

Русский

2013-04-24

141 KB

45 чел.

Лабораторная работа №21

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА

АЛЬФА-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ

Цель работы: ознакомление с a-распадом, освоение методики измерения энергии по длине пробега в воздухе.

Объект исследования

Используется препарат плутоний-238 из набора учебных радионуклидных (радиоактивных) источников закрытого типа “Плутон”, суммарная интенсивность которого не превышает минимально значимый по нормам радиационной безопасности (НРБ-76). Поток a-частиц с рабочей поверхности источника с радионуклидом плутоний-238 не менее 400 частиц в секунду.

ВНИМАНИЕ! До начала работы необходимо знать, что недопустимы нарушения целостности источника, изменение его конструкции, а также удары, воздействия твердыми или заостренными предметами на рабочую поверхность источника, его падение и другие механические повреждения. К работе допускаются лица, достигшие 18-летнего возраста. Во время работы с препаратом расстояние от глаз должно быть не менее 10 см.

Перед началом работы открыть защитный контейнер, извлечь из него a-источник, поместить препарат в центр измерительного столика и проводить измерения. Закончив работу, поместить препарат в контейнер и сдать на хранение лаборанту или преподавателю.

Используемое оборудование

Блок-схема измерительной установки (рис. 1) состоит из блока детектирования (сцинтиллятора с фотоумножителем ФЭУ-49Б) и измерителя скорости счета УИМ 2.

Рис. 1

Блок детектирования БДЗА2-01 обеспечивает регистрацию альфа-излучения в диапазоне энергий 4,13 – 5,15 МэВ. Эффективность регистрации блока при энергии 5,15МэВ при одном защитном слое без защитной решетки составляет 50%. В блоке детектирования используется сцитиллятор ZnS/Fg,
нанесенный на подложку из органического стекла. Альфа-частицы, попадая в слой люминофора
ZnS/Fg, называют появление вспышки света. Световые вспышки, попадая на фотокатод фотоумножителя, выбивают из катода электроны, которые “умножаются” в результате вторичной эмиссии на диодах фотоумножителя. Питание блока детектирования производится от источника постоянного напряжения 12 В, потребляемый ток 50 mA. Выходной сигнал блока детектирования имеет следующие характеристики:

полярность – отрицательная;

амплитуда – 2,5( 0,5) В;

длительность импульса не более 10,0 мкс;

форма импульса прямоугольная.

С блока детектирования импульсы подаются на измеритель средней скорости счета импульсов с автоматическим переключением поддиапазонов типа УИМ2. измеритель обеспечивает скорости счета в диапазоне от 0,3 до 30000 импульсов в секунду. Время установления рабочего режима не превышает 5 мин. Время установления показаний измерителя на 1–5 поддиапазонах (0,3–100 импульсов в с) не превышает 120 с, на 6–10 поддиапазонах (100–30000 импульсов в с) не превышает 10 с. Постоянная времени интегрирования на 1–4 поддиапазонах 20 с; на 5–10 поддиапазонах – 2 с. Предел допускаемой, основной погрешности измерения средней скорости счета 10 % от максимального значения поддиапазона измерения.

Альфа-распад

Альфа-частицы, или a-частицы, представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Они имеют заряд 2е, состоят из четырех нуклонов – двух протонов и двух нейтронов.

a-частицы возникают при радиоактивном распаде атомных ядер, а также в различных ядерных реакциях. Частицы с относительно небольшой энергией можно получить путем ионизации атомов гелия.

a-частицы часто используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных реакциях. При изучении рассеяния -частиц на тонких металлических пленках Резерфорд в 1911 году сделал вывод, что масса атома практически сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющим размеры порядка 10-13 см. Первая ядерная реакция с использованием α-частиц

 

была осуществлена в 1919 г.

На современных ускорителях получают пучки -частиц с энергией от нескольких до сотен мегаэлектронвольт. Альфа-частицы с такой энергией успешно используются для изучения атомных ядер.

Если радиоактивное ядро претерпевает -распад, то этот процесс протекает по схеме

,

где X – символ материнского ядра; Y – символ дочернего ядра.

Электрический заряд ядра при -распаде уменьшается на две единицы

,

т. е. образуется ядро элемента, стоящее в таблице Менделеева на две клетки левее исходного элемента.

Массовое число при этом уменьшается на четыре единицы:

.

В качестве примера -распада можно привести распад ядер плутония-238, при котором образуется ядро урана-234:

.

Основными характеристиками -распада, как и всякого другого радиоактивного процесса, являются: 1) область атомных ядер, у которых наблюдается этот распад, 2) период полураспада, 3) энергетический спектр испускаемых -частиц.

1. a-распад наблюдается лишь у достаточно тяжелых ядер, у которых А > 84, либо Z > 84. В таких ядрах имеется не менее двух нейтронов или двух протонов сверх замкнутой оболочки, соответствующей магическому числу 82.

2. Периоды полураспада -радиоактивных изотопов – самые разнообразные – от 10-6 с (радон-215) до 1,41017лет (свинец-204).

3. Энергия -частиц составляет 4-9 МэВ.

Необходимое (но недостаточное) условие -распада: энергия связи  материнского ядра должна быть меньше суммы энергий связи дочернего ядра и -частицы

.

Суммарная энергия, выделяющаяся при -превращении одного ядра, равна

.

При ΔW > 0 – распад возможен, при ΔW < 0 – запрещен.

Найдем, к примеру, энергию, выделяющуюся при -распаде некоторых ядер.

Энергия связи ядер  равна соответственно 1801,3, 1778,6, 28,3 МэВ, а удельная энергия связи 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно, -распад становится энергетически возможным только для тех ядер, для которых удельная энергия связи оказывается меньше 7,1 МэВ, что имеет место для ядер с массовым числом, превышающим 140.

Рис. 2

Энергетический спектр -частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, – дискретный. Это объясняется тем, что дочернее  ядро может возникнуть не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях, энергетический спектр которых, как уже говорилось, – дискретный. На рис. 2 изображены нормальный W0 и возбужденные W1, W2, W3 уровни энергии дочернего ядра.

Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоянии, то вся избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергииa- частицы и дочернего ядра

.

Найдем, в какой пропорции распределяется энергия W между a- частицей и дочерним ядром. Полагая, что до распада материнское ядро покоилось, по закону сохранения импульса имеем

,

откуда

.

W и Wy равны соответственно

, .

Решая уравнения совместно, получим

.

Так как масса дочернего ядра в десятки раз больше a-частиц, то большую часть энергии уносит a-частица (эта группа a-частиц на рис. 2 обозначена через a0).

Если дочернее ядро возникает в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия дочернего ядра a-частицы составит часть WK

,

где  – энергия возбуждения дочернего ядра.

При распаде ядер  72 % всех a-частиц (частицы a0) соответствуют невозбужденному дочернему ядру, 27,89 % (a1) – первому возбужденному состоянию, 0,1 % (a2) – второму возбужденному состоянию и менее 0,006 % – всем остальным возбужденным состояниям.

Время жизни a-возбужденных ядер составляет  с. По истечении этого времени возбужденное ядро, как правило, испускает γ-квант и переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние. Энергия
γ-кванта равна разности энергий
Wi и Wj уровней, между которыми происходит переход:

.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другим способом. Возбужденное ядро может испускать какую-либо частицу – протон, нейтрон и т. д. Оно может отдать избыточную энергию одному из электронов атомной оболочки, в результате чего этот электрон вылетит из атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. Освободившееся после вылета электрона состояние заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней, вследствие чего возникают характеристические рентгеновские лучи.

a-частица образуется из двух протонов и двух нейтронов непосредственно в ядре. Покидая ядро, она преодолевает потенциальный барьер, существующий у поверхности ядра и обусловленный ядерным и кулоновским взаимодействием a-частиц с ядром. Кривая потенциальной энергии
a-частицы в функции расстояния от центра ядра изображена на рис. 3. Внешняя ветвь барьера обусловлена кулоновскими силами отталкивания
a-частицы и дочернего ядра, внутренняя – ядерными силами притяжения.

Рис. 3

Высота потенциального барьера всегда несколько больше энергии, которой обладает a-частица в ядре. С точки зрения классической механики преодоление a-частицей потенциального барьера при этих условиях невозможно. По квантовой теории a-частица может просочиться сквозь барьер благодаря туннельному эффекту. Использование теории туннельного эффекта для объяснения a-распада приводит к результатам, согласующимся с экспериментом.

Мы рассмотрели наиболее распространенный случай a-распада, когда a-частицы испускаются материнскими ядрами из невозбужденных состояний. Коротко живущие a-активные ядра могут испускать a-частицы, находясь в возбужденном состоянии. Однако вероятность таких процессов мала. Чаще всего возбужденные ядра переходят в нормальное состояние, испуская не a-частицы, а γ-кванты.

Взаимодействие альфа-частиц с веществом

Основными силами взаимодействия -частиц с веществом являются кулоновские силы, основными процессами взаимодействия – процессы упругого рассеяния и ионизационного торможения.

Упругое рассеяние – это такой процесс взаимодействия двух частиц, при котором суммарная кинетическая энергия обеих частиц сохраняется и происходит лишь перераспределение ее между частицами. При этом сами частицы изменяют направление своего движения, т. е. происходит процесс рассеяния.

Проходя через вещество, -частицы почти не рассеиваются на электронах среды из-за своей большой массы, а рассеиваются на ядрах атома. Опыт по изучению рассеяния -частиц сыграли историческую роль в развитии представлений о строении атомов. Основываясь на наблюдении больших
углов рассеяния > 90
, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд сосредоточен в очень малом объеме радиусом порядка 10-13 см. Отсюда и возникла впервые “ядерная” модель атома, согласно которой атом подобен планетарной системе: в центре – ядро, вокруг которого вращаются электроны. При торможении заряженной частицы энергия расходуется на ионизацию и возбуждение атомов среды, через которую она проходит. Пробег частицы R можно определить как расстояние, которое она проходит до момента полной потери энергии. Характерной особенностью -частиц является существование у них определенного пробега: треки -частиц одинаковой энергии в камере Вильсона представляют собой прямые линии одной и той же длины с небольшим разбросом в ту или другую сторону. Величина пробега частиц определяется теми потерями энергии, которые происходят при их движении. На опыте (рис. 4) можно убедиться, что -частицы, вылетевшие из источника с одинаковыми скоростями, имеют несколько различные пробеги.

Рис. 4

Если исследовать пучок -частиц, например, при помощи флюоресцирующего экрана, и подсчитывать число сцинтилляций, увеличивая постепенно расстояние между источником и экраном, т. е. заставляя -частицы проходить все больший слой воздуха, то оказывается, что число частиц N в пучке остается постоянным, (график идет параллельно оси r) до определенного расстояния Rо, а затем постепенно уменьшается до нуля по кривой с некоторым наклоном. Если эту кривую продифференцировать и построить величину  в зависимости от толщины слоя воздуха (r), то получится кривая (2). Эта кривая имеет максимум при , показывающий, что подавляющее большинство -частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом. Разброс пробега объясняется  флюктуацией числа атомов, встречающихся на пути -частицы. Число ионов, созданных частицей, и потеря ее энергии при этом будет зависеть от числа столкновений с атомами.

Второй причиной разброса является перезарядка частиц при ее движении через среду. Если направить пучок -частиц через камеру Вильсона
с малой скоростью (пропустив их предварительно через фильтры перед камерой), то в треках
-частиц можно видеть разрывы – это участки пути, на которых они являются нейтральными. При прохождении -частиц через вещество к ним может примкнуть один или два электрона. Таким образом, на всем пути частица имеет разный заряд. Опытами установлено, что быстрая
-частица движется, в основном, как двухзарядный ион, при уменьшении скорости она будет терять заряд, двигаясь как однозарядный ион или даже как нейтральная частица. Естественно, что перезарядка вызывает дополнительные флюктуации пробега.

Помимо среднего значения пробега -частиц, существует понятие экстраполированного пробега, который получается путем продолжения почти прямой линии спада до пересечения ее с осью r (рис. 4). Величина, соответствующая точке пересечения, принимается за величину экстраполированного пробега Rэ. Этот пробег всегда больше, чем средний Rср. Величина пробега частиц определяется потерями энергии, которые происходят при их движении. Потери эти различны для различных скоростей частиц. При скоростях -частиц (1–2,5)109 см/с и энергии (4–15) МэВ можно использовать закон Гейгера

,

где Rэ – в см, W – энергия в МэВ.

Пробеги -частиц, испускаемых естественно – радиоактивными элементами и имеющих энергии(4-10) МэВ, удовлетворяют закону Гейгера.

Порядок выполнения работы

1. После проверки работы установки надо поместить препарат плутоний-238 на центр столика и поворачивая столик, приблизить его к блоку детектирования.

2. Произвести измерение скорости счета (N), учитывая показания стрелочного прибора и величину множителя (красные цифры на шкале прибора и соответственно красные цифры множителя, черные цифры шкалы – светлые цифры множителя).

3. Увеличивая расстояние от детектора на 1 мм (поворачивая столик на 1/3 оборота), произвести измерение скорости счета импульсов. Результаты измерений занести в таблицу (N, r). Измерения продолжить до прекращения счета.

4. По результатам измерений построить график зависимости скорости счета -частиц N от расстояния до детектора r и определить величину экстраполированного пробега Rэ в см.

5. Увеличить Rэ на 2,1 см (учет недоступности расстояния и ослабления защитной пленки). По формуле (1) рассчитать энергию -частиц.

6. В отчете привести таблицу, график зависимости скорости счета импульсов от расстояния, расчет величины пробега и энергии -частиц.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементарных частиц состоят ядра атомов? Характеристика их основных свойств и сил взаимодействия между частицами в ядре.

2. Что называется энергией связи ядер? В чем заключается туннельный эффект? Квантовая природа туннельного эффекта.

3. Каковы условия существования -распада? Описать это явление.

4. Какие виды потерь энергии возможны при прохождении -частиц через вещество?

5. Что называется длиной пробега -частиц? От чего она зависит?

6. На каком принципе основана регистрация -частиц? Объяснить назначение всех элементов измерительной установки.

Библиографический список

к лабораторной работе №21

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 3. – § 71.

2. Трофимова, Т. И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа,2003 – гл. 32

3. Савельев, И. В. Курс общей физики.: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 5. – гл. 10

4. Белонучкин, В. Е. Основы физики / В. Е. Белонучкин, Д. А. Заикин, Ю. М. Ципенюк. – М., 2001. –Т. 2. – ч. 4 гл. 1.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20583. Перехід до нової економічної політики та її здійснення в Україні 38 KB
  Сюди на цей раз надовго повернулася радянськобільшовицька влада. Радянська влада жорстоко розправлялася з незадоволеними більшовицькою політикою. Але більшовицька влада не була б такою коли б вона дала змогу реалізувати цю політику в усіх її вимірах. Радянськобільшовицька влада поверталася до традиційно тоталітарних методів керівництва й управління.
20584. Політика українізації та коренізації: суть, причини, наслідки 28.5 KB
  Політика українізації та коренізації: суть причини наслідки. складовою частиною національнокультурних процесів в Україні була політика українізації що проводилася в роки НЕПу. Політика українізації була складовою частиною політики коренізацїі яку запровадило партійне керівництво на підставі рішень XII з'їзду РКПб квітень 1923 р. Для проведення українізації було створено комісію на чолі з секретарем ЦК КПбУ В.
20585. Проведення сталінської політики воєнного-комуністичного штурму в Україні: результати, наслідки 35.5 KB
  складовою частиною національнокультурних процесів в Україні була політика українізації що проводилася в роки НЕПу. Політика українізації була складовою частиною політики коренізацїі яку запровадило партійне керівництво на підставі рішень XII з'їзду РКПб квітень 1923 р. Для проведення українізації було створено комісію на чолі з секретарем ЦК КПбУ В. Українська Інтелігенція стала рушійною силою українізації.
20586. МАКРОЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ НА ТОВАРНОМ РЫНКЕ В МОДЕЛИ СОВОКУПНЫХ ДОХОДОВ И РАСХОДОВ 18.84 KB
  Располагаемый доход (Yd) – доход, остающийся после всех налоговых выплат. Средняя склонность к потреблению – это выраженная в процентах доля любого данного располагаемого дохода, идущая на потребление...
20587. Сталінський терор проти укр. народу в 20-30 рр. ХХ ст 38 KB
  На початку цього періоду боротьба за незалежність України завершилася поразкою. Кращі борці за волю України загинули. Найбільша частина України з населенням майже 40 мли стала об'єктом небаченого за своїми масштабами експерименту який на думку його ініціаторів мав на меті побудову найпередовішої в світі економічної та політичної системи. південні степові райони України.
20588. Соціально-економічний та політичний розвиток західноукраїнських земель в 1920-30-ті рр.. 32.5 KB
  українців у Чехословаччині 455 тис. у Румунії 790 тис. Українці проживали на території 146 тис. Українців звільняли з державних установ в тому числі і з повітових а на землях Галичини були поселені понад 200 тис.
20589. Заснування організації українських націоналістів ОУН. Розкол в ОУН. А.Мельник, С.Бандера 28 KB
  Заснування організації українських націоналістів ОУН. Розкол в ОУН. Не здійснилися та й не могли здійснитись сподівання ОУН на допомогу гітлерівської Німеччини у відновленні української державності. Спроба українських патріотів з числа членів ОУН проголосити ЗО червня 1941 р.
20590. Українське питання в міжнародних стосунках напередодні Другої світової війни. Пакт Молотова-Ріббентропа і українські землі. Похід червоної армії в західну Україну 36.5 KB
  Українське питання в міжнародних стосунках напередодні Другої світової війни. Це робило українське питання клубком серйозних суперечностей а українську карту серйозним козирем у дипломатичній грі. Українське питання у вузькому розумінні це питання про місце і роль українського чинника у внутрішньому житті держав до складу яких входили українські землі у широкому це питання про умови і механізм возз'єднання українських земель та створення власної української державності. Напередодні Другої світової війни чітко визначилися три групи...
20591. Німецько-фашистський окупаційний режим в Україні. Радянський партизанський рух у більшовицьке підпілля 55 KB
  Майже по 200 тис. осіб знищили гітлерівці в Янівському Станіславському Львівському Рівненському Проскурівському і Славутському майже по 100 тис. У Миколаєві в двох таборах Шталаг № 364 та Дулаг № 162 знищено ЗО тис. У Дарницьких таборах загинуло понад 130 тис.