12203

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОХОЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

Лабораторная работа

Физика

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОХОЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО Методические указания по выполнению лабораторной работы № 76 по оптике для студентов инженерно-технических специальностей

Русский

2013-04-24

130 KB

1 чел.

PAGE 7

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОХОЖДЕНИЯ

РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

Методические указания по выполнению лабораторной работы

№ 76 по оптике для студентов инженерно-технических

специальностей

Курск 2011

УДК 681.787.2

Составители: А.А. Родионов, В.Н. Бурмистров, Л.П. Петрова

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент В.М. Пауков

Изучение закономерностей прохождения радиоактивного излучения через вещество [Текст]: методические указания по выполнению лабораторной работы по оптике № 76 для студентов инженерно-технических специальностей / Курск. гос. техн. ун-т; сост.: А.А. Родионов, В.Н. Бурмистров, Л.П. Петрова. Курск, 211-=1. 8 с.: табл. 1. Библиогр.: с.8.

Содержат сведения по изучению прохождения радиоактивного излучения через вещество.

Методические указания соответствуют требованиям программы, утвержденной учебно-методическим объединением для студентов инженерно-технических специальностей.

Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать    . Формат 6184 1/16.

Усл.печ.л.      Уч.-изд.л.  Тираж 111 экз. Заказ.      Бесплатно.

Курский государственный технический университет.

315141 Курск, ул. 51 лет Октября, 94.


Цель работы: экспериментальная проверка закона поглощения излучения веществом и оценка эффективного сечения рассеяния.

Принадлежности: счетчик Гейгера-Мюллера, источник излучения, набор поглощающих материалов в виде пластин.

Теоретическое введение

Под радиоактивным излучением понимают поток заряженных частиц (α - частиц, электронов, позитронов, ионов и т.д.), нейтральных (нейтронов, нейтрино и др.) и γ – лучей, включая электромагнитные волны любого диапазона частот. Материя в любой форме своего существования в зависимости от конкретной ситуации в большей или меньшей степени проявляет свойства частиц. При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами этого вещества. Выделяют четыре типа фундаментальных взаимодействий. В сильном взаимодействии участвуют нуклоны (протоны и нейтроны), в электромагнитном – все заряженные частицы, в слабом – все частицы, кроме γ - квантов, гравитационным взаимодействием из-за малости масс частиц в данном случае можно пренебречь.

К классу сильных взаимодействий относятся ядерные силы. Между составляющими ядро нуклонами действуют особые силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Нуклоны в ядре испытывают сильное притяжение лишь при расстояниях не больше  м. В сильных взаимодействиях участвуют также π и κ - мезоны, гипероны, их античастицы и квазичастицы. Переносчиками ядерного (сильного) взаимодействия являются π - мезоны. Процесс прямого сильного взаимодействия характеризуется сечениями , а процессы распада с участием сильного взаимодействия имеют малые характерные времена с. Эти сравнительно большие сечения для сильного взаимодействия приводят к тому, что частицы при прохождении через среду эффективно выбывают из коллимированного пучка за счет процессов поглощения и рассеяния.

Электромагнитное взаимодействие относится к числу интенсивных взаимодействий природы, хотя оно слабее ядерного (сильного). В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные частицы. Переносчиками этого взаимодействия являются кванты электромагнитного излучения, которые в зависимости от энергии называются фотонами (световой диапазон), рентгеновскими лучами и γ - лучами. Кванты электромагнитного излучения возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружающим его электромагнитным полем. Форм проявления электромагнитного взаимодействия много. Для заряженных частиц – кулоновское рассеяние, ионизационное торможение, радиационное торможение, черенковское излучение; для γ - квантов – фотоэффект, эффект Комптона, образование электронно-позитронных пар, фотоядерные реакции. Электромагнитное взаимодействие в 111 – 1111 раз слабее ядерного. Поэтому процессы электромагнитного взаимодействия протекают в 111 – 1111 раз медленнее ядерных процессов и характеризуются периодами с. При прохождении заряженных частиц и γ - квантов через вещества наблюдаются большие потери энергии на электромагнитное взаимодействие.

Примером слабого взаимодействия является β - распад – это специфическое взаимодействие между нуклонами и окружающим их электронно-нейтринным полем, в процессе которого возникают или поглощаются электроны (позитроны) и антинейтрино (нейтрино). К числу слабых взаимодействий относятся также  - распад,  - распад, распады κ - мезонов и гиперонов. Слабые взаимодействия примерно в  раз слабее сильных, во столько же раз медленнее они протекают, т.е. их характерное время с. Слабое взаимодействие может проявляться и в процессах прямого взаимодействия, например, в процессе захвата нейтрино нуклоном. Сечение же взаимодействия таких процессов , поэтому, например, поток нейтрино, практически не поглощаясь, проходит сквозь Солнце.

В ядерной физике вводят понятие эффективного сечения . Рассмотрим поток частиц попадающих на мишень настолько тонкую, что ядра мишени не перекрывают (не затеняют) друг друга. Если бы ядра мишени были твердыми шариками с поперечным сечением , а налетающие частицы также твердыми шариками, но с исчезающе малым сечением, тогда вероятность попадания налетающей частицы в какое-либо ядро мишени:

,      (1)

где δ – толщина мишени, n – число ядер мишени в единице объема этой мишени. То есть,  – доля площади мишени, перекрытая ядрами мишени.

Пусть N – число частиц, пролетающих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению потока. Тогда число столкновений частиц с ядрами мишени равно:

, отсюда .

Представление о том, что ядра мишени – твердые шарики с площадью поперечного сечения в действительности заменяется понятием эффективного сечения для того или иного процесса. Толстую мишень разбиваем мысленно на тонкие слои толщиной . Для такого слоя имеем:

.

Здесь N(x) – поток частиц на мишень, долетевших до слоя мишени на глубине х. Отсюда получается:

,    (2)

где  – первичный поток частиц. Из (2) следует, что для определения сечения взаимодействия частиц с ядрами атомов мишени, нужно измерить ослабление пучка частиц  при прохождении его через мишень толщиной δ (не обязательно малой):

.     (3)

Для энергий налетающих частиц, превышающих 11 Мэв, эффективное сечение взаимодействия равно:

     (4)

где R – радиус ядра атома мишени. В результате опытов было установлено, что R = (1,3÷1,4) , где А – массовое число ядра.

Обычно закон радиоактивного поглощения (2) записывают в виде:

,     (5)

где  – коэффициент поглощения, равный  – доля поглощаемых частиц, приходящаяся на единичную толщину поглощающего слоя. При отсутствии источника излучения за время опыта счетчик регистрирует  частиц, связанных с космическим излучением и излучением отдельных предметов, поскольку в них в различных количествах присутствуют радиоактивные изотопы. Так, например, в состав мышечной ткани человека входит изотоп радиоактивного калия и т.д. Поэтому в (5) при определении N необходимо каждый раз вычитать . Из трех основных видов излучения α, β, γ в данной работе определяется коэффициент поглощения β - излучения.

Порядок выполнения работы:

1. Включить в сеть пересчетное устройство и нажать клавишу «сеть».

2. Нажать кнопки «N», «однократно», «311» (чтобы через 311 с счет автоматически прекратился).

3. Проверить, чтобы все остальные кнопки пересчетного устройства были в не нажатом положении.

4. Измерить количество импульсов фонового излучения за 311 с, нажав кнопку «пуск», и снять показания прибора , затем нажать кнопку «сброс».

5. Повторить пункт 4 ещё 3 раза и найти среднее значение .

6. Поставить источник излучения на предметный столик к счетчику и 3 раза измерить по пункту 4 число импульсов .

7. Поместить между источником излучения и счетчиком одну пластину толщиной  мм и вновь 3 раза найти число импульсов .

8. Повторить пункт 7 вначале для двух пластин, толщиной 14 мм, затем для трех. Заполнить таблицу:

Таблица 1.

n/n

N1

N2

N3

Nф

N1

1

2

3

среднее значение

9. Построить график зависимости  от х, где х – суммарная толщина слоя.

11. По тангенсу угла наклона этого графика найти:

.

11. Построить график зависимости числа поглощаемых частиц:

от x.

12. Сделать на основе найденной величины μ оценку значения . Здесь n можно рассчитать по формуле: , где ρ и Μ – плотность и молярная масса железа (ρ = 7811 кг/м3, Μ = 56·11-3 кг/моль). Полученное таким образом значение σ лучше всего подходит для потока нейтральных частиц на ядра атомов мишени.

Контрольные вопросы:

1. Структура и основные характеристики атомного ядра.

2. Энергия связи. «Прочность» ядра. Энергетическая возможность распада тяжелых и синтеза легких ядер.

3. Явление радиоактивности, α - распад, β - распад и его виды.

4. Прохождение излучения через вещество. Физические процессы, происходящие при прохождении через вещество:

а) тяжелых заряженных частиц;

б) легких заряженных частиц;

в) нейтральных частиц.

5. Методы регистрации заряженных и незаряженных частиц.

6. Цепная реакция деления ядер. Критическая масса.

7. Ядерный реактор. Проблемы энергетики.

8. Энергия звезд. Ядерные реакции, законы сохранения.

Библиографический список:

  1.  Савельев И.В. Курс физики. М.: 2006. Т.3.

2. Детлаф А.А. Яворский Б.М. Курс физики. М.: 2003.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9903. Симплекс-метод решения задач ЛП 86.5 KB
  Симплекс-метод решения задач ЛП Симплекс-метод предложен Дж. Данцигом в 1947 г. непосредственно применяется к общей задаче ЛП в канонической форме: Z = CTX min, при ограничениях X0, AX = B, B > 0, Любое неотрицательное решение...
9904. Двойственность в линейном программировании 47 KB
  Двойственность в линейном программировании Для любой задачи ЛП можно сформулировать двойственную задачу, являющуюся зеркальным отражением исходной задачи, т.к. она использует те же параметры, а ее решение может быть получено одновременно с решение...
9905. Нелинейное программирование 80.5 KB
  Нелинейное программирование § 1. Общая задача нелинейного программирования Как известно, общая задача математического программирования формулируется следующим образом: найти вектор Х=(х1, х2, ..., хn) удовлетворяющий системе ограничений gi (х1, х2, ...
9906. Принцип максимума. Классификация задач оптимального управления динамическими системами 106.5 KB
  Принцип максимума Вторым направлением в теории решения задач управления является принцип максимума. Это метод в отличие от классического вариационного исчисления позволяет решать задачи управления, в которых на управляющие параметры наложены весьма ...
9907. Применение интерполяционных формул Ньютона при решении химико-технологических задач 309 KB
  Применение интерполяционных формул Ньютона при решении химико-технологических задач. Цель работы. Располагая таблицей данных, полученных в результате некоторого химического или технологического эксперимента, научиться выполнять интерполя...
9908. Определение амплитуд и частот колебаний аппаратов химических технологий 262.5 KB
  Определение амплитуд и частот колебаний аппаратов химических технологий. Цель работы.Известно,что в процессе эксплуатации различных химических аппаратов, трубопроводов и приборов появляются всевозможные вибрации (колебания). ...
9909. Составление дифференциального уравнения, описывающего химико-технологический процесс и его решение методом конечных разностей. 198.5 KB
  Составление дифференциального уравнения, описывающего химико-технологический процесс и его решение методом конечных разностей. Цель работы. Значительное количество химических и технологических процессов можно описать дифференциальными уравнени...
9910. Древнегреческий героический эпос и Илиада Гомера 168 KB
  А.И. Зайцев Древнегреческий героический эпос и Илиада Гомера Как мы узнали в результате многолетних раскопок, начатых в 1870 г. Генрихом Шлиманом и законченных перед второ...
9911. Драматургия Еврипида и конец античной героической трагедии 196.5 KB
  В. Н. Ярхо Драматургия Еврипида и конец античной героической трагедии   Трагичнейшим из поэтов назвал Еврипида Аристотель, и многовековая посмертная слава последнего из триады великих афинских трагиков, по-видимому, целиком...