Поглощение радиоактивного излучения веществом

Механизм поглощения при взаимодействии g-излучения с веществом бывает различным в зависимости от энергии (частоты) проходящей волны (фотона). Гамма-кванты могут взаимодействовать с веществом различными способами:

· выбивая электроны из атомов (фотоэффект);

· сообщая электронам часть своей энергии при упругом столкновении (эффект Комптона).

· образуя электрон-позитронные пары (гамма-квант превращается в электрон и позитрон).

· поглощаясь ядром атома с испусканием последним протона или нейтрона (ядерный фотоэффект).

Величина коэффициента поглощения g-квантов в веществе зависит от их энергии. Чем меньше энергия квантов, тем больше коэффициент ослабления. При малых энергиях (h n < 100 кэВ) основной вклад в поглощение вносит фотоэффект, то есть поглощение g-кванта одним из электронов в атоме, причём энергия кванта преобразуется в основном в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома.

Если энергия g-квантов лежит в пределах (10²...10³) кэВ, то наиболее существенную долю в их поглощение вносит эффект Комптона, то есть рассеяние фотонов на свободных или на слабо связанных в атоме электронах. При этом уменьшается энергия квантов и изменяется направление их движения.

При энергии кванта h n > 1,02 МэВ = 2 m _е c ² (m _е – масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероятность этого процесса пропорциональна энергии фотона и при энергии  h n > 10 МэВ основным процессом поглощения g-лучей в любом веществе оказывается образование пар.

Если энергия фотона Е _g ³ 5 МэВ, то в механизме поглощения g-лучей преобладает взаимодействие с ядром (ядерный фотоэффект) и образование пар электрон – позитрон.

Энергию любого монохроматического излучения можно представить как произведение числа квантов N на энергию e = h n одного кванта: W = Nh n. При прохождении g-лучей через вещество происходит ослабление их интенсивности, то есть уменьшение числа квантов.

Обозначим через n число g-квантов, дошедших за единицу времени до слоя dx (рис. 7.1); после прохождения слоя dx число квантов вследствие поглощения сократится на dn. Убыль числа квантов будет пропорционально числу n упавших квантов и толщине слоя:

dn = – m n dx,

(7.1)

где m – коэффициент пропорциональности, называемый линейным коэффициентом поглощения или ослабления. Из формулы (7.1) следует, что линейный коэффициент поглощения

,

(7.2)

то есть он численно равен относительному изменению числа фотонов при прохождении слоя вещества единичной толщины. Величина m зависит от свойств вещества и от энергии квантов излучения. Разделяя переменные в уравнении (6.1) и интегрируя его по x от 0 до b и по n от n ₀ до n, получаем

,

(7.3)

где n – число g-квантов, прошедших преграду толщиной b; n ₀ – число g-квантов, упавших на вещество (см. рис. 7.1).

Равенство (7.3) несложно привести к виду y = kx + с, где y = ln n, x = b. Это даёт возможность рассчитать m по графику зависимости ln n (b). Прежде, чем приступить к работе, начертите примерный вид этого графика, подумайте, как найти m. Потенцирование этого уравнения даёт закон поглощения любых электромагнитных волн (получите его!), независимо от их частоты. Разница (и весьма значительная!) будет лишь в величине m.

Линейный коэффициент ослабления в одной и той же среде монотонно уменьшается с увеличением энергии (частоты). Вместе с тем, величина m зависит и от среды (вещества), в которой распространяется излучение: чем больше плотность вещества, тем больше коэффициент поглощения, поэтому наряду с m вводят массовый коэффициент поглощения m_м = m/r. Для оценки поглощательных свойств материала пользуются также понятием слоя половинного ослабления

.

(7.4)

Как следует из названия данной характеристики, слой половинного ослабления соответствует такой толщине материала, которая в два раза ослабляет проходящее через него радиоактивное излучение.

Описание установки

Для регистрации гамма-лучей и бета-частиц применяются счётчики Гейгера – Мюллера.

Рабочий объем счётчика – газоразрядный промежуток с сильно неоднородным электрическим полем. Чаще всего применяют коаксиальные цилиндрические электроды: внешний цилиндр – катод; тонкая нить, натянутая вдоль его оси – анод (рис. 7.2). Электроды заключены в герметичный резервуар, наполненный газом до давления 100-200 мм рт.ст. К электродам прикладывается напряжение в несколько сотен вольт.

Попав в пространство между электродами b-частицы или кванты g-лучей, сталкиваясь с атомами газа ионизируют их (выбивают из них электроны). Образующиеся вследствие ионизации свободные электроны, начинают двигаться под действием электрического поля с ускорением к нити. Вблизи нити напряженность электрического поля велика, и электроны ускоряются настолько, что начинают, в свою очередь, ионизировать газ.

В связи с этим, по мере приближения к нити число электронов лавинообразно нарастает. Возникает импульс тока – коронный разряд, распространяющийся вдоль нити. Для гашения этого разряда в цепь включают большое сопротивление R 100 МОм (рис. 7.2).

Электрические импульсы, возникающие при попадании частиц в счётчик, во внешней цепи усиливаются и регистрируются. При выполнении данной работы используется установка типа "ТИСС", которая является переносным лабораторным радиометром. Она обеспечивает регистрацию импульсов тока, поступающих от газового счётчика. Эти импульсы усиливаются и приводят в действие электромеханический счётчик. Установка работает от сети переменного тока.

Выполнение измерений

Задание 1. Определение радиоактивного фона

Приступая к работе, необходимо знать, что источником радиоактивного излучения может служить окружающая нас среда: воздух, космические лучи, поверхность Земли – на ней всюду имеются радиоактивные атомы. Поток ионизирующего излучения зависит от географического положения, наличия солнечного излучения, от загрязненности атмосферы, залегания руд. Все это создает так называемый радиоактивный фон.

Проверьте, нет ли возле счётчика Гейгера радиоактивного препарата. Включите прибор, и когда он прогреется (минут через 5), приступите к счёту числа импульсов за 3 минуты, замеряя время по секундомеру. Данные измерений запишите в табл. 7.1. Всего сделайте два измерения фона: одно – до измерений с радиоактивным препаратом, второе – после измерений с препаратом.

Таблица 7.1

Время измерения	Общее число импульсов		Число импульсов в минуту		Среднее значение фона
t, мин	N ф		n ф		á n фñ
3
3

Задание 2. Определение линейного коэффициента поглощения

Для проведения измерений установите контейнер с радиоактивным препаратом перед счётчиком, сначала без преграды между ними, и определите интенсивность излучения радиоактивного препарата (n ₀). Затем, разделяя счётчик и препарат пластинкой из рекомендуемого материала, определяйте число g-квантов n, прошедших сквозь преграду. Для того, чтобы построить график, следует взять не менее пяти различных значений b и определить соответствующие значения n. Данные занесите в табл. 7.2.

Примечание. Для обеспечения достаточной точности измерений число импульсов N за время измерения t должно быть порядка 1000. Подумайте, что делать с фоном!

Таблица 7.2

№ п.п.	b,	t,	N	N 1	n	ln n

Здесь b — толщина преграды; N – число зарегистрированных импульсов за время измерения t; N ₁ = N / t – число импульсов в минуту; n –   число импульсов от радиоактивного препарата (без фона), прошедших через преграду за минуту.

Анализ и обработка результатов измерений

1. Рассчитайте значения N ₁, n, ln n и заполните табл. 7.2.

1. По данным табл. 7.2 постройте график зависимости ln (n)от   b и определите по нему линейный коэффициент ослабления m для данного излучения, а затем и массовый коэффициент ослабления m_м этого излучения.

2. Вычислите толщину b _1/2слоя половинного ослабления и проверьте, соответствуют ли её значение данным в табл. 7.2. Напишите это в выводе.

3. По найденному в задании 2 линейному коэффициенту поглощения определите энергию g-квантов при помощи графика зависимости коэффициента поглощения от энергии g-квантов. Этот график Вы можете увидеть в Приложении II или на стенде в лаборатории.

3. Определите частоту и длину волны гамма-излучения и сравните их с соответствующими значениями для видимого света.

 

Контрольные вопросы

1. Назовите составные части лабораторной установки и их назначение.

2. Какие величины измеряются в данной работе непосредственно? Какие вычисляются?

3. Объясните устройство и принцип действия счётчика Гейгера-Мюллера.

4. Выведите закон, определяющий поглощение излучения в веществе, потенцируя выражение (7.3).

5. Сравните частоту g-лучей с частотой рентгеновских и видимых лучей. Рассчитайте энергию квантов этих типов излучения.

6. Какова размерность линейного и массового коэффициентов ослабления?

7. Объясните физическую природу и назовите источники гамма-излучения.

8. Какие процессы происходят в веществе при поглощении гамма-лучей с различной энергией?

9. Как зависит линейный коэффициент ослабления от частоты гамма-излучения? От плотности вещества?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1982. – Т. 2.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1982. – Т. 3.

3. Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.В. Детлаф. – М.: Наука, 1988.

4. Ландсберг, Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М.: Наука, 1976.

5. Кортнев, А.В. Практикум по физике / А.В. Кортнев, Ю.В. Рублев, А.Н. Куценко. – М.: Высшая школа, 1965.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................ Работа 1. Определение дисперсии стекла оптической линзы................... Работа 2. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки.................................................................................. Работа 3. Изучение законов внешнего фотоэффекта................................. Работа 4. Определение коэффициента черноты вольфрама...................... Работа 5. Изучение поляризации света........................................................ Работа 6. Градуировка монохроматора и определение постоянной Ридберга.............................................................................................. Работа 7. Определение характеристик радиоактивного излучения.......... Библиографический список.......................................................................... Приложения...................................................................................................

3 7 11 15   19 25 28

Приложение I

 

Приложение II

 

Приложение III