Проникающая способность излучений свойства излучений. Лабораторная работа №3а

1.

Лабораторная работа №3а
ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЙ
СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЙ
Давно известно, что целый ряд ядер (уран, радий) обладают способностью
самопроизвольно распадаться и испускать частицы. Такие ядра называют
радиоактивными. Различными свойствами обладают α-, β-, γ-излучения. Установлено
исследованиями, что α-частицы — это ядра гелия, β-частицы - электроны, γ-излучение кванты электромагнитного поля высокой частоты. Проникающая способность излучений
и, следовательно, толщина защитных экранов зависят от вида излучения, его энергии и
материала защиты.
Заряженные частицы (α, β), попадая в вещество, теряют энергию в соударениях с
атомами этого вещества. В большинстве этих соударений часть энергии налетающей
частицы передается одному из электронов атома, в результате чего происходит
возбуждение или ионизация атома. Гораздо реже импульс и кинетическая энергия
частицы передаются атому как целому - происходит упругое столкновение. Потеря
энергии на единице пути обратно пропорциональна квадрату скорости частицы 1/v 2 и не
зависит от ее массы. Поэтому, если α-частица и электрон имели одинаковую начальную
энергию (т.е. скорость тяжелой α-частицы в тысячи раз меньше скорости электрона), то
потери энергии α-частицы на три порядка выше. Из-за больших потерь длина пробега αчастицы в веществе невелика, и несколько сантиметров воздуха - достаточная защита от
α-излучения. Для поглощения излучения β-изотопа требуется экран толщиной несколько
миллиметров, например, алюминия или меди.
Основными процессами взаимодействия γ-излучения с энергией до 1 МэВ с
веществом являются фотоэффект и комптоновское рассеяние. При внутреннем
фотоэффекте вся энергия кванта передается одному из атомных электронов,
расположенных на внутренних оболочках (главное квантовое число n = 1 или n = 2). Атом
оказывается ионизированным, а γ-квант исчезает. Вероятность фотоэффекта
пропорциональна пятой степени атомного номера вещества и убывает с энергией.
Комптоновское рассеяние — это по образному сравнению М.Борна "игра в бильярд
фотонами и электронами". Происходит упругое рассеяние γ- кванта на электроне. При
этом часть энергии γ-кванта передается электрону, и направление движения кванта
меняется. Если мы имеем узкий пучок излучения, то рассеянный квант из пучка теряется.
Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в атоме, т.е.
его атомному номеру.
Все α-частицы, испускаемые ядрами одного типа, имеют одинаковую энергию.
Вследствие большой массы рассеиваются они слабо. В результате зависимость числа
прошедших частиц от толщины фильтра выглядит следующим образом: пока толщина
меньше пробега R, число частиц неизменно (уменьшается их энергия), а при x > R число
α-частиц равно нулю.
Поглощение β-частиц и γ-излучения хорошо описывается экспоненциальным
законом
N = N0 exp(-μ·x ),
(1)
где N - число частиц, попадающих в детектор, установленный за фильтром; N 0 число частиц, попадающих в детектор, в отсутствии фильтра; μ - коэффициент
поглощения. Величина коэффициента μ зависит от типа излучения (β, γ), энергии

2.

излучения и материала поглотителя. Следует еще обратить внимание на то, что N в
формуле (1) – средняя величина.
Поскольку процесс испускания частиц ядром случаен (случайны момент распада
ядра, направление вылета частицы) реальное число в конкретном опыте может быть
несколько меньше или больше среднего. Повторите одно и то же измерение несколько
раз, записывая результаты, и убедитесь в этом сами.
Нейтроны - частицы, составляющие вместе с протонами ядра, нейтральны.
Источником нейтронов может быть ядерный реактор или некоторые реакции. Например,
широко используются Po-Be источники: ядра полония, распадаясь, испускают α-частицы,
а последние выбивают нейтроны из ядер бериллия α + Be => n + C. Средняя энергия таких
нейтронов около 5 МэВ. Коэффициент поглощения нейтронов пропорционален площади
ядра, умноженной на концентрацию ядер μ = 4πR2n.
Если R=10-14 м, n=1025 1/м3, то μ=10-2 1/м - величина небольшая. Поэтому для
заметного ослабления потока нейтронов необходимы большие толщины защиты.
Радиоактивные ядра могут испускать как один вид частиц, так и несколько одновременно.
Характеристики радиоактивных ядер (энергии частиц приведены в МэВ).
Изотоп
Tl-204
In-115m
Pu-239
Cs-137
Po-210
Ac-223,226
U
тип частицы
β
γ
α
β+γ
α+γ
α+β
α+β+γ
α
5.1
5.3
6.0
4.4
β
0.765
0.51
1.17
1.21
γ
0.335
0.661
0.80
0.382
В вашем распоряжении установка для исследования проникающей способности
излучений. Она состоит из детектора частиц, регистратора числа частиц с таймером,
набора поглотителей и механизма их перемещений. Манипулятор устанавливает один из
радиоактивных источников на рабочее место. Частица, прошедшая поглотитель, вызывает
срабатывание детектора и увеличивает показания регистратора на единицу. Детектор
регистрирует частицы в течение 10 с после запуска. Поглотители - пленки из полиэтилена,
фольги из алюминия и свинца. На графике откладывается отношение сосчитанного числа
импульсов N к среднему числу импульсов, регистрируемых детектором в отсутствии
поглотителя N0 ср.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Загрузите модель экспериментальной установки
https://teachmen.csu.ru/work/atomic_new/radiation/index.html
2. Нажмите «Старт». Запишите номер радиоактивного источника, который манипулятор
установил в установку.
3. Измерьте количество частиц, регистрируемое детектором в отсутствие поглотителя N0,
нажимая кнопку «счет». Повторите измерение 3 раза, усредните значение (N0 ср.).

3.

4. Выберите подходящий поглотитель. Для этого сначала в качестве поглотителя выберите
свинец. Установите минимальную толщину поглотителя d = 0.2 мм. Проведите измерение
чиcла N прошедших частиц. Если N немного меньше или примерно равно N0 ср., то
дальнейшие измерения проводите со свинцом.
Если N в 3 и более раз меньше, чем N0 ср., то дальнейшие измерения проводите с
алюминием.
Если N = 0, то дальнейшие измерения проводите с полиэтиленом.
5. Установите выбранный поглотитель. Проведите измерения числа проходящих через
поглотитель числа частиц N, постепенно увеличивая толщину поглотителя. При каждой
толщине проводите измерения по 3 раза. Если с ростом толщины поглотителя N
изменяется незначительно, увеличьте шаг изменения толщины поглотителя d.
Продолжайте измерения до уменьшения числа проходящих частиц в 20 – 30 раз по
сравнению с N0ср. Результаты записывайте в таблицу.
№ изм.
d, мм
N1
N2
N3
Nср
Nср/N0ср
ln (Nср/N0ср)
1
0
–
–
2
3
4
…
…
6. Постройте графики зависимости Nср./ N0ср. от толщины поглотителя и логарифма Nср./
N0ср. от толщины поглотителя. Рассчитать по второму из них линейный коэффициент
поглощения излучения μ с энергией, задаваемой источником, для выбранного
поглотителя.
7. На модели установки нажмите кнопку «Сделайте выбор» и определите типа излучения.
Запишите. В выводе обоснуйте свой выбор.
8. Нажмите кнопку «Задачи», сохраните задачи (фото или снимок экрана), ответьте на
вопросы. Для отчета отметьте правильные ответы.

4.

9. Повторите п.п. 2 – 7 еще один или два раза.