Лабораторная работа N12 Изучение закона поглощения - излучения 1. Цель работы: изучить: а) основной закон радиоактивного распада; б) законы поглощения радиоактивного излучения веществом. 2. Содержание работы Радиоактивность — это процесс, при котором ядра атомов одного элемента превращаются самопроизвольно в ядра атомов другого элемента с излучением заряженных или нейтральных частиц. Явление было обнаружено в 1896 году Беккерелем. В дальнейшем установлено, что это излучение содержит три компоненты: He 42 , и , то есть -излучение – это поток ядер атомов гелия; -излучение бывает двух типов – в виде излучения электронов или позитронов; -излучение – электромагнитное излучение короткой длины волны. Принципиальная схема реакций (распадов): : X AZ YZA24 42 , X AZ YZA1 e 01 ~ 00 : A A X Z YZ1 e 01 00 , : X AZ* X AZ 00 , где Z – зарядовое число (число протонов, порядковый номер элемента); А – массовое число (число протонов и нейтронов в ядре); 00 ~ 00 – нейтрино (антинейтрино); – -квант. 0 0 Знак (*) означает, что материнское ядро обладает избыточной энергией (находится в возбужденном состоянии). Во всех распадах сохраняется массовое и зарядовое число. Радиоактивные - и -излучения для человека малоопасны, если источник излучения – вещество, -излучение обладает большой проница100 тельной способностью и из – за этого представляет большую опасность для биологических объектов. Элементы, обладающие естественной (природной) радиоактивностью, собраны в 3 семейства: 1) ряд урана; 2) ряд актиноурана; 3) ряд тория (заканчивается различными изотопами свинца). Искусственным путем можно сделать радиоактивным любой элемент. Для любого типа радиоактивности основной закон радиоактивного распада представляется в виде: N= N0 e- t , (1) где N0 – начальное число радиоактивных ядер; N – число ядер радиоактивного препарата в момент времени t (дочернее вещество считается стабильным, хотя, как правило, это не так); e = 2,7; – постоянная радиоактивного распада. Кроме -постоянной распада, используются характеристики: Т – период полураспада – время, за которое распадается половина радиоактивных ядер; – среднее время жизни, время за которое число радиоактивных ядер убывает в е раз. ln 2 0,69 . (3) T T 1. (4) Период полураспада меняется от долей секунды до многих тысяч лет. Число распадов в секунду называется активностью n: n dN N N 0 e t . dt (5) Единица измерения 1 Бк = 1 распад/секунда 1Ku = 3,7·1010 Бк. При взаимодействии излучения с веществом наблюдается поглощение, описываемое законом Бугера – Ламберта N N 0e kx , где N0 – число частиц, падающих на вещество; N – число ядер на глубине х; k – коэффициент поглощения; e = 2,7. 101 (6) Закон радиоактивного распада и закон поглощения можно представить на графике (рис.1, рис. 2): N N0 Ν N 0 e λt t Рис. 1 При описании поглощения иногда вместо толщины образца х используют массу единицы поверхности (поверхностную плотность вещества). N N0 N N 0 e kx x N0 N x Рис. 2 3. Описание установки Установка состоит из детектора излучений (на основе счетчика Гейгера), например, типа «Луч», источника - излучения, контейнера для хранения радиоактивных препаратов, набора металлической фольги или других поглотителей. 4. Порядок работы 1. Привести прибор в рабочее состояние («вывести на режим») и промерить фон радиоактивного излучения в лаборатории. Измерение проводить 3 раза в течение 2 минут. Данные занести в таблицу произвольного образца. Найти nср. 2. Для произвольного образца из контейнера найти активность nх. Учитывая геометрию счетчика, определить истинную активность n: n 200 nх (фоновой активностью пренебрегаем). 102 3. По известной активности препарата и известному Т (в нашем случае Т = 28 лет, массовое число А = 90) находим массу образца 0,69 m NA , T A nTA . m 0,69 N A При подстановке считаем NA = 6·10 23 1/моль A = 20010-3 Кг/моль 4. Заменить образец на стационарный, установить детектор, образец и рамку для поглотителя на одном уровне. Измерить n для нескольких случаев – при отсутствии поглотителя, при 1 листе, при 2 – х листах и т. д. 5. Заменить поглотитель и повторить измерения п. 5. 6. На осях (n, x) построить графики зависимости активности от толщины поглотителя для 2–х или 3–х материалов. Толщину поглотителя определить с помощью микрометра. 7. Используя табличные значения плотности поглотителя, построить график зависимости n(), где – поверхностная плотность вещества поглотителя. 8. Определить, какое вещество является лучшим поглотителем. n N 5. Контрольные вопросы 1. Что такое радиоактивность? 2. Записать принципиальные схемы , , -распадов. 3. Дать определение Т, n (активность), . 4. Объяснить основной закон радиоактивного распада. 5. Как найти число ядер, распавшихся за время t? 6. Записать закон поглощения излучения. 7. Чем отличается естественная и искусственная радиоактивность? 8. Как устроен счетчик Гейгера? 6. Литература 1. Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, Курс физики В 3-х ч. Ч. 3. — М.: Высшая школа, 1971. 2. Физический практикум. Электричество, оптика. Под ред. В. И. Ивероновой. — М.: Наука, 1968. 103