I. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Институт

Кафедра общей и теоретической физики

Мелешко И.В.

Методические указания

К лабораторной работе № 39

 

« поглощение радиоактивного излучения»

Тольятти 2007

Лабораторная работа № 39

Поглощение радиоактивного излучения

Ι. Цель работы:

1.Ознакомление с видами радиоактивного излучения.

2.Изучение взаимодействия радиоактивного излучения с веществом.

3.Оценка экстраполированного пробега электронов на примере β-излучения.

Приборы и принадлежности: счетчик Гейгера-Мюллера, источник β- излучения – радиоактивный препарат , свинцовые пластинки.

 

Задание для самостоятельной работы: проработать теоретический материал по темам «Радиоактивное излучение» и «Фундаментальные взаимодействия», используя учебные пособия:

 

1) Савельев И.В. В 3 т. Изд. 2-е. − М.: Наука, 1982. − Т. 3;

2) Трофимова Т.И. Изд. 5-е. − М.: Высшая школа, 1998.

 

I. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Радиоактивное излучение возникает в результате распада атомных ядер или при переходе ядер с более высокого на более низкий энергетический уровень. К основным типам радиоактивности относятся альфа-, бета- и гамма-распады.

Альфа-распад. В результате альфа-распада происходит самопроизвольное испускание ядром α-частицы (ядра ⁴He) по схеме

,

где X – символ материнского ядра, Y – дочернего. Тяжелые ядра с z > 83 часто оказываются нестабильными относительно альфа - распада. В настоящее время известно более 150 альфа - радиоактивных ядер, значительная часть которых - искусственные изотопы. В естественных условиях суще­ствует около 30 альфа - активных ядер в трех цепочках радиоактив­ных изотопов (урановый, актиниевый и ториевый ряды). Энергия альфа - частиц, испускаемых различными радиоактивными элементами, составляет примерно от 4 до 10 МэВ.

При прохождении сквозь поглотитель альфа - частицы тратят свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов поглотителя. Механизм потери энергии обусловлен, в основном, кулоновским взаимодействием полей альфа - частицы и связанных электронов поглотителя. Благодаря большой разнице масс взаимодействующих частиц альфа - частица практически не отклоняется от первоначального направления, то есть ее траектория прямолинейна.

Имеют место еще два процесса, благодаря которым альфа-частица может быть поглощена, или выведена из параллельно распространяющегося пучка — это ядерные реакции и рассеяние на атомных ядрах. Однако вклад этих процессов в ослабление пучка альфа - частиц пренебрежимо мал по сравнению с процессом возбуждения и ионизации атомов (сравните размеры атома и атомного ядра).

Альфа - частицы, имеющие одинаковую энергию, проходят в данной среде до полного замедления практически одно и то же расстояние. Например, пробег альфа - частиц в воздухе составляет несколько сантиметров. Величина пробега альфа - частиц может быть определена посредством наблюдения какого-либо их действия на различном расстоянии от источника излучения.

Бета-распад. При бета-распаде исходное ядро превращается в другое ядро с тем же массовым числом A, но с зарядовым числом Z, отличающимся от исходного на ±1. Это связано с тем, что β-распад сопровождается испусканием электрона (позитрона) или его захватом из оболочки атома. Различают три разновидности β-распада:

1. Электронный β ^- -распад, в котором ядро испускает электрон и его зарядовое число Z становится Z+1. Например ;

2. позитронный β ⁺ -распад, в котором ядро испускает позитрон и его зарядовое число Z становится Z-1;

3. K-захват, в котором ядро захватывает один электронов электронной оболочки атома (обычно из K-оболочки) и его зарядовое число Z становится Z-1. На освободившееся место в K-оболочке переходит электрон из другой оболочки, и поэтому K-захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Бета-распад является проявлением фундаментального слабого взаимодействия элементарных частиц. Характерной особенностью бета-распада является то, что электроны и позитроны, испускаемые атомными ядрами радиоактивного вещества, имеют всевозможные значения кинетической энергии от 0 до некоторой, вполне определенной максимальной энергии Е_max (граничной энергии бета-спектра). Значения Е_max для бета-частиц различных радиоактивных веществ сильно отличаются.

Механизм потерь энергии электронами, проходящими через вещество, отличается от механизма потерь энергии тяжелыми заряженными частицами. Наиболее сильно отличаются величины потерь энергии на излучение; эти потери несущественны для массивных частиц и являются доминирующими для электронов высокой энергии. При энергии электронов, значительно меньших критической энергии Е_кр., определяемой приблизительно формулой:

 Е_кр. » ,                                                              

где - зарядовое число тормозящих электронов атома, доминируют потери на процессы возбуждения и ионизации связанных электронов атомов поглощающего вещества. При энергиях выше критических преобладают потери на излучение. У нас поглощающим веществом является алюминий 13, следовательно, Е_кр. » 46 МэВ и основные потери обусловлены возбуждением и ионизацией. Электрон испытывает много актов рассеяния и при этом рассеивается на значительный угол из-за малой массы покоя. Тяжелые же частицы движутся практически прямолинейно. В случае пучка электронов интенсивность пучка убывает плавно и на всем его протяжении. Потому говорить об определенном пробеге R электрона не приходится. Можно ввести понятия максимального или экстраполированного пробега. Максимальным пробегом называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все частицы. Экстраполированный пробег R можно определить путем экстраполяции графика lnN от x на показания, соответствующие фону.

Гамма-распад. Этот вид распада заключается в испускании возбужденным ядром при переходе его в нормальное состояние γ-квантов (фотонов), энергия которых варьируется в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ. Существенно, что спектр испускаемых γ-квантов дискретный, так как дискретны энергетические уровни самих ядер.

При отсутствии ускорителей электронных частиц, -лучи можно получить только в процессе радиоактивного превращения ядер. При β- распаде ядра  получается ядро никеля.

 

 

Энергетическая схема ядер приведена на рисунке. Превращение ядра в ядро сопровождается излучением γ₁- квантов с энергией ~ 0,3 МэВ. Ядро никеля оказывается в возбужденном состоянии 4⁺ и переходит в невозбужденное состояние, излучая два каскадных (следующих один за другим) γ кванта с энергией 1,17 МэВ и 1,33 МэВ. Таким образом, в результате распада появляется три γ кванта с различной энергией.

Имеются три основных процесса взаимодействия γ - квантов с веществом:

1. Фотоэлектрический эффект.

2. Эффект Комптона.

3. Рождение электрон - позитронных пар.

Если энергия γ -кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Существенной особенностью фотоэффекта является то, что он не может происходить на свободном электроне, т. к. законы сохранения импульса и энергии в случае фотоэффекта на свободном электроне оказываются несовместимыми. Фотоэффект происходит с наибольшей вероятностью (около 80%) на электронах атомной оболочки, наиболее сильно связанной с ядром атома, т.е. на K-оболочке.

При энергиях гамма-кванта выше ~0.1 МэВ в веществе с малыми значениями Z и выше ~1 МэВ в веществах с большим Z главным механизмом ослабления первичного пучка гамма-квантов становится некогерентное рассеяние фотонов на электронах вещества (эффект Комптона). Комптон-эффект - это рассеяние γ -квантов на свободных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия γ -квантов во много раз превышает энергию связи электрона. Можно показать, что изменение длины волны -кванта при комптоновском рассеянии дается выражением

,

где  - комптоновская длина волны электрона, θ – угол рассеяния γ –кванта. При комптоновском рассеянии γ -квантов, возникших в результате переходов атомных ядер из возбужденных состояний в основное и низшие возбужденные, энергии γ -квантов, как правило, много больше как энергии связи электронов в атоме, так и кинетических энергий этих электронов.

Если энергия гамма-кванта превышает удвоенную энергию покоя электрона 2m_eс²=1,02 МэВ, становится возможным процесс образования пары, состоящей из электрона и позитрона. Можно показать, что одиночный квант любой энергии не может в вакууме превратиться в электрон-позитронную пару, так как при этом не выполняются одновременно законы сохранения энергии и импульса. Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса. Образование пар в поле ядра может иметь место, если энергия кванта удовлетворяет соотношению

где первый член справа соответствует энергии покоя пары электрон- позитрон, а второй - энергия отдачи ядра. Так как энергия отдачи ядра сравнительно мала, то энергия, определяемая первым членом, является порогом рождения пар (2m_eс² ≈1,022 МэВ).

Экспоненциальный закон поглощения. При прохождении моноэнергетического пучка частиц через вещество закон его ослабления часто можно представить в виде

,

где µ - линейный коэффициент ослабления. Величину 1/µ можно истолковать как длину пробега частицы в веществе. Логарифмируя последнее равенство, получим

.

Таким образом зависимость lnN от x линейная. Если построить график lnN(x) (x – ось абсцисс, lnN – ось ординат) то получится наклонная прямая. Построив на графике еще одну прямую lnN = lnN _ф (которая будет параллельна оси абсцисс; N_ф – показатель фона), найдем точку их пересечения. Координата x этой точки даст толщину слоя вещества, на котором излучение полностью задерживается. Она называется максимальной или экстраполированной длиной пробега.

Детекторы радиоактивного излучения. Наиболее известными детекторами радиоактивного излучения являются камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии, счетчик Гейгера.

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенных паров воды или спирта на ионах, которые возникают вдоль траектории частицы. Пересыщеность паров создается резким увеличением объема пара. В настоящее время камеры Вильсона практически не используются.

Пузырьковая камера, изобретенная Глезером, использует перегретую жидкость. Перегревание жидкости достигается быстрым понижением давления за счет движения поршня или диафрагмы. Заряженные ионы, возникающие за частицей, служат центрами кипения - пузырьками, которые затем фотографируются.

Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой цилиндрический конденсатор, наполненный газом под давлением нескольких мм. рт. ст. Внутренней обкладкой конденсатора служит тонкая металлическая нить, натянутая вдоль оси цилиндра. Чаще всего служит анодом. Катодом является цилиндрическая медная трубка, вставленная в стеклянный корпус соосно нити или напыляемая прямо на внутренние стенки трубки. Между обкладками конденсатора поддерживается высокое напряжение от 350 В до 1000 В, в разных конструкциях. В цилиндрическом конденсаторе создается неоднородное электрическое поле. Если в счетчик попадает частица, то на своем пути она ионизирует газ. Образовавшиеся электроны ускоряются электрическим полем и при столкновении с атомами газа сами ионизируют их. Новые электроны также ускоряются полем и.т.д.

Дозы ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение - поток элементарных частиц и/или квантов электромагнитного излучения, который:

- создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе;

- образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить не только слабые и потому безвредные ионизирующие излучения, но даже и те, которые представляют для него смертельную опасность. Поэтому важной для практики является задача изучения свойств ядерных излучений, особенностей их взаимодействия с веществом, выяснения влияния ионизирующих излучений на человеческий организм и разработка приборов, способных регистрировать такого рода излучения, измерять поток ионизирующих излучений и сообщать человеку о грозящей опасности.

Наименьшей проникающей способностью обладает альфа – излучение. Но оно же наиболее вредно для живых организмов. Это проявляется при попадании α-радиоактивного препарата внутрь организма. Естественные радиоактивные изотопы имеются в заметных количествах в почве и стенах зданий, в воздухе и в воде, в пище и в тканях человеческого организма, однако содержание их в природе во много раз меньше тех количеств, которые могут представлять опасность для здоровья человека. Биологическое действие излучения - биологические, физиологические, генетические и другие изменения в живых клетках и организмах в результате действия ионизирующего излучения и ультрафиолетовых лучей. В основе биологического действия излучения лежат:

- процессы ионизации и возбуждения молекул;

- радиационно-химические реакции;

- изменение функции ДНК.

Дадим в конце определения единиц измерения, характеризующих ионизирующее излучение.

Экспозиционная доза излучения - отношение суммарного заряда одного знака, созданного в воздухе при полном использовании ионизирующей способности излучения, к массе ионизированного воздуха.

Экспозиционная доза излучения представляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха.

Эквивалентная доза излучения - произведение поглощенной дозы излучения на коэффициент качества излучения, учитывающий неблагоприятные биологические последствия облучения в малых дозах. Единицей эквивалентной дозы излучения является зиверт.

Рентген - внесистемная единица экспозиционной дозы излучения (Р).

1 Р = доза экспозиционная доза излучения, при которой в результате полного ионизационного поглощения в 1 куб.см воздуха при нормальных условиях образуются ионы с общим зарядом 0.0000000003 Кл каждого знака.

1 P = в СИ = 0.000'258 Кл/кг

Биологический эквивалент рентгена - внесистемная единица эквивалентной дозы излучения.

1 бэр = доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновских или гамма-лучей в 1 Р.

Ампер на килограмм - единица мощности экспозиционной дозы излучения; мощность экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, при которой за время 1 с сухому атмосферному воздуху передается экспозиционная доза излучения 1 Кл/кг.

Кулон на килограмм - единица экспозиционной дозы излучения.

Кулон на килограмм = экспозиционная доза излучения, при которой в результате полного использования ионизирующей способности в 1 кг воздуха при нормальных условиях образуются ионы общим зарядом 1 Кл каждого знака.

1 Кл/кг = 3876 Р.

Грэй - единица поглощения дозы излучения.

1 Гр = поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

1 Гр = 1 Дж/кг.

Зиверт - единица эквивалентной дозы излучения.

1 Зв = эквивалентная доза излучения, при которой:

- поглощенная доза излучения равна 1 грэю;

- коэффициент качества излучений равен 1.

1 Зв = 1 Дж/кг.

Активностью радиоактивного препарата называется число актов распада ядер данного препарата в единицу времени. В системе СИ используется единица 1 Беккерель (Бк), что соответствует 1 распаду в секунду.