Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

 

 

Перед виконанням лабораторної роботи слід ознайомитись за інструкцією або за допомогою лаборанта з будовою і порядком роботи на перерахунковому приладі ПСО-2, 4.

1. Привести лабораторну установку в робочий стан, при цьому цифрове табло повинно висвічувати нулі.

2. Виміряти радіоактивний фон Nф. Час вимірювання фону t=100 с. Дослід проробити тричі.

3. Одержати у лаборанта досліджуваний і еталонний радіоактивні зразки. Протягом часу t = 100 с виміряти число імпульсів від кожного препарату. Кожний дослід виконати не менше трьох разів. Результати вимірювань фону і препаратів занести до таблиці: 

4. Визначити активність досліджуваного радіоактивного препарату, користуючись формулою:

5. Оцінити похибки вимірювань.

 

 

І. Який фізичний зміст сталої радіоактивного розпаду та який зв’язок має ця стала з періодом піврозпаду?

2. Вивести закон радіоактивного розпаду.

3. Які процеси відбуваються у ядрах при різних видах - розпаду?

4. Записати і дати пояснення правил зміщення для трьох видів - розпаду?

5. На якому принципі працює лічильник Гейгера-Мюллера?

6. В яких одиницях вимірюється активність радіоактивних препаратів?

 

 

Мета роботи: ознайомитись з експериментальним методом визначення лінійного коефіцієнта ослаблення гамма-квантів у речовині та визначити їх енергію.

Прилади і матеріали: експериментальна установка, до складу якої входять: перерахунковий пристрій, лічильник Гейгера; радіоактивний препарат Co60 та свинцеві пластинки.

 

 

Проходячи через речовину, - кванти рухаються зі швидкістю світла і або зовсім не взаємодіють з частинками речовини, або при взаємодії можуть віддавати повністю чи частково свою енергію. Механізм взаємодії -випромінювання буде розглянуто нижче.

Із проходженням пучка - випромінювання через речовину число - квантів в ньому поступово зменшується. Зменшується також інтенсивність цього випромінювання. Детальний аналіз показує, що інтенсивність - квантів у вузькому пучку при проходженні через речовину зменшується за експоненціальним законом:

І=І0е-х, (1)

де Іо – початкова інтенсивність;

І – інтенсивність пучка - квантів після проходження шару речовини товщиною х;

 – коефіцієнт ослаблення, який залежить від властивостей речовини і енергії -квантів.

Товщина шару поглинальної речовини, при якій інтенсивність падаючого пучка зменшується вдвоє, називається товщиною половинного ослаблення. Знайдемо цю величину:

Відомо біля десяти процесів взаємодії з речовиною, з яких основним є: фотоефект, комптонівське розсіювання і народження електронно-позитронних пар. Тому коефіцієнт ослаблення - квантів можна подати у вигляді суми трьох складових

=ф+к+п, (4)

де ф, к, п – лінійні коефіцієнти ослаблення відповідно за рахунок фотоефекту, комптонівського розсіювання і утворення електронно-позитронних пар. Для знаходження залежності коефіцієнта ослаблення від енергії -квантів і властивостей речовини зупинимось на процесах поглинання дещо детальніше.

Фотоефект

Електрон, який знаходиться в атомі, не можна вважати вільним. Між ним і ядром (а також і іншими електронами) діють сили взаємодії. Тому при поглинанні -кванта електроном, який знаходиться в атомі, деяка частина енергії імпульсу передається ядру атома.

Як показують розрахунки, в цьому випадку закони збереження енергії і імпульсу завжди можуть бути виконані одночасно. При цьому електрон набуває значної енергії і, як правило, залишає атом.

Енергія фотоелектронів дорівнює різниці між енергією  -кванта і енергією зв'язку даного електрона в атомі:

Ее = Е – Ее. з, (5)

де Е – енергія - кванта;

Ее. з – енергія зв'язку електрона в атомі.

Якщо електрон вилітає з внутрішньої електронної оболонки, то на неї переходить електрон з більш високої оболонки і заповнює вакансію. Різні енергії зв'язку електронів на цих двох оболонках є причиною появи рентгенівського випромінювання і електронів Оже, які мають незначну енергію. Поява рентгенівського випромінювання і електронів Оже, продовжується до тих пір, поки атом не повернеться в свій основний енергетичний стан. Фотоефект, електрони Оже і рентгенівське випромінювання викликають інтенсивну вторинну іонізацію при взаємодії з атомами поглинальної речовини. Імовірність процесу фотоефекту зменшується із збільшенням енергії - квантів і росте в залежності від росту порядкового номера поглинальної речовини в таблиці Менделєєва:

Фотоефект найбільш інтенсивний у випадку внутрішніх, міцно зв'язаних електронів і є домінуючим для енергій  -квантів, які не перевищують 0, 7МеВ.

Комптонівське розсіювання.

- кванти більш високих енергій взаємодіють швидше не з полем всього атома (як у випадку фотоефекту), а з окремим електроном. У цьому випадку поглинання електроном  - кванта миттєво закінчується випромінюванням нового  - кванта з дещо меншою енергією. Такий процес називають розсіюванням випромінювання на вільних електронах або ефектом Комптона.

Енергія розсіяного -фотона Е΄ при комптонівському розсіюванні дорівнює:

Е΄ = Е – Еек, (7)

де Е – енергія падаючого -фотона;

Еек – кінетична енергія розсіяного електрона.

Довжина хвилі розсіяного -фотона пов'язана з довжиною хвилі падаючого -фотона формулою Комптона:

де m0 – маса електрона;

с – швидкість світла;

h – стала Планка;

 – кут розсіювання;

' – довжина хвилі розсіяного -фотона.

Імовірність комптонівського розсіювання