Механизмы возникновения гамма - излучения при радиоактивных распадах

Измерение коэффициента поглощения гамма-излучения

2. Указания по подготовке к работе:

При подготовке к работе необходимо:

2.1. Законспектировать, проработать и изучить данное руководство.

2.2. Познакомиться с рекомендуемой литературой.

2.3. Уметь изображать принципиальную схему лабораторной установки и объяснить принцип ее работы.

2.4. Знать установку и методику измерения коэффициента поглощения, уметь вывести расчетную формулу.

2.5. Уметь ответить на контрольные вопросы.

3. Основные теоретические положения.

Механизмы возникновения гамма - излучения при радиоактивных распадах.

Явлением радиоактивности называется самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием радиоактивного излучения. К таким процессам относятся: 1) α- распад; 2) β- распад; 3) γ - излучение ядер; 4) спонтанное деление тяжелых ядер.

α - распад ядер связан с испусканием α - частиц, представляющих собой ядра атома гелия . Этот процесс сопровождается уменьшением массового числа нуклонов на четыре единицы и зарядового числа на два. Символически такая реакция записывается следующим образом:

где - некоторое распадающееся (материнское) ядро;

- образовавшееся (дочернее) ядро.

Как правило, α - распад сопровождается γ - излучением.

β- распад ядер связан с испусканием ядром электрона или позитрона с соответствующим изменением заряда ядра. Массовое число при этом сохраняется. Первый вид распада (электронный распад) символически записывается следующим образом:

где: - электрон, - антинейтрино.

Второй вид - распада (позитронный распад) происходит по схеме:

где: - позитрон (антиэлектрон), - нейтрино.

Спонтанное, то есть самопроизвольное, деление тяжелых ядер на две приблизительно равные части влечет за собой испускание нейтронов и цепочку радиоактивных превращений, сопровождаемых радиоактивным излучением.

Возникновение гамма-излучения при α - и β - распадах объясняется тем, что ядра, образующиеся в результате радиоактивных распадов, могут находиться в возбужденном состоянии. Переходя в состояние с меньшей энергией, ядра испускают гамма - кванты, энергия которых равна разности энергий ядра до и после перехода. Спектр гамма-квантов (их распределение по энергиям) линейчатый, что обусловлено дискретностью энергетических состояний атомных ядер.

γ - излучение представляет собой поток фотонов большой энергии с длиной волны (для сравнения вспомним, что диапазон длин волн видимого света ). При взаимодействии с веществом гамма-излучение проявляет четко выраженные корпускулярные свойства и его можно рассматривать как поток фотонов (гамма - квантов).

3.2. Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом.

При прохождении через вещество радиоактивное излучение теряет свою энергию, постепенно поглощаясь веществом. Проникающая способность излучения зависит от типа излучения, природы вещества и других факторов.

Особенно сильно поглощаются веществом α частицы: в газах при нормальном давлении их пробег составляет несколько сантиметров, а в твердых веществах - доли миллиметра, β- частицы поглощаются веществом несколько меньше: например, они полностью поглощаются пластинкой алюминия толщиной в несколько сантиметров. Заряженные α - и β - частицы теряют свою энергию из-за многократных столкновений с атомами вещества, приводящих к возбуждению и ионизации этих атомов.

Гамма-излучение имеет значительно большую проникающую способность, чем α - и β - излучения. Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются (изменяют направление своего движения). Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество, являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электронно-позитрон-ных пар.

Фотоэффект - процесс неупругого взаимодействия гамма-излучения с веществом, при котором падающий фотон поглощается атомом и передает свою энергию одному из электронов, выбивая его из атома. Фотоэффект происходит на связанных электронах (когда энергия связи электрона в атоме сравнима с энергией фотона), поэтому по мере увеличения энергии фотонов вероятность фотоэффекта уменьшается. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий гамма-квантов (E < 0,1МэВ для алюминия и E < 0,5МэВ для свинца).

При более высоких значениях энергий гамма-квантов вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом их взаимодействия с веществом становится комптоновское рассеяние - процесс упругого взаимодействия фотона со свободным электроном (электрон можно считать свободным, если энергия фотона существенно превышает энергию связи электрона в атоме). В результате взаимодействия падающий фотон передает часть энергии электрону и изменяет направление своего движения (рассеивается).

Образование электронно-позитронных пар может происходить при прохождении фотона с энергией E > 1,02МэВ (удвоенная энергия покоя электрона) в электрическом поле атомных ядер. При этом фотон исчезает, и вся его энергия распределяется между образовавшимися электроном и позитроном. Вероятность этого процесса увеличивается с ростом энергии фотона.

В результате всех этих процессов при прохождении через вещество поток гамма-излучения ослабляется. Электромагнитное излучение характеризуется интенсивностью , величиной, представляющей собой энергию, переносимую фотонами в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения излучения.

Уменьшение интенсивности гамма-излучения при прохождении бесконечно тонкого слоя вещества пропорционально толщине этого слоя и интенсивности падающего излучения :

, (1)

где - линейный коэффициент ослабления, зависящий от природы поглощающего вещества и энергии фотонов падающего излучения.

Интегрируя уравнение (1), можно получить закон ослабления излучения слоем вещества толщиной :

, (2)

где и - интенсивность излучения до и после прохождения слоя вещества толщиной d соответственно, k - линейный коэффициент поглощения.

Для характеристики ослабляющей способности вещества используется также понятие толщины слоя половинного ослабления , при прохождении которого интенсивность излучения уменьшается в два раза. Используя (2), можно показать, что

. (3)