Теоретичні відомості. Явище гамма-випромінювання ядер полягає в тому, що ядро випускає фотон високої енергії без змін зарядового і масового чисел

Явище гамма-випромінювання ядер полягає в тому, що ядро випускає фотон високої енергії без змін зарядового і масового чисел. Таким чином, гамма-випромінювання має електромагнітну природу і виникає за рахунок енергії збудження ядра. Гамма-промені, які випускаються радіоактивною речовиною, складаються з однієї або декількох груп фотонів, з однаковими енергіями, характерними для даної речовини.

Гамма-випромінювання ядер зумовлено взаємодією окремих нуклонів ядра з електромагнітним полем. Незважаючи на це, гамма-випромінювання явище не внутрішньонуклонне, а внутрішньоядерне. Ізольований вільний нуклон випустити (або поглинути) γ-квант не може внаслідок сумісної дії законів збереження енергії та імпульсу. Але всередині ядра нуклон може випромінювати γ-квант, передавши при цьому певний імпульс іншим нуклонам.

При поширенні γ-променів в поглинаючому середовищі їх розподіл по однорідних енергетичних групах порушується внаслідок комптонівського розсіювання. Розрізняють жорстке γ-випромінювання, яке випускається ядрами при їх переході із збудженого стану в основний і м'яке, яке випускається при перебудові електронних оболонок атома після особливого виду радіоактивного перетворення, так званого К-захоплення і нічим не відрізняється від рентгенівських променів К-серії. Фотони жорсткого γ-випромінювання мають енергію 0,1 – 2 МеВ. В ряді випадків ядро із збудженого стану переходить в основний не відразу, а шляхом послідовних переходів в проміжні стани. Це призводить до того, що випромінюються декілька фотонів із сумарною енергією, яка дорівнює різниці енергій збудженою і основного станів.

Поглинання γ-променів в середовищі викликано трьома процесами: фотоефектом, комптонівським розсіюванням і утворенням електронно-позитронних пар. При енергіях фотонів порядку 0,1 МеВ поглинання γ-променів в речовині відбувається внаслідок фотоефекту, причому електрон викидається із глибинних оболонок атома, після чого відбувається заповнення звільненого місця з випусканням рентгенівського випромінювання. В поглинанні γ - променів з енергіями фотонів 0,5 - 2,0 МеВ суттєву роль, відіграє ефект Комптона.

Дослідження, проведені в 1934 році і в наступних роках, показали, що γ-фотони з енергіями в декілька МеВ можуть поглинатись ядрами, переводячи їх в збуджені стани, переходи з яких в основний можуть супроводжуватись викидом протона або нейтрона (ядерний фотоефект).

Дію гамма-випромінювання (або інших видів йонізуючого випромінювання) на речовину характеризують дозою йонізуючого випромінювання). Є різні види доз йонізуючого випромінювання. Поглинута доза випромінювання – це відношення енергії випромінювання до маси опроміненої речовини. Одиницею поглинутої дози випромінювання є грей: 1Гр = 1Дж/кг – доза випромінювання, при якій 1кг опроміненої речовини передається енергія йонізуючого випромінювання в 1Дж. Експозиційна доза випромінювання визначається відношенням суми електричних зарядів всіх йонів одного знаку, утворених електронами, вивільненими в опроміненому повітрі, до маси цього повітря. Одиницею експозиційної дози випромінювання в системі одиниць СІ є 1Кл/кг, позасистемною одиницею є рентген: 1Р = 2,58·10^-4 Кл/кг. Біологічна доза характеризує дію випромінювання на організми. Одиниця біологічної дози - біологічний еквівалент рентгена (бер). 1бер – доза будь-якого виду йонізуючого випромінювання, яке чинить таку ж біологічну дію, як і доза рентгенівського (або гамма-випромінювання) в 1Р. (1бер = 10^{- 2} Дж/кг).

Потужність дози випромінювання – це відношення дози випромінювання до часу опромінення. Розрізняють потужність поглинутої дози (в Гр/с) та потужність експозиційної дози (в Вт/кг).

Вивід робочої формули.

Розглянемо поглинання γ-фотонів речовиною. Виділимо в речовині шар товщиною dx (рис.96.1). Кількість фотонів dn, які поглинуться в цьому шарі за 1 секунду, буде пропорційна як товщині dx, так і кількості фотонів n ₀, які входять в цей шар за одну секунду:

. (96.1)

Знак «-» показує, що з збільшенням товщини шару кількість фотонів на виході з речовини зменшується внаслідок процесу поглинання. В диференціальному рівнянні (96.1) можна розділити змінні:

. (96.2)

Проінтегруємо останнє співвідношення:

, (96.3)

звідки одержимо:

. (96.4)

Проінтегруємо останнє співвідношення (96.4):

, (96.5)

де n ₀ – кількість фотонів, які падають на поглинаючу речовину за одиницю часу; n – кількість фотонів, які виходять за одиницю часу із поглинаючого середовища товщиною х; К – коефіцієнт поглинання, який залежить як від роду поглинаючого середовища, так і енергії падаючих γ-квантів. З формули (96.5) можна одержати фізичний зміст коефіцієнта поглинання: коефіцієнт поглинання дорівнює величині, оберненій до товщини поглинаючого шару, при якій потік фотонів зменшується в е разів: К=1 / х при

. (96.6)

Для двох шарів товщиною х ₁ і х ₂ одного і того ж середовища співвідношення (96.5) можна записати:

,

, (96.7)

звідки

(96.8)

або

, (96.9)

де N ₁ = n ₁ t, N ₂ = n ₂ t – кількість фотонів на виході шарів товщиною х ₁ і х ₂ за один і той же час t. Прологарифмуємо формулу (96.9):

, (96.10)

звідки

. (96.11)

Способом диференціювання співвідношення (96.11) можна одержати формулу для розрахунку похибки:

. (96.12)

Опис установки

Лабораторна установка (рис.96.2) складається з лічильника Гейгера-Мюллера (1), проти вхідного вікна якого розміщене джерело гамма-випромінювання (2). Радіоактивний препарат знаходиться у свинцевій хатці (3) з отвором. Між радіоактивним препаратом і лічильником Гейгера-Мюллера поміщаються свинцеві пластини (4). Живиться лічильник Гейгера-Мюллера від джерела високої напруги (5). До виходу лічильника Гейгера-Мюллера ввімкнений лічильник імпульсів (6). Будова і принцип дії лічильника Гейгера-Мюллера описано в лабораторній роботі № 94.