Приборы и оборудование

Лабораторная работа №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ

Цель работы: получение кривой прохождения α - частиц через вещество, определение длины среднего пробега и энергии α -частиц.

Содержание работы

Альфа-частицы представляют собой ядра атома гелия He, имеют заряд +2e, состоят из двух протонов и двух нейтронов. α-частицы возникают при радиоактивном распаде атомных ядер, а также в различных ядерных реакциях. α -частицы используются в качестве бомбардирующих частиц. Именно при изучении рассеяния α-частиц на тонких металлических пленках Резерфорд в 1911 году сделал вывод, что масса атома практически целиком сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющем размеры ~10^-15m. Первая ядерная реакция (1):

(1)

была также осуществлена с использованием α-частиц (1919 г.). На современных ускорителях получают пучки альфа-частиц с энергией от нескольких до сотен МэВ для изучения свойств атомных ядер.

Характерные особенности альфа-распада:

а). α-распад идет только для тяжелых ядер с Z>83 (2):

(2)

б). Периоды полураспадов T1/2 α-активных ядер варьируются в широких пределах, например, для T1/2 = 3*10-7c, а для T1/2 = 1.4*1017 лет, при этом они очень сильно зависят от энергии вылетающих α-частиц (3):

(3)

эмпирический закон Гейгера - Неттола, где C,D = const)

в). α- частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию порядка 4-9 МэВ для редкоземельных ядер. Возникающие альфа-частицы взаимодействуют с веществом посредством упругого рассеяния и ионизационного торможения. При упругом рассеянии суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется и перераспределяется между ними. Вследствие большой массы (Мα = 7350 me, me – масса электрона) альфа - частицы почти не рассеиваются на электронах среды (а только на ядрах), продолжая двигаться прямолинейно (рис 1.):

рис.1

Кулоновское поле электронов атомов вещества взаимодействует с движущейся α - частицей, которая при этом теряет энергию, постепенно останавливаясь. Это процесс ионизационного торможения. Характерной особенностью альфа-частиц является существование у них определенного пробега R -расстояния, которое проходит частица до момента полной потери энергии. Величина пробега определяется теми потерями энергии, которые происходят при ее движении (4):

(4)

а потери энергии согласно формуле Бете (5):

(5)

где n - концентрация атомов поглотителя, z - заряд частицы, v - ее скорость. Tаким образом, потеря энергии на ионизацию пропорциональна массовой толщине поглотителя и не зависит от его природы (6):

(6)

Если исследовать монохроматический поток α-частиц и подсчитывать число частиц, увеличивая постепенно расстояние между источником и детектором, то есть заставляя альфа-частицы проходить все больший слой воздуха, то число N частиц в пучке начинает на определенном расстоянии падать не сразу до ноля, а с некоторым наклоном (кривая 1 (рис2.)):

рис.2

Если эту кривую продифференцировать и построить величину dN/dx в зависимости от толщины слоя x, то получиться кривая 2 (рис2.) с резким максимумом при x=R₀, показывающим, что подавляющее большинство α-частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом в ту и другую сторону. В диапазоне энергий 4 < Eα < 15 Мэв используют для оценки Eα зависимость (7):

(7)

Для Еα<4 МэВ связь между пробегом и энергией частицы представлена в виде номограммы (рис 3):

рис.3

при помощи которой по пробегу частицы можно найти ее энергию, и наоборот. Иногда для оценки Eα используют Rэ - экстраполированный пробег, полученный путем продолжения наклонной линии 1 до пересечения с осью абцисс.

Для построения кривой N(x) необходимо внести поправку на телесный угол с учетом реальных размеров окон детектора и источника, так как в детектор попадает лишь часть излучения.

Увеличение расстояния уменьшает телесный угол, в котором счетчик "видит" испускаемые частицы, и приводит к уменьшению регистрируемых частиц. Для получения полного числа частиц надо зарегистрированное число частиц поделить на поправку, взятую из таблицы 1:

где x - расстояние между окном детектора и α -препаратом,

r₀ - радиус окошка детектора.

Приборы и оборудование.

Принципиальная схема установки приведена на рис.4

Установка состоит из двух блоков - электронного блока управления и индикации (БУИ) и блока детектирования, соединенных между собой кабелем.

Блок детектирования содержит источник и счетчик α-частиц, высоковольтный выпрямитель для питания счетчика. Расстояние между источником и счетчиком измеряется по шкале на скамье, по которой перемещается источник.

Электронный блок установки содержит таймер, максимальный измеряемый интервал времени которого t_max = 999 с, и блок пересчета импульсов.

В электронном блоке имеются следующие кнопки управления:

“Сеть” (на задней панели прибора) включает питание счетчиков 220в.

“Пуск” включает таймер и отсчет измеряемых импульсов.

“Стоп” одновременная их остановка.

“Сброс” обнуляет их показания.

“Время” устанавливает необходимое время измерения.

На табло измерительного блока индикатор “Кол. частиц” показывает число зарегистрированных частиц, а индикатор “сек” показывает время измерения.