Описание лабораторной установки. Проверить закон ослабления интенсивности гамма лучей при прохождении через поглощающее вещество и определить линейный коэффициент поглощения гамма

Лабораторная [В.М.1] работа № 6.4

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОСЛАБЛЕНИЯ ГАММА-ЛУЧЕЙ

Цель работы

Проверить закон ослабления интенсивности гамма лучей при прохождении через поглощающее вещество и определить линейный коэффициент поглощения гамма лучей.

Краткая теория

Гамма-излучением называется электромагнитное излучение на частотах, превышающих Гц, испускаемое атомными ядрами при их переходе из возбужденного в основное или менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях. Энергия гамма квантов равна разности энергий конечного и начального состояний ядра. В каждом акте перехода ядро излучает гамма-квант. В связи с дискретностью энергетических уровней ядра гамма-излучение имеет линейчатый спектр, частоты гамма квантов связаны с разностью энергий состояний ядра условием частот Бора, как и для излучения фотонов, атомами:

(1)

При прохождении через вещество гамма-квант может взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов или молекул вещества, так и с их ядрами. Это взаимодействие осуществляется несколькими способами.

1. При поглощении гамма кванта электронной оболочкой атома происходит фотоэффект, при котором вырывается электрон из внутренних слоев электронной оболочки. Электрон покидает атом, происходит ионизация атома. Расчеты показывают, что фотоэлектрическое поглощение гамма-лучей существенно при энергиях гамма-квантов МэВ.

2. По мере увеличения энергии гамма-кванта по сравнению с энергией связи электрона в атоме, молекуле или кристаллической решетке вещества, его взаимодействие с электронами оболочек все более приближается по своему характеру к взаимодействию со свободными электронами, т.е. приближается к комптоновскому рассеянию гамма-квантов на электронах. Часть из этих рассеянных гамма-лучей выходит из вещества.

3. Гамма-кванты с энергией, превышающей удвоенную энергию покоя электронов, могут образовывать электрон-позитронную пару в силовом поле ядра, особенно в тяжелых веществах.

4. Гамма-лучи, обладающие энергией порядка нескольких МэВ, могут взаимодействовать с ядрами атомов. Это взаимодействие называется ядерным фотоэффектом и имеет характер фотоядерной реакции.

Все эти процессы приводят к рассеянию и поглощению гамма-излучения в веществе и уменьшению его интенсивности. Ослабление интенсивности гамма-лучей в веществе для узкого пучка происходит по закону:

, (2)

где

- интенсивность гамма-лучей до входа в вещество ,

- их интенсивность после прохождения поглощающего слоя толщиной ,

- линейный коэффициент поглощения, равный величине обратной длины, на которой излучение ослабляется в раз. Ослабление гамма-лучей зависит от плотности поглощающего вещества, поэтому наряду с линейным коэффициентом , вводят массовый коэффициент поглощения:

(3)

Для графического представления закона ослабления прологарифмируем выражение (2):

(4)

Логарифм интенсивности пучка гамма-излучений на выходе из поглощающего слоя линейно зависит от толщины поглощающего слоя. Зависимость (4) легко может быть проверена экспериментально построением соответствующего графика, рисунок 4.1

Построив график (4.1), возьмем на нем две любые точки 1 и 2. В точке 1 имеем и , а в точке 2 соответственно и . Подставив эти данные в (4), получим два уравнения:

(5)

Решим эти уравнения относительно :

(6)

Формула (6) позволяет вычислить коэффициент ослабления гамма-лучей для исследуемого вещества.

Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки показана на рисунке 4.2. Установка состоит из излучателя гамма-лучей (1), детектора гамма-квантов (3), высоковольтного источника питания детектора (4), счетчика импульсов (5), часов, не показанных на рисунке, и пластин из исследуемого вещества (2).

В качестве детектора гамма-квантов в работе используется газоразрядный счетчик Гейгера. Действие счетчика Гейгера основано на возникновении импульсного разряда в газе при его ионизации влетающей частицей или квантом. Возникающие при этом импульсы тока подсчитываются счетчиком импульсов. Число импульсов, зарегистрированных детектором и счетным устройством, пропорционально числу ионизирующих частиц или гамма-квантов, влетевших в детектор.

Установка регистрирует импульсы даже в том случае, когда излучатель отсутствует. Это объясняется тем, что в атмосфере всегда имеются в некотором количестве ионизирующие частицы. Назовем число импульсов, регистрируемых установкой за единицу времени, скоростью счета - . Скорость счета, регистрируемую в отсутствии излучателя, назовем фоном излучений - .

Установим излучатель на рабочее место, и будем регистрировать скорость счета в отсутствии поглотителя, а затем за поглотителем - , где - число поглощающих пластин.

Очевидно, что скорость счета обусловлена ионизирующим действием гамма-лучей и пропорциональна интенсивности гамма-лучей в месте расположения детектора:

(7)

Здесь - коэффициент пропорциональности. Подставив (7) в (2), получим:

(8)

Таким образом, закон ослабления гамма-лучей можно проверить, если построить график зависимости от толщины поглощающего слоя.

Для того чтобы вычислить линейный коэффициент поглощения гамма-лучей, достаточно на построенном графике выбрать две любые точки 1 и 2, и тогда, в соответствии с (8), легко получить:

(9)

Задание и методические указания

1. Изучить установку и затем включить ее. Прогреть установку в течение 15 минут.

2. Убрать излучатель.

3. Измерить фон . Фон вычисляется по формуле:

(10)

Здесь: - общее число импульсов, зарегистрированных при измерении фона, - время, в течение которого регистрировались импульсы. Общее число импульсов при измерении фона должно быть порядка 1000.

4. Установить излучатель на рабочее место. Измерить скорость счета в отсутствие поглотителя:

(11)

5. Устанавливая пластины поглотителя, последовательно измерить скорость счета за одной, двумя и т.д. пластинами:

(12)

При измерениях счета под действием гамма-лучей счет импульсов нужно продолжать до тех пор, пока общее число импульсов в данном опыте окажется . Если тысяча импульсов набирается очень быстро, то счет импульсов в таком опыте должен продолжаться не менее одной минуты.

6. Вычислить скорость счета во всех опытах с учетом поправки на фон:

(13)

7. Построить график зависимости от .

8. Взять на графике две произвольные точки и, используя их координаты по формуле (9), вычислим .

Контрольные вопросы

1. Объясните природу и происхождение гамма-лучей.

2. Объясните закон ослабления гамма-лучей веществом. Каковы причины ослабления гамма-лучей веществом?

3. Каким образом в работе измеряется интенсивность гамма-лучей?

4. Поясните принцип действия счетчика Гейгера.

5. Почему зависимость в работе строится в полулогарифмическом масштабе?

6. Как объяснить существование фона в измерительной установке?

7. Почему необходимо учитывать фон измерительной установки?