Исследование поглощения - частиц в различных материалах

Цель работы: Определение максимального пробега β – частиц в металлах и энергии источника β – излучения.

Принадлежности: источник β – излучения ⁹⁰Sr, детектор

β – излучения, счетчик импульсов, источник питания, набор металлических поглотителей.

Теоретическое введение

Бета – распадом называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро – изобар (А=const) с зарядом, отличающимся на . Существуют три разновидности β – распада: электронный или β^- – распад, позитронный или β⁺ – распад и электронный захват или К – захват (e - захват).

Электронный распад протекает по схеме

(1)

Образовавшееся дочернее ядро имеет зарядовое число на единицу больше, чем у материнского ядра, а массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов материнского ядра превратился в протон по схеме

(2)

Позитронный распад протекает по схеме

(3)

В этом случае порядковый номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона и нейтрино ν. Позитрон является античастицей электрона, а антинейтрино – античастицей нейтрино. Процесс β⁺ – распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино

(4)

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов.

Третий вид β – радиоактивности – электронный захват – заключается в захвате ядром электрона из К - электронной оболочки (реже L-оболочки) собственно атома.

(5)

В результате процесса один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино

(6)

Данный вид β – распада имеет существенное значение для тяжелых ядер, у которых К - оболочка расположена близко к ядру. Электронный захват – обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникает характеристическое рентгеновское излучение.

Исследования энергетического распределения электронов β – распада показали, что в процессе β – распада испускаются электроны всех энергий от нуля до энергии E_max, приблизительно равной разности энергетических состояний материнского и дочернего атомов.

(7)

Для радиоактивного изотопа ⁹⁰Sr, который используется в данной работе в качестве источника β^- - радиации, энергия распада, рассчитанная по формуле (7) составляет 0,535 МэВ.

При этом энергия, выделяющаяся при β^- - распаде распределяется между электроном и антинейтрино в самых разнообразных пропорциях.

Рис. 1.

Участие в β – распаде еще одной частицы диктуется и законом сохранения момента импульса. Чтобы суммарный спин возникающих частиц при β^- - распаде не отличался от спина исходной частицы спину антинейтрино (и нейтрино) необходимо приписать значения ħ/2.

Бета - распад обычно сопровождается испусканием γ – лучей. Механизмы их возникновения состоят в том, что дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденном состояниях, переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ – фотон (рис.2).

Рис. 2.

При прохождении электронов через вещество происходит их взаимодействие с электронами и атомными ядрами, приводящее к их рассеянию и торможению. Основными механизмами, определяющими потери энергии электронов при прохождении через вещество являются ионизационное и радиационное торможение.

При ионизационном торможении кинетическая энергия электрона тратится на возбуждение и ионизацию атомов среды, через которую он проходит. Другой неупругий электромагнитный процесс – тормозное (радиационное) излучение возникает при быстром торможении электрона в электрическом поле атомного ядра. Хорошо известным примером радиационного излучения электронов при относительно низких энергиях (E<<m₀ c²) является непрерывный рентгеновский спектр, возникающий при торможении электронов на антикатоде рентгеновской трубки. При очень больших энергиях β – электронов, превосходящих критическую величину Е_кр (для свинца Е_кр 10 МэВ), эти потери преобладают над ионизационными.

Длину пробега частиц в веществе до их полного торможения обозначают буквой R, и измеряют либо в единицах длины (см), либо в единицах плотности (г/см²) - удельный пробег. Связь между удельной длиной пробега и энергией электронов дается приближенной эмпирической формулой

(8)