Кафедра ядерной физики. Лабораторная работа №3

Лабораторная работа №3

Тема: Изучение распределения пробегов α-частиц и определение энергии α-частиц

Выполнил:

студент группы ЭиА-С12-з

Казаков Е.И.

Проверил: Гончарова И.Н.

Обнинск 2015

Цель работы: изучение распределения пробегов α-частиц и определение энергии α-частиц.

Ход работы:

Ядра изотопа гелия называются α-частицами. α-частицы образуются при радиоактивном распаде тяжелых ядер, а также могут быть получены на ускорителях заряженных частиц. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона и является примером дважды магического ядра, удельная энергия связи которого является аномально высокой для ядер в начале таблицы Менделеева и составляет 7,03 МэВ на один нуклон. Масса α-частицы равна 4,00273 а.е.м, спин и дипольный магнитный момент равны 0. Квадрупольный электрический момент α-частицы также равен нулю, что свидетельствует о сферической форме ядра.

α-частица относится к разряду тяжелых заряженных частиц. Тяжелыми заряженными частицами принято называть частицы, масса которых в несколько тысяч раз превышает массу электрона.

При изучении пробегов α-частиц обычно пользуются тонкими радиоактивными источниками. Источник считается тонким, если α-частицы, образовавшиеся во внутренних слоях источника, проходят через материал источника, не изменяя практически своей энергии. Для выполнения данной работы применяется тонкий источник α-частиц.

Схема измерительно устройства приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема измерительного устройства

1 – источник α-частиц;

2 – коллиматор;

3 – полупроводниковый детектор;

4 – светонепроницаемый корпус

Детектор может перемещаться с помощью верньерного устройства в пределах [x₀, x_m]. Величина x₀ определяется, в основном, размером коллиматора, а х_т – величиной максимального пробега α-частиц.

N_ф =14

Время экспозиции 60 секунд

Таблица 1 – Таблица данных.

N		Расстояние	Ni	Ni-Nф	2δ
					130,61
					129,51
					129,01
					129,18
					125,92
					127,47
					128,50
	8,1	34,1			128,55
	8,2	34,2			127,89
	8,3	34,3			125,09
	8,4	34,4			124,88
	8,5	34,5			122,00
	8,6	34,6			119,40
	8,7	34,7			114,82
	8,8	34,8			112,87
	8,9	34,9			105,09
					97,14
	9,1	35,1			90,13
	9,2	35,2			81,61
	9,3	35,3			70,94
	9,4	35,4			63,97
	9,5	35,5			58,38
	9,6	35,6			52,88
	9,7	35,7			46,73
	9,8	35,8			43,13
	9,9	35,9			38,37
					36,55
					36,77
					35,50
					23,24
					2,83
					0,00

Здесь -количество фоновых отсчетов в точке за время измерения - число отсчетов в точке , обусловленных только исследуемым излучением ; - среднеквадратичная погрешность числа отсчетов . На рисунке 2 представлен график зависимости N_n(х).

Рисунок 2 - График зависимости N_n(х).

Кинетическая энергия α-частиц, испускаемых источником , определяется по формуле:

, МэВ

где R_a = - оценка пробегов α-частиц в воздухе при нормальных условиях.

Находим оценку средней величины пробега -частиц в воздухе:

МэВ

Посчитаем погрешность для ΔT_а :

Вывод: В данной лабораторной работе мы изучили распределения пробегов a-частиц и научились пределять энергии a-частиц: T_a=(4,9+0,3) МэВ. Графически представили энергетический спектр a-частиц, нашли оценку средней величины пробега a-частиц: R₀=34,5 мм.

Контрольные вопросы.

1) Что показывают кривые интегрального и дифференциального распределений α-частиц?

Интегральная кривая показывает зависимость числа - частиц, зарегистрированных в единицу времени в фиксированном телесном угле и прошедших определенный слой вещества. Дифференциальная кривая показывает среднюю величину пробега, являющуюся координатой максимума кривой.

2) Определение тонкого и толстого α-источника.

Источник считается тонким, если - частицы, образовавшиеся во внутренних слоях источника, проходят через материал источника, не изменяя практически своей энергии, т.е.

;в противном случае, если , источник считается толстым

3) Виды потерь энергии α-частиц при прохождении через вещество и их вклад при различных энергиях α-частиц.

Тяжелые заряженные частицы при движении в веществе передают свою энергию, главным образом, электронам атомных оболочек посредством кулоновских сил, производя возбуждение и ионизацию атомов и молекул, а также диссоциацию молекул вещества. Неупругие потери энергии такого рода называются ионизационными. Возможны и кулоновские взаимодействия с ядрами атомов вещества, но такие взаимодействия маловероятны.

4) Чем объяснить прямолинейный путь α-частиц в воздухе?

Процесс сброса энергии быстрой и тяжелой заряженной частиц происходит малыми порциями , т.е. фактически непрерывно. Сама же быстрая частица при столкновении с отдельным электроном мало отклоняется от своего пути из-за ее большой массы (сравнительно с массой электрона). К тому же и эти малые отклонения компенсируют друг друга при огромном числе случайно ориентированных столкновений. Поэтому траектория тяжелой заряженной частицы в веществе практически прямолинейна.

5) Как изменяются (начертить) интегральная и дифференциальная кривые при изменении давления воздуха в объеме между источником и детектором для тонкого α-источника?

При повышении давления дифференциальная кривая «сжимается».

6) Как объяснить разброс длин пробегов для монохроматических α- частиц?

Разброс длин пробегов – страгглинг, - объясняется флуктуациями числа атомов на пути частицы и перезарядкой частиц при их движении.

7) Оценить естественную ширину распределения α-частиц по длинам пробега?

В энергетических α-спектрах радиоактивных нуклидов часто наблюдается тонкая структура, т.к. α-спектры зачастую состоят из дискретных линий, соответствующих α-распаду на различные состояния дочерних ядер.

8) Оценить средние потери энергии α-частиц в источнике?

Некоторая ассиметрия экспериментальных распределений – затянутая низкоэнергетическая часть – связана с тем, что из-за конечного телесного угла коллиматора часть α-частиц попадают в детектор под углом к линии кратчайшего расстояния между источником и детектором, проходят большой путь и, следовательно, теряют большую энергию. Кроме того. α-частицы могут потерять часть своей энергии на краях коллиматора. Наконец, часть α-переходов происходит на возбужденные состояния конечных ядер, что также вносит вклад в ассиметрию пиков.

«Обнинский институт атомной энергетики –