Характер проникновения альфа-частиц в вещество

Рассеяние a-частиц в веществе и статистический характер потерь энергии приводит к тому, что даже при одинаковой начальной энергии пробеги разных a-частиц несколько отличаются друг от друга. Эти различия проявляются в форме кривой, выражающей зависимость числа a-частиц N от расстояния x, пройденного в поглотителе, например, в воздухе (рис.3). При малых глубинах число частиц N с расстоянием не меняется. В конце пути это число не сразу обрывается до нуля, а приближается к нему постепенно. Как видно из кривой dN/dx, большая часть a-частиц останавливается в узкой области, расположенной около некоторого значения x, которое называется средним пробегом R_с. Иногда вместо R_с измеряют экстраполированный пробег R_э. Чтобы его получить, нужно продолжить до пересечения с осью x касательную к кривой N(x), взятую в точке x=R_с .

	N, dN/dx

dN/dx

Альфа-частицы проникают в мягкую ткань человеческого организма на глубину, не превышающую 70 мкм. Поскольку a-частицы отдают все свою энергию на таком ограниченном участке, что они вызывают весьма, значительное биологическое действие. Альфа-излучение становится особенно опасным, когда a-активные вещества попадают в организм вместе с пищей, в результате вдыхания или другим путем. При внешнем облучении a-частицы вызывают на коже ожоги и другие воспалительные процессы. Вместе с тем, дозированное a-облучение может играть важную роль при лечении кожных заболеваний и некоторых злокачественных опухолей.

Таким образом, альфа-излучение является наиболее ионизирующим и наименее проникающим видом излучения по сравнению с γ- и β-излучениями.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ АЛЬФА–ЧАСТИЦ

3.1. Описание лабораторного комплекта аппаратуры

Для определения пробега a-частиц в воздухе используется комплект приборов, состоящий из бинарной пересчетной установки – радиометра «Б-2», сцинтилляционной приставки – счетчика «П-349-2» и приспособления для крепления и перемещения радиоактивного препарата. Схема комплекта приборов показана на рис.4.

Радиометр «Б-2» содержит блоки БГС (находится внутри корпуса приставки «П-349-2») и ВСП. Блок ВСП в свою очередь состоит из высоковольтного выпрямителя ВС-2500 с киловольтметром и регулятором подаваемого на сцинтилляционный счетчик напряжения (1), пересчетного устройства на неоновых лампочках с двоичной системой счета и указателя коэффициента пересчета (4) для снятия показаний с электромеханического счетчика (3).

Сцинтилляционный счетчик – приставка «П-349-2» состоит из сменного люминофора, фотоэлектронного умножителя ФЭУ-19 и электронного блока усилителя – формирователя. В качестве люминофора применен сернистый цинк, активированный серебром. От попадания света люминофор защищен тонкой алюминиевой фольгой.

Приспособление для крепления радиоактивного препарата состоит из общей подставки (5), вертикальной пластины (6), которая может перемещаться вдоль направляющего винта (7) и к которой крепится в специальной оправе a-радиоактивный препарат (8). Перемещение препарата вдоль подставки производится вращением находящейся на конце направляющего винта рукоятки (9). Расстояние между поверхностью препарата и закрывающей люминофор фольгой отсчитывается по шкале (10) с помощью указателя (11).

Принципиальная схема приставки «П-349-2» показана на рис. 5, а устройство сцинтилляционного счетчика схематически изображено на рис.6.

3.2. Подготовка радиометра к работе

Перед началом эксперимента радиометр следует подготовить к работе. При этом выполняются следующие операции :

1. Переключатель электромеханического счетчика (3) перевести в положение "Выкл."; регулятор высокого напряжения выпрямителя повернуть против хода часовой стрелки до упора.

2. Включить тумблер «СЕТЬ». При этом должна загореться зеленая сигнальная лампочка. Прогреть радиометр в течение 2 мин. При этом могут загореться некоторые неоновые лампочки.

3. Нажать кнопку «СБРОС», в результате чего неоновые лампочки должны погаснуть. Циферблаты электромеханических счетчиков «х100» и «х1» установить на «0».

4. Переключатель кратности пересчета (4) перевести в положение «ПРОВЕРКА».

5. Включить тумблер «ПУСК» и одновременно пустить секундомер. При этом неоновые лампочки должны поочередно загораться и гаснуть, а электромеханический счетчик начнет считать каждый 64-й импульс.

6. Спустя 60 с, выключить тумблер «ПУСК». При правильной работе установки будет зарегистрировано 3000 импульсов.

Примечание: Для определения количества импульсов N_А, зарегистрированных счетчиком, показания циферблатов электромеханического счетчика (с учетом кратности счета) нужно умножить, например, на 64 и к произведению прибавить цифры, находящиеся рядом с горящими лампочками.

7. Переключатель кратности пересчета (4) зафиксировать в положении «х64»

8. Медленно поворачивая регулятор высокого напряжения «РЕГ. НАПР» по ходу часовой стрелки, установить нужное рабочее напряжение фотоумножителя.

9. После установки рабочего напряжения и сброса счетчика на «0» радиометр «Б-2» готов к измерениям.

Порядок выполнения работы

Для определения зависимости числа a-частиц J, попадающих в сцинтилляционный счетчик за единицу времени, от расстояния между радиоактивным препаратом и люминофором счетчика x, произвести следующие действия:

1. В отсутствии радиоактивного препарата или при закрытом препарате поглощающей a-частицы крышкой измерить скорость счета фона J_ф. Для этого одновременно включить секундомер и тумблер «ПУСК» на 5 - 10 мин. Скорость счета фона определить в имп / мин.

2. Установить радиоактивный препарат на пластине 6 (рис. 4). Препарат представляет собой очень тонкий слой a-активного вещества, состоящего из одного сорта атомов. Металлическая диафрагма с цилиндрическим каналом позволяет сформировать практически параллельный пучок a-частиц.

3. Вращая рукоятку 9 (рис.4), установить препарат на таком расстоянии от сцинтилляционного счетчика, при котором регистрируемая скорость счета J_A значительно превышает скорость счета фона J_ф.

Отметим, что измеряемая в опыте скорость счета J_A пропорциональна числу J попадающих за 1 мин в счетчик a-частиц. При 100%-ной эффективности счетчика J_A = J, в реальной же ситуации J_A < J.

4. Снять зависимость скорости счета от расстояния между препаратом и счетчиком. Расстояние менять через 1 - 3 мм (по указанию преподавателя). Сначала приблизить препарат к счетчику до 13 - 14 мм, а затем удалять до такого расстояния, при котором уже ни одна из a-частиц не попадает в счетчик и установка регистрирует фон. Измерение расстояния между препаратом и счетчиком производится с помощью укрепленной на общей подставке 5 шкалы 10 и указателя 11 (рис.4).

Время измерения t следует брать равным от 1 до 10 мин в зависимости от регистрируемой скорости счета (от положения препарата). Для записи результатов измерений использовать приведенную ниже таблицу.

t_ф = … мин; N_ф = … имп; J_ф = N_ф / t_ф = … имп / мин

Расстояние, x, мм	Время измерения, t, мин	Число зарегистрированных импульсов NA	Скорость счета JA = NA / t, имп/мин

5. Вычислить толщину слоя воздуха R_B, эквивалентного пробегу a-частиц в защитной алюминиевой фольге сцинтилляционного счетчика, по формуле

R_B = R_Al d_Al / (3,2∙10^-4 (A_Al)^1/2) см,

где R_Al = 5,0∙10^-4 см – толщина алюминиевой фольги; d_Al = 2,7 г/см³ – плотность алюминия; A_Al = 26.97 а.е.м. – атомная масса алюминия; коэффициент 3,2∙10^-4 = d_B(A_Al)^1/2 / SA_B , где d_B = 1,29∙10^-3 г/см³ – плотность воздуха; А_B = 14,4 а.е.м. – атомная масса воздуха; S = 1,49 – относительная тормозная способность алюминия.

6. Построить график зависимости измеренной в опыте скорости счета J_A, которая пропорциональна числу J попадающих за одну минуту в счетчик a-частиц, от расстояния x между препаратом и счетчиком.

7. Из построенного графика найти максимальный R_м, экстраполированный R_э и средний R_c пробеги a-частиц в воздухе с учетом добавляемой поправки R_B , вычисленной в п.5.

8. Исходя из найденной длины среднего пробега a-частиц в воздухе, по данным графика, приведенного на рис.7, определить энергию E этих частиц.

Полученная Гейгером формула

R_c = a υ ³

позволяет рассчитать среднюю скорость a-частицы в воздухе υ в предположении, что средняя длина пробега измеряется в см, а коэффициент пропорциональности а=0,97∙10^-27 с³см^-2. Определить среднюю скорость a-частиц в условиях данного эксперимента.

Интересно, что для расчета длины пробега a-частиц в другой среде с ошибкой, не превышающей 15%, можно воспользоваться полученной экспериментально формулой

R_a=(3,2∙10^-4R_в(А)^1/2) / d ,

где А – массовое число, R_в – средняя длина пробега a-частицы в воздухе при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 15°С, d – плотность вещества в г∙см^-3.

Внимание!

1. По окончании измерений отодвинуть препарат от счетчика на расстояние 4 - 5 см.

2. После построения графика J_A(x) и при одобрении его преподавателем снять высокое напряжение со сцинтилляционного счетчика, для чего повернуть регулятор «РЕГ. НАПР» против хода часовой стрелки до упора, нажать кнопку «ЗАМЫКАНИЕ ВЫС. НАПР».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформируйте основные закономерности a-распада.

2. Как влияет туннельный эффект на характер a-распада?

3. Для каких радионуклидов процесс a-распада наиболее вероятен и почему?

4. В чем преимущества и недостатки метода определения энергии a-частиц с помощью сцитилляционного счетчика перед методами на основе счетчика Гейгера и ионизационной камеры?

5. Объясните характер упругого рассеяния a-частиц на ядрах атомов поглощаемого вещества. Опыты Резерфорда.

6. Почему основным видом потерь энергии a-частиц являются потери на ионизацию среды?

7. Когда становится существенной потеря энергии a-частиц за счет ядерных реакций?

8. В чем суть метода определения энергии a-частиц, предлагаемого в настоящей работе?

9. Рассмотрите основные причины погрешностей определения энергии a-частиц методом сцинтилляционного счетчика.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. Часть 2. Ядерная физика. М.: Наука, 1989.

3. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Б.Л. Гольдина. М.: Наука, 1983.

4. Бояркина А.Н. Практикум по ядерной физике. М.: Изд-во МГУ, 1981.