Главная страница
Навигация по странице:

  • «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ » Физический факультет Лабораторная работа

  • Используемое оборудование

  • Вывод: Мы получили кривую прохождения α - частиц через вещество, определили длину среднего пробега Ro=0,016 и энергии α - частиц. Ea= 3, 96172 Мэв.Закон Гейгера — Нэттола

  • этого пробег тяжёлой частицы R

  • Альфа-спектроскопия

  • Альфа Пробег. Определение длины пробега альфачастиц


    Скачать 166.78 Kb.
    НазваниеОпределение длины пробега альфачастиц
    АнкорАльфа Пробег.docx
    Дата11.07.2018
    Размер166.78 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаАльфа Пробег.docx
    ТипЛабораторная работа
    #19643


    МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
    РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


    Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
    высшего профессионального образования


    «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

    Физический факультет

    Лабораторная работа

    На тему: «Определение длины пробега альфа-частиц»



    Выполнили студенты 3-го курса, 1,2-ой группы, очной формы обучения

    Чеглокова Елена и Михайлова Татьяна

    г. Ростов-на-Дону

    2014 г.

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

    Используемое оборудование: блок детектирования, содержащий источник и счетчик α-частиц, блок питания, скамья со шкалой для перемещения источника.
    Краткая теория.

    Главными характеристиками α-радиоактивных ядер и испускаемых ими α-частиц являются период полураспада T½, кинетическая энергия Tα и пробег Rα.

    Объяснение природы α-распада заключается в эффекте преодоления потенциального барьера α-частицей при ее вылете из атомного ядра. В мире микрочастиц, движение которых описывается не классической, а квантовой механикой, возможен процесс так называемого туннельного перехода - прохождения частицы через потенциальный барьер.

    Альфа-частицы взаимодействуют с веществом посредством упругого рассеяния и ионизационного торможения. 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, т.е. расстояния, которое проходит частица до момента полной потери энергии.

    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 нуля, а с некоторым наклоном.

    Если эту кривую продифференцировать и построить величину dN/dx в зависимости от толщины слоя x , то получится кривая 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:


    Ход работы:
    Установили время 2,5 мин и снимали показания с индикатора блока пересчета. Увеличивали расстояние х на 1 мм и каждые 2,5 мин снимали значение количества частиц, после чего у нас получились следующие данные, и по ним мы построили график зависимости N(x):


    x (м)

    N

    0,01

    9999c:\users\admin\desktop\1.jpg

    0,011

    9999

    0,012

    9999

    0,013

    9999

    0,014

    8658

    0,015

    5853

    0,016

    2723

    0,017

    1620

    0,018

    1445

    0,019

    1252

    0,02

    1192

    0,021

    1132

    0,022

    1000

    0,023

    811

    0,024

    716

    0,025

    635

    0,026

    552

    0,027

    516

    0,028

    450

    0,029

    436

    0,03

    372



    Далее мы рассчитали поправку на телесный угол для полученных значений (ro=0.013):


    x/r0

    769153,8

    769153,8

    769153,8

    769153,8

    666000

    450230,8

    209461,5

    124615,4

    111153,8

    96307,69

    91692,31

    87076,92

    76923,08

    62384,62

    55076,92

    48846,15

    42461,54

    39692,31

    34615,38

    33538,46

    28615,38


    После чего мы построили график зависимости :

    c:\users\admin\desktop\2.jpg

    dx

    По данному графику мы нашли Ro= x в резком максимуме. Далее по форуле мы оценили
    Вывод:

    Мы получили кривую прохождения α - частиц через вещество, определили длину среднего пробега Ro=0,016 и энергии α - частиц. Ea= 3, 96172 Мэв.

    Закон Гейгера — Нэттола — закон, описывающий функциональную связь между энергией альфа-частицы и периодом полураспадарадиоактивного ядра. Открыт Г. В. Гейгером и Дж. Нэттолом в 1911 г[1].

    \lg{t_{1/2}} = \frac {a} {\sqrt{e}} + b

    Закон позволяет определить период полураспада по экспериментальным данным о энергии испускаемой при реакции частицы, например, при альфа-распаде.

    Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см2). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.

    Взаимодействие частиц с веществом


    Взаимодействие частиц с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с частицами в веществе, передают им свою энергию, вызывая ионизацию за счет вторичных заряженных частиц. В случае гамма-квантов основными процессами, приводящими к образованию заряженных частиц являются фотоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар. Взаимодействие частиц зависит от таких характеристик вещества как плотность, атомный номер вещества, средний ионизационный потенциал вещества.
        Каждое взаимодействие приводит к потере энергии частицей и изменению траектории её движения. В случае пучка заряженных частиц с кинетической энергией Е проходящих слой вещества их энергия уменьшается по мере прохождения вещества, разброс энергий увеличивается. Пучок расширяется за счет многократного рассеяния.
        Между проходящей в среде частицей и частицами вещества (электронами, атомными ядрами) могут происходить различные реакции. Как правило их вероятность заметно меньше, чем вероятность ионизации. Однако реакции важны, в тех случаях, когда взаимодействующая с веществом частица является нейтральной. Например, нейтрино можно зарегистрировать по их взаимодействию с электронами вещества детектора или в результате их взаимодействия с нуклонами ядра. Нейтроны регистрируются по протонам отдачи или по ядерным реакциям, которые они вызывают.

    Тяжелые заряженные частицы , альфа-частицы


        Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна
    deltaЕмакс =  2mev2.
        Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии deltaЕ заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка deltaх, к длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед ее остановкой в веществе (пик Брэгга).

       Если пролетающая через вещество частица имеет энергию большую, чем энергия связи электрона в атоме, удельные ионизационные потери энергии для тяжелых заряженных частиц описываются формулой Бете - Блоха

    http://nuclphys.sinp.msu.ru/radiation/images/1_1.gif

    (2)

    Удельные потери энергии пропорциональны числу электронов вещества и квадрату заряда частицы теряющей энергию на ионизацию. Удельные потери энергии не зависят от массы m проходящей через вещество частицы (при условии m >> me) но существенно зависят от скорости частицы. Например, мюоны гораздо тяжелее электронов, поэтому при той же энергии они теряют ее медленнее, чем электроны и проходят сквозь большие слои вещества без существенного замедления.
        Для определенной среды и частицы с данным зарядом Z величина dE/dx является функцией только кинетической энергии: dE/dx = φ(E). Проинтегрировав это выражение по всем значениям Е от 0 до Еmax, можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь R, который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

       Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность (г/см2).



    Главными характеристиками α-радиоактивных ядер и испускаемых ими α-частиц являются период полураспада T½, кинетическая энергия Tα и пробег Rα. Существуют следующие основные закономерности и особенности α-распада.

    • В 1911 г. Гейгер и Нетолл установили, что для всех α - радиоактивных элементов период полураспада T1/2 α-радиоактивного ядра и энергия Eα испускаемой им α-частицы связаны соотношением

    ,

    где постоянные C1 и C2 практически одинаковы для всех радиоактивных семейств. Эти постоянные являются эмпирическими, то есть определяются из эксперимента.

    • За очень небольшими исключениями, энергия α-частиц Еα и периоды полураспада T½ для всех известных в настоящее время α - радиоактивных ядер заключены в пределах



    • Как правило, α - радиоактивностью обладают ядра с зарядом Z > 82 (тяжелее свинца), причем энергия α - частиц растет с ростом Z ядра.

    • Обычно ядра испускают α-частицы не с одним, а с несколькими близкими значениями кинетической энергии.

    2. Почему спектр α –частиц дискретный?

    Альфа-спектроскопия. Спектр альфа-частиц, возникающих при распаде материнского ядра, представляет ряд моноэнергетических линий, соответствующих переходам на различные уровни дочернего ядра. Т. к. альфа-частица не имеетспина, правила отбора по моменту количества движения I=L и четности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми. Угловой момент L альфа-частицы может принимать значения в интервале: 

    -i_f\leq l\leq i_i+i_f$

    (4)


    где Ii и If - угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего). При этом разрешены только четные значения L, если четности обоих состояний совпадают, и нечетные, если четности не совпадают. Альфа-распад является важным методом изучения нижних энергетических состоянии тяжелых ядер (рис. 2).

    Для измерения энергии и интенсивности потока альфа-частиц, испускаемых альфа-активными ядрами, используютсягазоразрядные и полупроводниковые детекторы частиц, а также спектрометры. Поверхностно-барьерные кремниевые полупроводниковые детекторы позволяют получить разрешение до 12 кэВ (для альфа-частиц с $\mathcal{e}_\alpha$=6 МэВ) при светосиле 0,1%. В табл. 1 приведены энергии альфа-частиц некоторых альфа-излучателей, используемых в качестве стандартов.
    написать администратору сайта