МУ-Я-66 (Радиактивность. Ослабление гамма-лучей)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТим. Н.Э. БАУМАНАИ.Н. ФетисовРАДИОАКТИВНОСТЬ. ОСЛАБЛЕНИЕ γ- ЛУЧЕЙ В ВЕЩЕСТВЕМетодические указания к выполнению лабораторной работы Я-66по курсу общей физикиМосква2015ВВЕДЕНИЕРадиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно)превращаться в другие ядра с испусканием частиц [1 – 3].Радиоактивность открыл французский физик А. Беккерель в 1896 г., который обнаружилиспускание ураном неизвестного проникающего излучения, названного радиоактивным.

Открытиерадиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники. За работы, связанные сисследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий пофизике и химии.Цель работы – ознакомление с радиоактивностью, взаимодействием γ- излучения с веществом,дозиметрией; в экспериментальной части – изучение ослабления γ - лучей в железе и дозиметрия γизлучения.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ1. Радиоактивные превращенияАтомы состоят из ядра и электронной оболочки. Линейные размеры атома ~10 –9 м, а ядра – на 5порядков меньше.Ядра (нуклиды) состоят из протонов и нейтронов – частиц, называемых нуклонами.

Междунуклонами действуют ядерные силы притяжения. Протон имеет положительный элементарный зарядe = 1,6.10-19 Кл, а нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нуклонов примерно в 1840 разбольше массы электрона.Химические элементы различаются количеством протонов – зарядовым числом Z, порядковымномером элемента. Число нуклонов в ядре называют массовым числом A. Ядро элемента Xзаписывают в виде ZA X , например ядро гелия 42 He .Атомы одного и того же химического элемента, различающиеся только числом нейтронов,называются изотопами.

Например, для водорода известны три изотопа: 11 H , 12 H и 13 H . Вхимическом отношении изотопы неразличимы, а характеристики ядра могут существенноотличаться. Например, два легких изотопа водорода стабильны, а 13 H – радиоактивен.Распадающееся ядро называют материнским, а образующееся после распада – дочерним.Дочернее ядро может быть как стабильным, так и радиоактивным.К основным радиоактивным превращениям относятся α - и β - распады.Альфа-распад. При α - распаде, который наблюдается для тяжелых ядер, ядро испускает ядрогелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, которое называют α - частицей.

Схему α распада представляют в видеA4A− 4Z X →2 He + Z − 2 Y ,где X и Y – символы химических элементов. Например, превращение радия в радон происходит посхеме226422288 Ra → 2 He + 86 Rn .Бета-распады. При бета-распадах зарядовое число Z изменяется на ± 1, а массовое число A неизменяется. Известны три разновидности β - распада.1. Электронный β - распад ( β -- распад). Примером такого распада служит превращениесвободного нейтрона n в протон p, электрон 0−1 e и электронное антинейтрино νe :10n →11 p + 0−1 e + νe .Подобные превращения нейтрона происходят во многих нестабильных ядрах, при этом электрони антинейтрино покидают ядро. Электронный распад в ядре протекает по схеме:AA0(1)Z X → Z +1 Y + −1 e + ν e .2Например, ядро радиоактивного углерода превращается в ядро азота:1460C →147 N + −1 e + ν e .2.

Позитронный β -распад ( β +- распад). В этом случае ядро испускает позитрон и электронноенейтрино:AA0Z X → Z −1 Y + +1 e + ν e .Например, радиоактивный изотоп фтора, испуская позитрон, превращается в кислород:1890F →188 O +1 e + ν e .При позитронном распаде в ядре происходит превращение протона в нейтрон, позитрон инейтрино:1101 p → 0 n + +1 e + ν e .Позитрон является античастицей электрона, имеющей такую же массу, но противоположные познаку электрический заряд, лептонный заряд и магнитный момент [1].3. Электронный захват – захват ядром собственного орбитального электрона:A0A(2)Z X + −1 e → Z −1 Y + ν e .При этом в ядре происходит превращение протона и электрона в нейтрон и нейтрино1011 p + −1 e → 0 n + ν e .Нейтрино и антинейтрино – электрически незаряженные элементарные частицы, различающиесязнаком лептонного заряда [1]. Масса покоя этих частиц много меньше массы электрона (вопрос омассе нейтрино – предмет современных исследований).

Нейтрино и антинейтрино чрезвычайнослабо взаимодействуют с веществом, поэтому их можно зарегистрировать только в специальныхопытах.К радиоактивным превращениям относится также спонтанное деление ядра урана, плутония и др.тяжелых ядер на два осколка сравнимой массы с испусканием нейтронов.Гамма-излучение. Атомное ядро, состоящее из двух и более нуклонов, может находиться всостояниях с различными дискретными значениями внутренней энергии.

Состояние с минимальнойэнергией называется основным, а с большей энергией – возбужденным.Материнское ядро перед распадом находится в основном состоянии, а дочернее ядро можетоказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае дочернее ядропрактически мгновенно после распада переходит в основное состояние, испуская один или несколькофотонов большой энергии, называемых γ - квантами.

γ - Излучение часто сопровождает все видыраспадов.6027Coβ− - распадγ-квант 1,17 МэВγ-квант 1,33 МэВ6028NiРис. 1. Схема распада кобальта-60 с испусканиемэлектрона и двух γ-квантов3Примером такого процесса является электронный распад кобальта-60 (рис. 1). Дочернее ядроникеля образуется во втором возбужденном состоянии и испускает последовательно два γ - кванта сэнергиями 1,17 МэВ и 1,33 МэВ. (Электрон-вольт – энергия, приобретаемая частицей сэлементарным зарядом в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В; 1 эВ = 1,6 .10-19 Дж.)γ - Излучение – электромагнитное излучение, отличающееся от света значительно большейчастотой ν .

Электромагнитные волны имеют двойственную природу: волна – частица. В такихявлениях, как интерференция и дифракция, проявляются волновые свойства. Однако в процессахиспускания и поглощения они выступают как частицы (фотоны, γ - кванты) с энергией E = hν иимпульсом p = hν /c, где h – постоянная Планка. Чем выше энергия фотона, тем ярче проявляютсяего корпускулярные свойства и слабее волновые. Энергия γ - кванта радиоактивного распада можетдостигать нескольких МэВ, в то время как энергия фотонов видимого излучения составляетпримерно 2 эВ.2.

Естественная радиоактивность калияРадионуклиды подразделяют на естественные и искусственные, полученные в ядерных реакциях.В настоящее время известно около 2 000 различных радионуклидов, из них 300 радионуклидов –естественные. Между естественными и искусственными радионуклидами нет принципиальногоразличия.К основным естественным радионуклидам относятся радиоактивные семейства урана и тория, атакже калий, рубидий и др.Природный калий состоит из смеси трех изотопов – стабильных 39K и 41K и радиоактивного 40K.Доля радиоактивного изотопа составляет δ = 1,18 .10-4. Его период полураспада примерно 109 лет.4019Kэлектронный захват (11%)β− - распад (89%)γ-квант 1,46 МэВ40184020CaArРис.

2. Схема распада калия-40: β- распад в 89 % случаев и электронныйзахват с испусканием γ-кванта в 11 % случаев.Схема распада калия-40 представлена на рис. 2. В 89% случаев происходит β -- распад (см.формулу (1)), при этом калий превращается в стабильный кальций:40400(3)19 K →20 Ca + −1 e + ν e .В 11% случаев калий-40 захватывает собственный орбитальный электрон (см. формулу (2)) ипревращается в аргон:40040(4)19 K + −1 e →18 Ar + ν e .Ядро аргона образуется в возбужденном состоянии и испускает γ - квант, переходя восновное, нерадиоактивное состояние (см. рис. 2).Таким образом, на 100 распадов испускается в среднем 89 электронов с максимальной энергиейEmax = 1,3 МэВ и 11 γ - квантов с энергией 1,46 МэВ.

Распады (3) регистрируют по испускаемымэлектронам, а распады (4) – по γ -излучению.4Содержание калия в земной коре составляет 2,5% . Наиболее важные минералы – это сильвинKCl, сильвинит (K,Na)Cl и др. За счет радиоактивного распада калия Земля получает заметноеколичество внутреннего тепла.Калий играет важную роль в жизнедеятельности животных и растений. В теле человекасодержится 160 – 180 г калия. По рекомендации ВОЗ суточная норма потребления калия не менее 4г. Калий поступает в организм человека с продуктами питания.

В случае недостатка калия врачирекомендуют употреблять поваренную соль с добавкой соли калия.Соли калия – доступный и безопасный источник слабой радиоактивности. В лабораторной работеиспользуется хлористый калий KCl, поступающий в продажу в качестве калийного удобрения.3. Закон радиоактивного распадаРадиоактивные превращения представляют собой случайный процесс. Вероятность распада ядрав единицу времени называется постоянной распада λ . Пусть в момент времени t имеется большоечисло N одинаковых нестабильных ядер. Тогда за время dt в среднем распадетсяdN = λ N dt(5а)ядер.

Среднее число распадов за единицу времени, равноеdNA== λN ,(5б)dtназывается активностью препарата. Единица активности – беккерель: 1 Бк = 1 расп./с. Частоиспользуют также внесистемную единицу активности – кюри, 1 Ки = 3,7.1010 Бк (такова активность 1г радия).Формула (5а) с добавкой «минус» описывает приращение числа нераспавшихся ядер за время dt:dN = – λ N dt.Интегрируя это выражение, получимN = N0 exp (– λ t),(6)где N и N0 – соответственно, число нераспавшихся ядер в момент времени t и в произвольныйначальный момент времени t = 0.Соотношение (6) выражает закон радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает современем по экспоненциальной зависимости.Активность, пропорциональная числу нераспавшихся атомов (см.

формулу (5б)), убывает потакому же закону:A = λ N = λ N0 exp (– λ t) = A0 exp (– λ t),(7)где A0 = λ N0 – активность момент времени t = 0. Опыты подтверждают зависимость (7).Периодом полураспада T называют время, за которое распадается половина ядер. Из формулы (6)логарифмированием получаем следующее соотношение:T = (ln 2) / λ = 0,693 / λ .Запишем закон распада через период полураспада:N (t) = N0 exp (– 0,693 t / T);A (t) = A0 exp (– 0,693 t / T).Для различных радионуклидов период полураспада может находиться в интервале от очень малойдоли секунды до 1018 лет.4. Детекторы ионизирующих излученийДля детектирования ионизирующих излучений используются в основном два физических явления– ионизация газов и сцинтилляция.В некоторых веществах, называемых сцинтилляторами, возникает вспышка света (сцинтилляция)при прохождении быстрой заряженной частицы через сцинтиллятор. Сцинтилляция – эторазновидность люминесценции.

Сцинтилляцию можно наблюдать на экране электронно-лучевой5трубки осциллографа под воздействием огромного количества электронов, падающих налюминофор. Вспышка света от одной α- или β- частицы чрезвычайно слабая, и для ее регистрациииспользуются специальные фотоэлементы, называемые фотоэлектронными умножителями (ФЭУ).Газоразрядный детектор Гейгера-Мюллера (ГМ - счетчик) представляет собой баллон с двумяэлектродами, заполненный разреженным инертным газом со специальными добавками. На рис. 3представлен ГМ - счетчик цилиндрической конструкции. Он состоит из тонкостенной металлическойтрубки с двумя изолирующими пробками.