МУ-Я-66 (Радиактивность. Ослабление гамма-лучей), страница 2

По оси трубки натянута металлическая нить. К нити итрубке прикладывают высокое напряжение U, причем «плюс» источника подключен к нити.Вследствие того, что нить тонкая, напряженность электрического поля около нити – большая.UРис. 3. Счетчик Гейгера-МюллераКогда быстрая заряженная частица, например β- частица, пролетает через ГМ- счетчик, онаионизирует небольшое количество атомов газа, отрывая от атомов электроны.

Электроны, разгоняясьв сильном электрическом поле около нити, вызывают вторичную ионизацию атомов газа. Врезультате возникает электрический пробой газа. При этом через резистор с большимсопротивлением R протекает кратковременный импульс тока, создавая на резисторе импульснапряжения. Импульсы можно считать специальным пересчетным устройством. Таким образом,каждый зарегистрированный импульс свидетельствует о прохождении заряженной частицы черезГМ- счетчик.Сцинтилляционный или газоразрядный детектор непосредственно от γ - квантов не срабатывает,т.к. они не вызывают сцинтилляций и не ионизируют газ. Срабатывание детектора вызываютвторичные электроны или позитроны, образующиеся в рассмотренных ниже процессах (эффектКомптона, фотоэффект и рождение электронно-позитронной пары).Поскольку образующиеся электроны имеют небольшой пробег в плотном веществе, счетчикГейгера-Мюллера регистрирует только те γ - кванты, которые образовали электрон (или паруэлектрон-позитрон) в тонком слое вещества, примыкающего к газу счетчика, или в самом газе.Взаимодействия γ - квантов в тонком слое происходят редко, поэтому ГМ - счетчик детектируеттолько малую часть γ -квантов, пролетевших через счетчик (порядка 1%).Как отмечалось выше (см.

рис. 2), в 11% распадов калий испускает γ- квант, а в остальныхслучаях – быстрый электрон (β- частицу). В лабораторной работе изучают γ- излучение калия. Длясоздания потока γ- квантов, с которым можно выполнить исследования за время лабораторнойработы, необходимо взять несколько кг калиевой соли. При этом β- излучение отсекают от ГМсчетчиков стенкой контейнера с солью.5. Взаимодействия γ- квантов в веществе.При взаимодействии фотонов большой энергии (рентгеновского или γ -излучения) с атомамипроисходят три основных процесса: эффект Комптона, атомный фотоэффект и рождение парыэлектрон-позитрон [1– 3].Эффект Комптона – упругое рассеяние фотона на свободных или слабо связанных атомныхэлектронах, при котором часть энергии и импульса фотон передает электрону, покидающему атом.6С применением законов сохранения энергии и импульса получена формула для энергии фотоновE, МэВ, рассеянных на угол θ :E0E=,(8)E0−(1cosθ)m0 c 2где E0, МэВ, – энергия фотона до рассеяния, m0 c2 = 0,51 МэВ – энергия покоя электрона.

Уголрассеяния θ с различной вероятностью может быть любым – от нуля до π.Например, по формуле (8) легко произвести следующий расчет. Если до взаимодействия γ- квантимел энергию E0 = 1 МэВ, то после рассеяния назад ( θ = π) его энергия E = 0,2 МэВ. Разностьэнергий, равная E0 – E = 0,8 МэВ, была передана электрону, вылетевшему из атома. Таким образом, водном акте рассеяния электрон может получить значительную часть энергии кванта, составляющуюв среднем половину для квантов с энергией 1 МэВ.Известно несколько видов фотоэффекта. Например, фотон видимого или ультрафиолетовогосвета выбивает электрон проводимости с поверхности металла; такой фотоэффект называютвнешним. При атомном фотоэффекте фотон большой энергии (рентгеновского или γ -излучения)выбивает электрон из внутренних оболочек атома, при этом энергия вылетевшего электрона равнаразности энергии фотона и энергии связи электрона в атоме.

При всех видах фотоэффекта фотонпоглощается.Рождение пары электрон-позитрон. В электрическом поле атомного ядра фотон γ можетпревратиться в пару частица – античастица: электрон и позитронγ → e− + e+ .По закону сохранения энергии этот процесс возможен, если энергия γ - кванта превышаетсуммарную энергию покоя электрона и позитрона, равную E = 2 m0 c2 = 1,02 МэВ.Рождение пары электрон-позитрон наглядно демонстрирует несколько фундаментальныхзаконов природы: взаимосвязь массы и энергии, превращение энергии электромагнитного поля ввещество, закон сохранения электрического заряда.1+6. Ослабление γ- лучей в веществеОслабление пучка γ - излучения в веществе измеряют в различных условиях, отличающихсяшириной пучка (рис.

4 а, б).24531xРис. 4 а. Схемы измерения ослабления γ- лучей для узкого пучка:1– γ- источник, 2, 4 – коллиматоры, 3 – поглотитель, 5 – счетчики.Схема измерения ослабления узкого пучка показана на рис. 4 а. Источником γ - квантов служитрадиоактивный препарат 1. Излучение проходит через поглотитель 3, толщину которого x можно7изменять, и детектируется счетчиками 5. Две толстые свинцовые пластины с малыми отверстиями,называемые коллиматорами, формируют узкий пучок γ - лучей.Если в поглотителе произошли такие процессы, как рождение пары электрон-позитрон илиатомный фотоэффект, то γ - квант исчезает, а образовавшиеся заряженные частицы поглощаются втонком слое вещества. В случае комптоновского рассеяния γ - квант выбывает из узкого пучка и непопадает в детектор.

Как видно из изложенного, все три процесса приводят к ослаблению узкогопучка γ - квантов.Число γ - квантов, проходящих в пучке за единицу времени, назовем интенсивностью пучка I.Интенсивность I узкого пучка γ - квантов одинаковой энергии уменьшается экспоненциально помере увеличения толщины x поглотителя (закон Бугера):I= exp(− µ x) ,(9)I0где I0 – интенсивность без поглотителя; µ – линейный коэффициент ослабления. Линейныйкоэффициент ослабления зависит от энергии фотона, зарядового числа Z вещества поглотителя и егоплотности.123Рис.

4 б. Схемы измерения ослабления γ- лучей для широкого пучка:1– γ- источник, 2 – поглотитель, 3 – счетчикиЕсли толщину x измерять в см, то µ будет в см-1. В слое толщиной xe = 1 / µ излучение будетослаблено в e = 2,72 раза, а при вдвое большей толщине – в e2 раз и т.д. Слой половинногоослабления равенx0,5 = (ln 2) / µ = 0,69 / µ .(10)На рис. 5 представлена для железа зависимость линейного коэффициента ослабления µ отэнергии E γ - квантов [4]. В зависимости от энергии доминирует тот или иной процессвзаимодействия γ- квантов с атомами.

В области средних энергий (несколько МэВ) преобладаеткомптоновское рассеяние. Для E >10 МэВ коэффициент ослабления µ возрастает за счет процессарождения пары электрон-позитрон. В области малых энергий доминирует атомный фотоэффект,причем коэффициент ослабления сильно возрастает с уменьшением энергии, а также с увеличениематомного номера Z вещества поглотителя. Поэтому железо, а особенно свинец, очень сильнопоглощают γ- кванты малой энергии (менее 100 кэВ). К этой области энергии относится ирентгеновское излучение.Схема опыта для измерения ослабления широкого пучка γ- лучей (см. рис. 4 б) отличается отрассмотренной выше геометрии узкого пучка отсутствием коллиматоров.

В этом случае γ- квант,испытавший комптоновское рассеяние, может остаться в широком пучке. Вследствие этого широкийпучок ослабляется в меньшей степени, чем узкий. Поэтому закономерности ослабления γ- лучей вшироком пучке несколько иные, чем в узком пучке, причем это различие возрастает с увеличениемтолщины поглотителя.8µ, см-10,80,4Е, МэВ00,20,5125102050Рис. 5.

Зависимость линейного коэффициента ослабления в железе от энергииγ - квантов для узкого пучка [4].В лабораторной работе изучают ослабление широкого пучка γ - лучей в веществе (см. рис. 4 б).Между источником γ- излучения 1 и четырьмя счетчиками Гейгера-Мюллера 3 располагаютжелезные поглощающие пластины 2, суммарную толщину x которых можно изменять.Интенсивность γ- излучения, проходящего через ГМ- счетчики, определяют следующимспособом. С помощью пересчетного устройства измеряют количество импульсов N, поступающих отГМ - счетчиков за некоторое фиксированное время измерения.Поскольку активность γ- источника малая, большую помеху вносят естественное фоновоерадиоактивное излучение окружающих тел, а также космические лучи.

Убрав контейнер срадиоактивным веществом от счетчиков, за то же время измерения определяют количествоимпульсов фона (Nф).РазностьNγ = N – Nф(11)есть число зарегистрированных γ- квантов, испущенных радиоактивным источником. ВеличинаNγ пропорциональна интенсивности I потока γ- излучения в формуле (9).В лабораторной работе находят величину Nγ для различной толщины x поглотителя, включаяслучай, когда x = 0 (интенсивность для x = 0 обозначим Nγ0).IВ законе Бугера (см.

формулу (9)) отношение интенсивностейприравняем отношению числаI0зарегистрированных γ- квантов:NγNγ 0= exp(− µ x) .(12)Логарифмируя выражение (12), получимln N γ = ln N γ 0 − µx .(13)По результатам измерений величины Nγ для различной толщины поглотителя x строятграфическую зависимость ln Nγ от x (рис. 6). Статистическая погрешность измерения величины Nγпоказана на рис. 6 вертикальной чертой. Через экспериментальные точки проводят (с учетомпогрешностей) наилучшую прямую линию.9ln(Nγ)∆(ln(Nγ))∆xx0Рис.