МУ-Я-61 (1003906)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТим. Н.Э. БАУМАНАИ.Н. ФетисовЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬКАЛИЯМетодические указания к выполнению лабораторной работы Я-61по курсу общей физикиПод редакцией Г.В БалабинойМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э.Баумана2008Цель работы – ознакомление с радиоактивностью, взаимодействием излучений с веществом, дозиметрией; измерения периода полураспада, пробега иэнергии β -частиц, коэффициента поглощения γ -излучения.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ1. Виды радиоактивных превращенийАтомы состоят из ядра и электронной оболочки.
Линейные размеры атома–10≈ 10м, а ядра – на 4-5 порядков меньше. Ядра (нуклиды) состоят из протонов и нейтронов – частиц, называемых нуклонами. Между нуклонами действуют ядерные силы притяжения. Протон имеет положительный элементарныйзаряд e = 1,6.10-19 Кл, а нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нуклонов примерно в 1840 раз больше массы электрона. Химические элементы различаются количеством протонов Z (зарядовое число, порядковый номер элемента). Число нуклонов A в ядре называют массовым числом. Ядро элемента Xзаписывают в виде AzX, например, ядро гелия 42 He. Атомы одного и того жехимического элемента с различным числом нейтронов называются изотопами.Например, для водорода известны три изотопа: 11H, 21H и 31H.Некоторые ядра (радионуклиды) самопроизвольно (спонтанно) превращаются в другое ядро, испуская частицы, (А. Беккерель, 1896г.).
Это явление получило название радиоактивность. Распадающееся ядро называют материнским, а образующееся после распада – дочерним. Дочернее ядро может бытькак стабильным, так и радиоактивным.К основным радиоактивным превращениям относятся α - и β -распады.Альфа-распад. При α -распаде ядро (обычно тяжелое) испускает ядро гелия,состоящее из двух протонов и двух нейтронов, которое называют α -частицей.Схему α -распада представляют в видеAzX→42He + A-4z-2Yгде X и Y – символы химических элементов.
Например, превращение радия врадон происходит по схеме22688 Ra→42He + 22286 RnКвантовая механика объясняет α -распад туннельным эффектом – проникновением α -частицы через потенциальный барьер на поверхности ядра, образующийся под действием сил ядерного притяжения нуклонов и кулоновскогоотталкивания протонов.Бета-распад. При таком распаде в ядре происходит превращение нейтронав протон и электрон (электронный распад) или протона - в нейтрон и позитрон(позитронный распад), при этом число нуклонов в ядре не изменяется, а зарядовое число изменяется на ± 1. Известны три разновидности β -распада.11. Электронный β -распад ( β -- распад).
Примером такого распада служитпревращение свободного нейтрона n в протон p, электрон -1 0e и электронноеантинейтрино ν~ e:n → p + -1 0e + ν~ e.Подобные превращения нейтрона происходят во многих нестабильных ядрах, при этом электрон и антинейтрино покидают ядро. Электронный распад вядре протекает по схеме:AzX→Az+1Y+ -1 0e + ν~ e(1)2. Позитронный β -распад ( β +- распад). В этом случае ядро испускает позитрон и электронное нейтрино:AzX→Az-1Y+ +1 0e + ν eПри позитронном распаде в ядре происходит превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино:p → n + +1 0e + ν eПозитрон является античастицей электрона, имеющей такую же массу, нопротивоположные по знаку электрический заряд, лептонный заряд и магнитный момент.3. Электронный захват. Третий вид β - распада – захват ядром собственногоорбитального электрона, чаще с ближайшей K – оболочки:AzX+ -1 0e →Az-1Y+νe(2)При этом в ядре протон и электрон превращаются в нейтрон и нейтриноp + -1 0e → n + ν e.Нейтрино и антинейтрино – электрически незаряженные элементарные частицы, различающиеся знаком лептонного заряда.
Масса покоя этих частицмного меньше массы электрона (вопрос о массе нейтрино – предмет современных исследований). Нейтрино и антинейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, поэтому их можно зарегистрировать только в специальных опытах.К радиоактивным превращениям относят также спонтанное деление тяжелых ядер - урана, плутония и др.Гамма-излучение. Атомное ядро, состоящее из двух и более нуклонов, может находиться в состояниях с различными дискретными значениями внутренней энергии. Состояние с минимальной энергией называется основным, а с2большей энергией – возбужденным.
Материнское ядро перед распадом находится в основном состоянии, а дочернее ядро может оказаться как в основном,так и в возбужденном состоянии. В последнем случае практически мгновеннопосле распада дочернее ядро пе60реходит в основное состояние,27 Coиспуская один или несколько фоβ- -распадтонов большой энергии, называемых γ - квантами. Это γ - излучение часто сопровождает всевиды распадов. Примером такогоγ-квант 1,17 МэВпроцесса является электронныйраспад кобальта-60 (см. рис. 1).Дочернее ядро никель-60 образуγ-квант 1,33 МэВется во втором возбужденном со60стоянии и испускает последова28 Niтельно два γ - кванта с энергиями1,17 МэВ и 1,33 МэВ. (ЭлектронРис.
1. Схема распада кобальта-60вольт – энергия, приобретаемаячастицей с элементарным зарядом в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В; 1 эВ = 1,6 .10-19 Дж.)γ - Излучение – электромагнитное излучение, отличающееся от света значительно большей частотой ν . Электромагнитные волны имеют двойственнуюприроду: волна – частица. В таких явлениях, как интерференция и дифракция,проявляются волновые свойства. Однако в процессах испускания и поглощения они выступают как частицы (фотоны, γ - кванты) с энергией E=hν и импульсом p = hν /c, где h – постоянная Планка. Чем выше энергия фотона, темярче проявляются его корпускулярные свойства и слабее волновые. Энергия γ кванта радиоактивного распада может достигать нескольких МэВ, в то времякак энергия фотонов видимого излучения составляет примерно 2 эВ.Некоторые ядра находятся в возбужденном состоянии длительное время (до610 лет).
Такие состояния называются изомерными. Например, технеций 9943 Tcпереходит из возбужденного состояния в основное с периодом полураспада 6часов, испуская γ - квант с энергией 0,14 МэВ. Изомеры являются источникамитолько γ - излучения. Упомянутый технеций применяется в медицинскойрадиоизотопной диагностике.Энергия распада. Радиоактивный распад может происходить, если он непротиворечит закону сохранения полной энергии, включающей энергию покояm0 c2, т.е. если разность между массой исходного ядра и суммарной массойпродуктов распада положительна. Суммарная масса покоя протона, электронаи антинейтрино меньше массы нейтрона, поэтому свободный нейтрон распадается, а свободный протон (ядро 11H) - нет.
В сложном ядре протон при превращении в нейтрон и позитрон получает недостающую энергию от других нуклонов.3При радиоактивном распаде выделяется определенная для данного нуклидаэнергия в интервале примерно от 20 кэВ до 17 МэВ. Эта энергия делится между продуктами распада таким образом, чтобы выполнялся закон сохраненияимпульса. Наиболее простой случай распределения энергии распада междучастицами – это α - распад без испускания γ - кванта. Материнское ядро передраспадом практически покоится, поэтому α - частица и дочернее ядро разлетаются в противоположных направлениях с одинаковыми по модулю импульсами p.
При этом кинетическая энергия частиц (случай нерелятивистский) равнаE=p2/2m0 , где m0 – масса частицы. Таким образом, энергия распада делитсямежду частицами однозначно: отношение энергий α - частицы и дочернего ядра обратно пропорционально отношению их масс. При распаде тяжелого ядраэнергия α - частицы примерно в 50 –60 раз больше энергии дочернего ядра.При β --распаде энергия деdnлится между тремя частицами:dEдочерним ядром, электроном иантинейтрино. При этом реализуется множество вариантовразлета трех частиц, удовлетворяющих закону сохранения импульса. Отсюда следует разнообразие в делении энергии распада между тремя частицами.Дочернее ядро по-прежнему поEEmaxлучает небольшую долю энергии распада.
Однако делениеРис. 2. Энергетический спектрэнергии между электроном и антинейтрино неоднозначное. Вэлектронов β-распадарезультате электроны распадаимеют различную энергию – от очень малой до максимальной энергии Emax,близкой к энергии распада (рис. 2). Средняя энергия электронов обычно близкак трети максимальной энергии.2. Закон радиоактивного распадаРадиоактивные превращения представляют собой случайный процесс, экспоненциальный закон распада которого имеет следующее теоретическое объяснение.Пусть в момент времени t имеется большое число N одинаковых ядер.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
