МУ-Я-63 (1003908)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТим. Н.Э. БАУМАНАИ.Н. ФЕТИСОВРАДИОАКТИВНОСТЬМетодические указания к выполнению лабораторной работы Я- 63по курсу общей физикиПод редакцией Г.В БалабинойМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э.Баумана20082Цель работы – ознакомление с радиоактивностью и дозиметрией излучений, измерения периода полураспада калия - 40, удельной радиоактивностипродукта питания и содержания калия в веществе.Теоретическая часть1. Радиоактивные превращенияАтомы состоят из ядра и электронной оболочки. Линейные размеры атома≈ 10м, а ядра – на 4-5 порядков меньше.
Ядра состоят из протонов и нейтронов – частиц, называемых нуклонами. Между нуклонами действуют ядерныесилы притяжения. Протон имеет положительный элементарный заряд e =1,6.10-19 Кл, а нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нуклонов примерно в 1840 раз больше массы электрона. Химические элементы различаютсяколичеством протонов Z (зарядовое число, порядковый номер элемента). Числонуклонов A в ядре называют массовым числом. Ядро элемента X записывают ввиде AzX, например, ядро гелия 42 He.
Атомы одного и того же химическогоэлемента с различным числом нейтронов называются изотопами. Например,для водорода известны три изотопа: 11H, 21H и 31H.Некоторые ядра (радионуклиды) самопроизвольно (спонтанно) испускаютчастицы, превращаясь в другое ядро (А. Беккерель, 1896г.). Это явление получило название радиоактивность. 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 ядро (обычно тяжелое) испускает ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, которое называют α частицей. Схему α -распада представляют в виде–10AzX→42He + A-4z-2Yгде X и Y – символы химических элементов. Например, превращение урана вторий происходит по схеме23592U→42He + 23190 ThКвантовая 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 нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом число нуклонов в ядре не изменяется, а зарядовое число изменяется на ± 1. Известны три разновидности β распада.31. 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 нестабильныхядрах, при этом электрон и антинейтрино покидают ядро.
Электронный распадв ядре 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,но противоположные по знаку электрический заряд, лептонный заряд и магнитный момент.3. Электронный захват. Третий вид β - распада – захват ядром собственного орбитального 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 элементаные частицы, масса покоя которых много меньше массы электрона (вопрос о массенейтрино – предмет современной физики).
Они различаются знаком лептонного заряда. Эти частицы чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, поэтому их можно зарегистрировать только в специальных опытах.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 сбольшей 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 мгновенно4после распада дочернее ядро переходит в основное состояние, испуская одинили несколько фотонов большой энергии, называемых γ- квантами. Это γ- излучение часто сопровождает все виды распадов. Примером такого процесса является электронный распад ко60Coбальта-60. Дочернее ядро (ни27−кель-60) образуется во второмβ - распадвозбужденном состоянии и испускает последовательно два γкванта с энергиями 1,17 МэВ и1,33 МэВ (рис. 1). (Электронγ-квант 1,17 МэВвольт – энергия, приобретаемаячастицей с элементарным заряγ-квант 1,33 МэВдом в электрическом поле с раз60Niностью потенциалов 1 В; 1 эВ =281,6 .10-19 Дж.)γ- Излучение – электромагнитное излучение, отличающееРис.
1. Схема распада кобальта-60 с испусся от света значительно большейканием электрона и двух γ-квантовчастотой ν . Электромагнитныеволны имеют двойственную природу: волна – частица. В таких явлениях, какинтерференция и дифракция, проявляются волновые свойства. Однако в процессах испускания и поглощения они выступают как частицы (γ- кванты, фотоны) с энергией E = hν и импульсом p = hν / c, где h – постоянная Планка. Чемвыше энергия фотона, тем ярче проявляются его корпускулярные свойства ислабее волновые. Энергия γ - кванта радиоактивного распада может достигатьнескольких МэВ, в то время как энергия фотонов видимого излучения составляет примерно 2 эВ.Некоторые ядра находятся в возбужденном состоянии длительное время(до 106 лет).
Такие состояния называются изомерными. Например, изотоп технеция 9943 Tc переходит из возбужденного состояния в основное с периодом полураспада 6 часов, испуская γ- квант с энергией 0,14 МэВ. Изомеры являютсяисточниками только γ - излучения.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.При радиоактивном распаде выделяется определенная для данного нуклида энергия в интервале примерно от 20 кэВ до 17 МэВ.
Эта энергия делитсямежду продуктами распада таким образом, чтобы выполнялся закон сохранения импульса. Наиболее простой случай распределения энергии распада междучастицами – это α - распад без испускания γ- кванта. Материнское ядро перед5распадом 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) равнаK = p2 / 2 m0 , 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 делится между тремя частицами: дочерним ядром,электроном и антинейтрино. При этом реализуется множество вариантов разлета трех частиц, удовлетворяющих закону сохранения импульса.
В этом случае дочернее ядро по-прежнему получает небольшую долю энергии распада.Однако деление энергии между электроном и антинейтрино неоднозначное. Врезультате электроны распада имеют различную энергию – от очень малой домаксимальной энергии Emax, близкой к энергии распада. Средняя энергия электронов обычно близка к трети максимальной энергии.2. Закон радиоактивного распадаРадиоактивные превращения представляют собой случайный процесс,экспоненциальный закон распада которого имеет следующее теоретическоеобъяснение.Пусть в момент времени t имеется большое число N одинаковых ядер.
Вероятность λ распада ядра в единицу времени называется постоянной распада.Тогда за время dt распадетсяdN = λ N dt(3)ядер. Среднее число распадов за единицу времениA = dN / dt = λ N(4)называется активностью препарата. Единица активности – беккерель (Бк) соответствует одному распаду в секунду.
Часто также используют внесистемнуюединицу активности кюри, равную 1 Ки = 3,7.1010 Бк (такова активность 1 г радия). Активность единицы массы вещества, Бк/кг,a = A /m.(5)называется удельной активностью.Приращение числа нераспавшихся ядер за время dt (см. (3)):dN = - λ N dt.Интегрируя это выражение по времени, получимN = N0 exp (- λ t),(6)6где N (t) - число нераспавшихся ядер в момент времени t; N0 - число нераспавшихся ядер в произвольный начальный момент времени t = 0.Соотношение (6) выражает закон радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальной зависимости.
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}
