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 |
9999 |
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 :
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].
-
— энергия альфа-частицы
-
— период полураспада радиоактивного ядра
-
, — константы
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.