Физика Лаб. раб. Часть 2

2.Ручку "светофильтры" установите в положение 490 нм, а "чувствительность" - в положение 1. Обратите внимание на маркировку значений длины волны (ручка "светофильтры") и чувствительности. Красные значения светофильтров соответствуют красным значениям чувствительности и наоборот, черные - черным значениям чувствительности. Ручки установка "100" - "точно" и "грубо" должны находиться в крайнем левом положении (минимальная чувствительность). Этим регистрирующий прибор предохраняется от перегрузки или поломки. Ручки вращаются легко, без какого-либо напряжения. Не прикладывайте значительных усилий к этим ручкам управления, иначе испортите прибор.

3.Включите КФК-2 в сеть 220 В (тумблер включения находится на задней стороне прибора), при этом должна загореться сигнальная лампа на передней панели. За время прогрева КФК-2 (5 минут – при лабораторных исследованиях прогревают 15-20 минут) подготовьтесь к измерениям. Начертите таблицу для записи результатов измерений.

4.Подберите 2 одинаковые по толщине кюветы. Они должны быть сухими - мокрые вытрите фланелью. Брать руками кюветы следует за узкие грани, чтобы не загрязнять широкие грани кювет, через которые проходит луч света.

5.Заполните кюветы растворителем (дистиллированная вода) до метки на боковой грани. Перелив жидкостей в кюветы (особенно агрессивных) приводит при неосторожном пользовании к коррозии и порче прибора, поэтому не заполнять кюветы до верхнего края.

6.Подняв откидную крышку прибора, поместите кюветы с водой в кюветодержатели так, чтобы узкая часть кюветы прижималась пластинчатой пружиной (широкая грань кюветы расположена перпендикулярно лучу света).

7.Ручку перевода кюветодержателя под кюветным отделением переместите в положение 1, при этом кюветодержатель переместится ближе к Вам, и луч света будет проходить через дальнюю от Вас кювету с растворителем (при закрытой крышке кюветного отделения).

8.Закройте крышку кюветного отделения, при этом стрелка измерительного прибора отклонится от нуля. Ручками "грубо" - "точно" установите стрелку на "0" шкалы оптической плотности

63

D (на приборе на нижней шкале справа). Если это сделать не удается, то повернув ручки "грубо" - "точно" влево до упора, переключите "чувствительность" на 2 и вновь ручками "грубо" - "точно" установите "0". Если и при этом не добьетесь желаемого, то проделайте, также при "чувствительности" 3.

9.Ручку перемещения кюветодержателя переведите в положение 2. При этом луч света будет проходить через ближнюю от Вас кювету с растворителем. Значение оптической плотности на шкале прибора должно равняться нулю. Если это так, то занесите это в таблицу и переходите к пункту 11. В противном случае протрите широкие грани обеих кювет и повторите пункты 6-9. Если после этого при перемещении кюветодержателя в положение 2 оптическая плотность нулю не равна, то запишите значение оптической плотности в таблицу 1 и переходите к пункту 11 (это означает, что оптическая плотность кювет с растворителем не одинакова из-за дефектов кювет при работе с ними и т. п.; при лабораторных исследованиях необходимо подбирать кюветы с растворителем с одинаковой оптической плотностью; допускаются и небольшие различия в оптических плотностях таких кювет, но калибровочный график не будет проходить через начало координат).

В случае отклонения стрелки прибора вправо от нуля (меньше нуля) при переводе кюветодержателя в положение 2, переходите к пункту 10.

10.Поменяйте местами кюветы в кюветодержателе и повторите пункты 7-9.

11.Замените в ближней от Вас кювете растворитель на исследуемый раствор 2%-й концентрации (выливайте растворы из кювет в те же пробирки, из которых наливали).

Переведите кюветодержатель в положение 1 и, если оптическая плотность нулю не равна, ручками ―грубо‖ и ―точно‖ установите ноль оптической плотности.

12.Переведите кюветодержатель в положение 2 и запишите затем значение оптической плотности данного раствора. Еще по 2 раза проверьте ноль оптической плотности растворителя и измерьте оптическую плотность исследуемого раствора.

64

							Таблица 1
С, %	0	2	4	6	8	Х1		Х2
1
D 2
3
Среднее D

13.Аналогично пунктам 11 и 12 измерьте оптическую плотность других растворов (4%, 6%, 8%, растворов неизвестной концентрации Х1% и Х2%).

14.После окончания всех измерений отключите прибор от сети сначала тумблером на задней панели прибора, затем выньте вилку из розетки. Осторожно извлеките кюветы из кюветодержателя, не разливая их содержимого. Вылейте их содержимое в сосуды, из которых наливали, и поместите кюветы

вотмывающий раствор.

15.Постройте калибровочный график зависимости средних значений оптической плотности D от их концентрации С (2%, 4%, 6%, 8%).

16.По графику определите концентрацию растворов Х1 и Х2 (в %) и оцените погрешность измерений.

Контрольные вопросы

1)Оптическая схема фотоэлектроколориметра.

2)Механизм поглощения света веществом.

3)Закон Бугера-Ламберта-Бера и физический смысл всех входящих в него величин.

4)Коэффициент поглощения и его физический смысл; от чего зависит коэффициент поглощения.

5)Коэффициент пропускания, оптическая плотность, связь между ними.

6)Рассеяние света, закон Релея, нефелометрия.

7)Примеры применения спектрального анализа (фотоколометрии) в медицине и фармации.

65

Лабораторная работа № 16

Определение активности радиоактивного препарата и коэффициента поглощения β - лучей в веществе

Основные понятия и определения: явление радиоактивности

(естественная и искусственная радиоактивность); активность радиоактивного распада; взаимодействие ионизирующего излучения с веществом; дозиметрические приборы.

Цель работы: пользоваться пересчетным устройством, определять активность радиоактивного препарата и коэффициент поглощения излучения веществом.

Краткая теория

По современным представлениям, атомное ядро состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые называются нуклонами. Протоны и нейтроны прочно удерживаются внутри ядра ядерными силами, природа которых изучена еще недостаточно.

Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона (е=1,6∙10-19Кл), а нейтрон не имеет заряда. Протон принято обозначать символом – 1р1, а нейтрон – 0n1. Нижние символы обозначают заряд частицы, а верхние – массовое число частиц выраженное в атомных единицах массы (а.е.м.).

Число протонов Np в атомном ядре элемента определяется порядковым номером элемента Z , т.е. Np=Z.

Число нейтронов Nn в атомном ядре элемента равно разности между массовым числом А и атомным номера элемента: Nn=A–Z, где A выражается в а.е.м.

Атомные ядра химических элементов принято обозначать символом ZXA, где Х – символ элемента, А – массовое число, Z – атомный номер. Например, 19К39 – атомное ядро кислорода. Число протонов в ядре кислорода равно 19, а число нейтронов – 39-19=20.

Для того чтобы разрушить ядро, т.е. удалить нуклоны из поля действия сил, надо совершить работу (затратить некоторую энергию). Эта энергия называется энергией связи ядра (Eсв) и определяется на основе пропорциональности массы и энергии.

В процессе распада ядра наблюдается радиоактивное излучение трѐх видов: α- лучи, β - лучи, γ - лучи.

66

α-лучи представляют собой поток ядер гелия 2Не4, называемых α-частицами. Каждая α-частица несет два элементарных положительных заряда (+2е) и обладает массовым числом А=4. Они вылетают из ядер со скоростью 14000-20000 км/с, что соответствует энергии от 4 до 9 МЭВ. α - частица возникает по следующей реакции:

21p1+20n1 2Не4

Схему α-распада с учетом правила смещения (законы сохранения заряда, массового числа и энергии) записывают в

виде:

ZXA→ Z-2YA-4+2α4,

где X и Y – символы соответственно материнского и дочернего ядра.

Проникая через вещество, α - частица ионизирует его атомы, действуя на них своим электрическим полем. Израсходовав энергию, она захватывает два электрона и превращается в атом гелия. В связи с тем, что α – частица является довольно тяжелой и большой по размеру микромира, она очень быстро растрачивает свою энергию при взаимодействии с веществом. Следовательно, - частица сильно поглощается веществом и для их экранировки достаточно, например, слой алюминия толщиной 0,06 мм или слой биологической ткани толщиной 0,12 мм.

β-лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов (называемых β - частицами).

β-частицы рождаются в результате превращения одного из нейтронов ядра в протон или протона в нейтрон по следующей реакции:

								_
0 n1 1 p1 1 0 0 0 ;			1 p1 0 n1 1 0 0 0
где: -1β0 электрон; +1β0 - позитрон;					0 0 и					0 - нейтроно и
								0
антинейтроно - элементарные частицы.
Схема -1β0	– распада	(электронного) с учетом правила
смещения:
	XA→ YA+			β0			0 .
					+
	Z	Z+1	-1		0
		67

При -1β0-распаде электрон образуется в результате внутриядерного превращения нейтрона в протон.

Схема +1β0 – распада (позитронного) с учетом правила

смещения:

ZXA→ Z-1YA++1β0 + 0 0 .

При +1β0-распаде позитрон образуется вследствие внутриядерного превращения протона в нейтрон.

Поскольку - частица имеет весьма малую массу, большую (в среднем) скорость и несет только один элементарный заряд ее ионизационная способность значительно (в среднем в 100 раз) меньше, а длина пробега во столько же раз больше, чем у - частиц.

Во многих случаях при радиоактивном распаде ядро нового элемента оказывается в возбужденном состоянии, т.е. на более высоком энергетическом уровне. Такое состояние ядра неустойчиво, оно переходит в основное состояние. С излучением γ

– фотона энергия - фотонов у различных веществ может быть в пределах от 0,2 до 3 МЭВ.

- лучи, в отличие от и - лучей, обладают малой ионизационной, но громадной проникающей способностью.

Радиоактивный распад приводит к постепенному уменьшению числа ядер радиоактивного элемента. Он носит случайный характер в том смысле, что нельзя предсказать, когда и какое именно ядро распадется. Можно говорить только о вероятности распада каждого ядра за определенный промежуток времени.

Число ядер dN, распадающихся за время dt, пропорционально времени и общему числу N ядер радиоактивного элемента:

dN Ndt

(1)

- коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада данного элемента.

Знак «-» указывает на уменьшение числа ядер радиоактивного элемента со времени. Для подсчета количества оставшихся N ядер радиоактивного элемента через t, проинтегрируем выражение (1). Для этого разделяем переменные:

68

dNN dt .

От левой и правой частей берем интеграл:

dNN dt

Используем начальные условия, что в момент времени t=0 число ядер равно N0, а в любой момент времени t число ядер – N. С учетом этого получаем:

			N		dN		t
						dt
					N
			N	0			0
ln N		N t			или		ln N ln N0 t
		N0

Полученное выражение запишем в виде:

ln	N	t		ln	N	ln e t
			или
	N0				N0
Потенцируем полученное выражение и получаем:
			N N0e t	(2)

Выражение (2) называется законом радиоактивного распада. Графически он представлен на рис. 1. Скорость распада различных радиоактивных элементов характеризуют периодом полураспада Т — время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер; т.е. при t=T число ядер N=N0/2, где N0 – начальное число радиоактивных ядер.

T ln 2 / - период полураспада.

69

N

N0

N0/2

t

T

Рисунок 1. График закона радиоактивного распада

Число ядерных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1с называется активностью этого элемента - а:

	a		dN		N	N ln 2	,
			dt			T

т.е. активность элементов пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада. За единицу активности принята активность 1 г радия, получившая название Кюри:

1 Ки=3,7·1010 распадов/с

Применяется еще одна единица активности - резерфорд.

1 Р=106 распадов /с=1/3700Ки

Активность радиоактивного препарата можно определить по активности эталонного препарата.

Если эталонный препарат с известной активностью аэт. дает Nэт импульсов за t, то, посчитав количество импульсов Nx исследуемого препарата за то же время, определяют его активность по формуле:

ax aэт Nx

Nэт

а с учетом естественного фона имеем:

ax aэт	Nx Nф				(3)
	N	эт	N	a
		70

Для оценки защитных свойств какого-либо вещества от радиоактивного излучения необходимо знать, каково поглощение излучения в данном веществе.

Обозначим поглощающую величину слоя через dX. Относительное уменьшение интенсивности излучения dJ/J пропорционально толщине слоя dX:

dJ / J dX

(4)

где - коэффициент пропорциональности, численно равный относительному уменьшению интенсивности излучения, на единицу пути в данном веществе и называется коэффициентом поглощения. Проинтегрировав выражение (4) получим закон поглощения для β и γ - лучей в веществе:

J J0e X

(5)

где: J0 - интенсивность излучения без поглощения среды; J - интенсивность после поглощения средой толщиной X.

Интенсивность излучения β и γ - лучей до и после поглощения, I пропорциональна N числу импульсов, зарегистрированных прибором за время t. Тогда из формулы (5) имеем:

N	1	N	e X1 , откуда ln N1 ln N0 X1	(6)
		0

где N0 и N1 — соответственно количество импульсов до и после поглощения в слое толщиной X1. Такое же соотношение можно написать и для поглощающего слоя толщиной Х2.

ln N2 ln N0 X 2

(7)

Решая уравнения (6) и (7) относительно μ получим:

						ln			N1
	ln N1		ln N2						N2
			X					X
	X	2		1		X	2				1

71

т.к. ln 2,3lg , то это выражение (с учетом естественного фона) даст нам окончательное формулу для подсчета коэффициента поглощения β и γ - лучей:

	lg	N1		Nф
2,3		N		N		ф	(8)
	X X
			2
		2			1

Выполнение работы

Студент, при работе с радиоактивным веществом, обязан строго соблюдать правила техники безопасности:

1.не трогать руками счетчик Гейгера-Мюллера;

2.не направлять излучение на людей;

3.запрещается касаться радиоактивного препарата;

4.после окончания эксперимента необходимо поместить препарат в свинцовый контейнер.

Порядок работы с прибором РКСБ-104

1.Поставить переключатели в положение «х0,01;х0,01,200» и «раб.».

2.Отсчетным устройством прибора является жидкокристаллический индикатор, на табло которого при измерениях индицируются четырех разрядные числа – от 0000 до 9999. Например: на табло индуцируется число 0009, показания прибора – 9; или число 0018 – показания прибора – 18.

3.Для получения результата измерения показания прибора надо умножать на пересчетный коэффициент, указанный для каждой измеряемой величины (х0,01;х0,01,200). Результат получается в единицах измерения, указанных на панели прибора под табло индикатора.

4.Время индикации порядка 28 секунд после включения прибора. Через 28 секунд прибор должен выдать прерывистый звуковой сигнал; при этом на табло индикатора должно индицироваться 4-х разрядное число, которое сохраняется в

72