ПРОТОКОЛ

до лабораторної роботи № Т8-6

“Визначення лінійного коефіцієнту поглинання радіоактивного випромінювання”

з дисципліни “Загальна фізика”

студента групи

Бригада №

Дата виконання лабораторної роботи:

Відмітка про виконання лабораторної роботи:

Відмітка про захист лабораторної роботи:

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА Т8-6

Визначення лінійного коефіцієнта поглинання радіоактивного випромінювання

1 МЕТА РОБОТИ

1.1 Експериментально визначити лінійний коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання.

2 ПРИЛАДИ і матеріали

2.1 Газорозрядний лічильник Гейгера-Мюллера.

2.2 Джерело радіоактивного препарату в свинцевій оболонці.

2.3 Металеві пластинки відомої товщини.

2.4 Лічильник електричних імпульсів.

2.5 Годинник із секундною стрілкою.

3 ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ ТА МЕТОДУ ДОСЛІДЖЕННЯ

Як показує експеримент, інтенсивність потоку I радіоактивного випромінювання при проходженні його через речовину зменшується. Експериментально з’ясовано, що зменшення інтенсивності радіоактивного випромінювання прямо пропорційне інтенсивності випромінювання I та товщині шару речовини dx, крізь яке воно проходить:

. (1.1)

Коефіцієнт пропорційності отримав назву лінійного коефіцієнта поглинання радіоактивного випромінювання. Інтегруючи рівняння (1.1), отримаємо таке співвідношення

, (1.2)

де d – товщина шару речовини; I₀ – початкова інтенсивність випромінювання. Експериментально вимірявши інтенсивності I, I₀ та товщину речовини d, можливо за допомогою формули (1.2) обчислити лінійний коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання μ.

Для характеристики інтенсивності радіоактивного випромінювання використовується декілька одиниць вимірювання.

Активністю радіоактивного препарату називають величину, що дорівнює загальній кількості розпадів радіоактивних ядер за одиницю часу:

. (1.3)

У системі одиниць СІ активність вимірюється в бекерелях (Бк) 1Бк=1 с^-1 (1 розпад за секунду).

У практиці використовується позасистемна одиниця активності – кюрі (Кі):

1Кі=3,700·10¹⁰Бк.

Таку активність має 1 г радію-226.

Дозою опромінення називають міру дії рентгенівського і радіоактивного випромінювання на речовину. Розрізняють дози – поглинуту і експозиційну.

Поглинута доза – це енергія випромінювання, яку поглинає одиниця маси опромінюваного середовища:

. (1.4)

Одиницею поглинутої дози є грей: 1 Гр=1 Дж/кг.

Експозиційна доза — це міра іонізаційної дії рентгенівського і гамма-випромінювань на повітря за нормальних умов (різним тілам властива різна енергія іонізації складових частинок, тому для визначення іонізаційної дії проміння за еталон узято повітря за нормальних умов); чисельно ця доза визначається відношенням сумарного заряду всіх іонів одного знака, які утворилися в певному об'ємі повітря, до його маси в цьому об'ємі:

. (1.5)

Експозиційну дозу вимірюють у кулонах на кілограм. На практиці користуються також позасистемною одиницею експозиційної дози — рентгеном. Один рентген відповідає такій дозі випромінювання, коли в 1 м³ повітря за нормальних умов утворюється 2,08·10¹⁵ пар однозарядних іонів. Встановлено, що 1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг, енергетичний еквівалент рентгена 88·10^‑4 Гр.

Еквівалентна доза. Встановлено, що біологічна дія різних видів випромінювання при тій самій дозі поглинання різна. Біологічний вплив іонізуючого проміння різного типу характеризують порівняльним коефіцієнтом якості К, який встановлюється для рентгенівського і гамма-проміння таким, що дорівнює одиниці (К=1). Тоді для теплових нейтронів К=3, нейтронів з енергіями 5 МеВ цей коефіцієнт К=7. Еквівалентна доза визначається добутком поглинутої дози на коефіцієнт якості проміння

, (1.6)

у системі СІ за одиницю еквівалентної дози взято зіверт: 1 Зв=1 Дж/кг, також використовують одиницю поглинутої дози — грей.

Величина дози залежить від інтенсивності падаючого випромінювання і в усіх випадках від часу опромінення. Тому результат дії останнього оцінюють потужністю дози — дозою, віднесеною до одиниці часу. Тому використовують такі одиниці, як грей за секунду, рентген за секунду, зіверт за секунду і т.д.

У лабораторній роботі необхідно провести експериментальні вимірювання інтенсивності випромінювання (в бекерелях), експериментально з’ясувати, як інтенсивність випромінювання зміниться після проходження через речовину. Для цього використовується установка, схема якої наведена на рис. 1.1.

За джерело радіоактивного випромінювання 1 використано радіоактивну речовину, яку поміщено до свинцевого контейнера з невеликим отвором. Радіоактивне випромінювання спрямовується на пластинки відомої товщини 2. Інтенсивність випромінювання після проходження пластинок вимірюємо за допомогою газорозрядного лічильника Гейгера-Мюллера 3. Кількість зареєстрованих частинок радіоактивного випромінювання підраховує лічильник електричних імпульсів 5.

Рисунок 1.1 – Схема експериментальної установки для визначенням лінійного коефіцієнта поглинання радіоактивного випромінювання: 1 – джерело радіоактивного випромінювання; 2 – поглинаюча пластинка; 3 – лічильник Гейгера-Мюллера; 4 – джерело живлення лічильника Гейгера-Мюллера; 5 – лічильник електричних імпульсів

Для реєстрації іонізуючого випромінювання в лабораторній роботі використовуємо лічильник Гейгера-Мюллера. Він складається з наповненої розрідженим газом тонкостінної циліндричної трубки 1 (див. рис. 1.2). Товщина стінки трубки 1 достатньо мала і тому майже не затримує частинки радіоактивного випромінювання.

Рисунок 1.2 – Схема лічильника Гейгера-Мюллера: 1 – трубка; 2 – тонка дротинка

До складу газу, що наповнює трубку, може входити до 90% аргону і 10% газоподібного етилового спирту. Тиск газоподібної суміші 90-100  мм ртутного стовпчика.

Усередині трубки по осі циліндра розміщено тонку дротинку 2 (рис. 1.2). До неї підводиться висока позитивна напруга, яка біля осі трубки створює великий градієнт напруженості електричного поля. Якщо ,  або частинка, пролітаючи в трубці, іонізує хоча б одну нейтральну молекулу, то утворений іон газу розганяється електричним полем до такої швидкості, що виникає додаткова ударна іонізація нейтральних молекул газу. Вони, в свою чергу, іонізують інші нейтральні молекули – відбувається лавиноподібне наростання потоку іонів – самостійний газовий розряд. Струм, що проходить через трубку, різко наростає. Виникає електричний імпульс, який через конденсатор (див. рис. 1.2) передається до лічильника електричних імпульсів 5 (див. рис. 1.1).

Якщо не вжити спеціальних заходів, то розряд у трубці не згасне і лічильник Гейгера - Мюллера вийде з ладу (розплавиться). Для гасіння розряду в газорозрядній трубці між анодом і джерелом високої напруги вмикають резистор R з опором, що дорівнює приблизно 10⁶Ом. При різкому збільшенні струму (в момент реєстрації радіоактивної частинки) на опорі R утворюється значна напруга, що приводить до зменшення електричного поля всередині газорозрядної трубки. Завдяки цьому розряд у трубці гаситься. Вона знову здатна зареєструвати іонізуючу частинку. Час гасіння розряду в трубці приблизно дорівнює 10^-4с. Це означає, що лічильник Гейгера-Мюллера може зареєструвати до 10⁴ іонізуючих частинок за секунду.

4 Порядок виконання роботи

1 Увімкніть блоки експериментальної установки (4, 5, рис. 1.1).

2 Визначте середній природний фон I_ф іонізуючого випромінювання в лабораторії, тобто середнє число іонізуючих частинок за хвилину, що потрапляють до лічильника Гейгера-Мюллера, за умови відсутності випромінювання від радіоактивного препарату. Цей фон існує за рахунок космічних променів, радіоактивності надр Землі. Природний фон завжди накладається на досліджуване випромінювання. Тому при будь-яких визначеннях істинної інтенсивності досліджуваного випромінювання необхідно його враховувати. Для знаходження I_ф необхідно провести 5 вимірювань числа іонізуючих частинок, що потрапляють до лічильника, за одну хвилину. Отримані значення запишіть до таблиці 1.1. Середнє значення та похибку знайдіть, використовуючи формули

,

. (1.7)

У цій формулі N=5 – кількість експериментів.

3 Визначте початкову інтенсивність випромінювання радіоактивного джерела з природним фоном I_0ф. Для цього встановіть джерело випромінювання біля лічильника Гейгера-Мюллера, на шляху іонізуючих пластинок не повинно бути поглинаючих пластинок. Проведіть 5 вимірювань числа іонізуючих частинок, що потрапляють до лічильника, за одну хвилину. Отримані значення запишіть до таблиці 1.1. Середнє значення та похибку знайдіть, використовуючи подібні до (1.7) формули.

4 Не змінюючи положення радіоактивного джерела, визначте інтенсивність випромінювання радіоактивного джерела з природним фоном I_1ф, якщо на шляху іонізуючих частинок розташована пластинка відомої товщини. Для цього встановіть між джерелом випромінювання та лічильником Гейгера-Мюллера одну поглинаючу пластинку. Проведіть 5 вимірювань числа іонізуючих частинок, що потрапляють до лічильника, за одну хвилину. Отримані значення запишіть до таблиці 1.1. Середнє значення та похибку знайдіть, використовуючи подібні до (1.7) формули. До таблиці 1.1 запишіть товщину пластинки.

5 Не змінюючи положення радіоактивного джерела, визначте інтенсивність випромінювання радіоактивного джерела з природним фоном I_2ф, якщо на шляху іонізуючих частинок розташовано дві пластини відомої товщини. Для цього встановіть між джерелом випромінювання та лічильником Гейгера-Мюллера дві поглинаючі пластинки. Проведіть 5 вимірювань числа іонізуючих частинок, що потрапляють до лічильника, за одну хвилину. Отримані значення запишіть до таблиці 1.1. Середнє значення та похибку знайдіть, використовуючи подібні до (1.7) формули. До таблиці 1.1 запишіть товщину двох пластинок.

6 Обчисліть відповідні інтенсивності без природного фону, а також їх похибки:

I₀=I_0ф–I_ф,

I₁=I_1ф–I_ф,

I₂=I_2ф–I_ф,

,

,

. (1.8)

Результати занесіть до таблиці 1.1.

7 Використовуючи формулу (1.2), обчисліть лінійний коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання досліджуваної речовини та його похибку у випадку, коли проводили дослідження з однією пластинкою. Тобто

,

. (1.9)

Прийміть, що =0,01 мм.

8 Використовуючи формули, аналогічні до (1.9), обчисліть лінійний коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання досліджуваної речовини та його похибку у випадку, коли проводили дослідження двох пластинок.

9 За результатами роботи зробіть висновок.