Увага! у лабораторній роботі використовується небезпечний радіоактивний препарат Рu239. Період піврозпаду 2,44×104 років. Тому при виконні роботи будьте уважними!
1. Ознайомитись з лабораторною установкою за інструкцією або з допомогою лаборанта.
Мікрометричний гвинт, на торці якого укріплено радіоактивний препарат Рu239, встановити на нуль. При цьому препарат буде знаходитись на мінімальній відстані від флуоресціюючого екрана.
2. Провести вимірювання числа N(x) a-частинок через кожен 1 мм відстані препарата від поверхні лічильника (два повних оберти мікрогвинта). Час вимірювання t=100 с.
Результати вимірювань занести до таблиці.
| х (см) | ||||||||||||
| 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 1,0 | ... | 2,0 | ||
| N(x) |
3. Побудувати графік залежності кількості зареєстрованих a-частинок від відстані X між препаратом і лічильником.
4. Визначити величину середнього пробігу R0 a-частинок згідно з описом в теоретичних відомостях і рис. 6.1.3.
5. Користуючись формулою (4) теоретичних відомостей, знайти втрати енергії a-частинками на іонізацію молекул повітря.
6. Оцінити точність виконаних розрахунків.
Контрольні запитання
1. Записати правило зміщення для a-розпаду і дати його характеристику.
2. Як пояснити закон Гейгера-Неттола?
3. Чому енергія випромінюваних a-частинок порівняно невелика?
4. Чому енергетичний спектр a-випромінювання має дискретний характер?
5. Як взаємодіють a-частинки з молекулами речовини?
6. Як знаходять довжину вільного пробігу a-частинок у повітрі та втрати енергії на іонізацію молекул повітря?
7. При радіоактивному розпаді Рu239 a-частинки що вилітають мають енергію Еa=5,5 МеВ. На іонізацію молекул повітря витрачена енергія, яка знайдена в цій роботі. Де поділась решта енергії (Еa-Е)?
Лабораторна робота № 6.2
ВИЗНАЧЕННЯ АКТИВНОСТІ ДЖЕРЕЛА
b-ВИПРОМІНЮВАННЯ
Мета роботи: освоїти один із методів визначення активності джерела 
-випромінювання.
Прилади і матеріали: перерахунковий прилад ПСО-2,4 з блоком детектування; джерело і-випромінювання Sr90.
Теоретичні відомості
Процес самовільного перетворення нестійких ізотопів одних хімічних елементів в ізотопи інших елементів з випромінюванням елементарних частинок або ядер легких хімічних елементів називається радіоактивністю.
Явище радіоактивності обумовлене лише внутрішньою будовою ядра і не залежить від зовнішніх умов (тиску, температури, агрегатного стану та ін.). Всі спроби вплинути на хід радіоактивного розпаду не дали бажаних результатів.
Радіоактивний розпад не завжди закінчується утворенням стабільного ядра. У багатьох випадках спостерігаються ланцюжки радіоактивних розпадів, в яких ядра знаходяться в близькій взаємодії одне з одним. Такі радіоактивні ланцюжки називають радіоактивними рядами.
Серед природних радіоактивних речовин є принаймні три елементи, період піврозпаду яких є одного порядку з віком Землі, приблизно рівним 4,5×109 років. До них відносяться ізотопи 92U238 (Т1/2=4,5×109 років), 92U235 (Т1/2=7,13×108 років), і 90Th232 (Т1/2=1,4×1010 років). Ці елементи розміщені в кінці періодичної системи Менделєєва і входять до групи актиноїдів. Вони дають початок трьом природним радіоактивним рядам: урану (92U238), актинію (92U235) і торію (90Th232).
Імовірність радіоактивного розпаду l ядра за одиницю часу є сталою величиною для даного елемента. Звідси випливає, що число актів радіоактивного розпаду dN за інтервал часу dt пропорційне кількості радіоактивних ядер N(t) в момент часу t.
. (1)
Величину l, яка має розмірність с-1 називають сталою радіоактивного розпаду. Знак мінус у співвідношенні (1) вказує на зменшення числа радіоактивних ядер з часом.
Інтегрування диференціального рівняння (1) після поділу змінних дає вираз:
, (2)
де В – константа інтегрування.
При t=0 число радіоактивних ядер було, рівним N0. Тому:
. (3)
З (2) і (3) одержимо:
. (4)
Або
. (5)
Потенціюючи вираз (5), одержимо:
. (6)
Рівняння (6) відоме під назвою закону радіоактивного розпаду. В цьому рівнянні:
N(t) – число ядер, які не розпались на момент часу t;
N0 – початкове число атомних ядер;
l – стала радіоактивного розпаду.
Кількість ядер, які розпадаються за час t, визначається співвідношенням:
. (7)
Час, за який розпадається половина початкового числа ядер, називається періодом піврозпаду Т. Величина Т визначається із співвідношення:
,
звідки:
, (8)
де 
– середній час життя радіоактивного ядра.
Нові продукти розпаду можуть бути також радіоактивними. Якщо період піврозпаду препарату «А» значно більший періоду піврозпаду препарату «В», то число ядер NB виражається через число ядер NА таким співвідношенням:
. (9)
Через деякий час t між радіоактивними нуклідами «А» і «В» наступить рівновага, тобто;
. (10)
Будь-який радіоактивний розпад характеризується активністю розпаду, тобто числом розпадів за одиницю часу.
Із закону радіоактивного розпаду легко визначити активність А:
,
де 
— початкова активність препарату.
Тому:
. (11)
Одиницею активності будь-якого препарату є 1 Бк (Бекерель), тобто один акт розладу за 1с. ( 
).
Дещо раніше користувались одиницею активності в 1 Кі (кюрі).
І Кі = 3,7×1010 Бк.
Слід відмітити, що хімічно чистий радій масою 1 г якраз має активність в 1 Кі.
Після відкриття явища радіоактивного розпаду було виявлено, що різні ядра розпадаються по-різному, з випромінюванням різних частинок. Розрізняють три основні види радіоактивності, які позначають грецькими буквами a, b і g.
Розглянемо детальніше природу b-розпаду. Бета-розпадом називається група перетворень атомних ядер, при яких один із нейтронів в ядрі перетворюється в протон або один із протонів у ядрі перетворюється в нейтрон. Одна із особливостей b- розпаду – це суцільний енергетичний спектр b-частинок. Розподіл b-частинок подано на рис. 6.2.1:
Енергія b- частинок змінюється від нуля до максимального значення. Енергетичний спектр b-частинок вимірюється магнетним b-спектрометром.
Крім електронів (позитронів) при b- розпаді випромінюється нейтрино n0 (антинейтрино 
). Нейтрино і антинейтрино мають спін 
і рухаються подібно до g- кванта зі швидкістю світла, не маючи при цьому ні маси, ні заряду.
Енергія b- частинки 
. Вона залежить від енергії, яку при цьому має нейтрино, що і є головною причиною суцільного спектра b-частинок. В середньому разом з b- частинками звільняється енергія, яка дорівнює 
.
Рис. 6.2.1
Згідно з сучасною теорією ядро, яке містить надлишок нейтронів порівняно зі стабільним ядром з таким же порядковим номером Z, здатне на b-розпад. При цьому в ядрі відбувається перетворення одного із нейтронів в протон:
, (12)
де +1р1 – протон;
-1b0 – електрон;
– антинейтрино.
Якщо ж ядро має надлишок протонів, порівняно з числом нейтронів, то в ядрі можливе перетворення:
, (13)
де 0n1 – нейтрон;
-1b0 – позитрон;
n0 – нейтрино.
Таке перетворення протона в нейтрон (13) можливе лише в ядрі. Вільний протон не може мати достатньої енергії для такого перетворення. Джерелом додаткової енергії можуть бути нуклони в збудженому ядрі.
Існує ще один вид b-розпаду, який пов’язаний із захопленням ядром одного із електронів оболонки атома. В результаті один із протонів ядра перетворюється в нейтрон, випускаючи при цьому нейтрино:
. (14)
Дочірнє ядро може виявитись у збудженому стані, тому воно здатне на випромінювання одного або кількох g-фотонів.
Захоплення електрона ядром може відбутись з К-, L- або М-оболонки атома. Заповнення утворених вакансій більш високо розміщеними електронами приводить до рентгенівського випромінювання, за допомогою якого і було виявлене електронне захоплення у 1937 році.
Порядок виконання роботи
Перед виконанням лабораторної роботи слід ознайомитись за інструкцією або за допомогою лаборанта з будовою і порядком роботи на перерахунковому приладі ПСО-2,4.
1. Привести лабораторну установку в робочий стан, при цьому цифрове табло повинно висвічувати нулі.
2. Виміряти радіоактивний фон Nф. Час вимірювання фону t=100 с. Дослід проробити тричі.
3. Одержати у лаборанта досліджуваний і еталонний радіоактивні зразки. Протягом часу t = 100 с виміряти число імпульсів від кожного препарату. Кожний дослід виконати не менше трьох разів. Результати вимірювань фону і препаратів занести до таблиці:
| Nф (імп) | Nд (імп) | Nет (імп) | Ад (Бк) | |
| Середні значення |
4. Визначити активність досліджуваного радіоактивного препарату, користуючись формулою:
,
де Ает – активність еталонного препарату, яка згідно з паспортом рівна 2×103 Бк;
– середні значення імпульсів, які зафіксовані перерахунковим приладом за час t = 100 с.
5. Оцінити похибки вимірювань.
Контрольні запитання
І. Який фізичний зміст сталої радіоактивного розпаду та який зв’язок має ця стала з періодом піврозпаду?
2. Вивести закон радіоактивного розпаду.
3. Які процеси відбуваються у ядрах при різних видах b- розпаду?
4. Записати і дати пояснення правил зміщення для трьох видів b- розпаду?
5. На якому принципі працює лічильник Гейгера-Мюллера?
6. В яких одиницях вимірюється активність радіоактивних препаратів?
Лабораторна робота № 6.3
ВИЗНАЧЕННЯ ЛІНІЙНОГО КОЕФІЦІЄНТА ОСЛАБЛЕННЯ І ЕНЕРГІЇ ГАММА-КВАНТІВ У СВИНЦІ ДЛЯ Co60
Мета роботи: ознайомитись з експериментальним методом визначення лінійного коефіцієнта ослаблення гамма-квантів у речовині та визначити їх енергію.
Прилади і матеріали: експериментальна установка, до складу якої входять: перерахунковий пристрій, лічильник Гейгера; радіоактивний препарат Co60 та свинцеві пластинки.
Теоретичні відомості
Проходячи через речовину, g- кванти рухаються зі швидкістю світла і або зовсім не взаємодіють з частинками речовини, або при взаємодії можуть віддавати повністю чи частково свою енергію. Механізм взаємодії g-випромінювання буде розглянуто нижче.
Із проходженням пучка g- випромінювання через речовину число g- квантів в ньому поступово зменшується. Зменшується також інтенсивність цього випромінювання. Детальний аналіз показує, що інтенсивність g- квантів у вузькому пучку при проходженні через речовину зменшується за експоненціальним законом:
І=І0е-mх, (1)
де Іо – початкова інтенсивність;
І – інтенсивність пучка g- квантів після проходження шару речовини товщиною х;
m – коефіцієнт ослаблення, який залежить від властивостей речовини і енергії g-квантів.
Товщина шару поглинальної речовини, при якій інтенсивність падаючого пучка зменшується вдвоє, називається товщиною половинного ослаблення. Знайдемо цю величину:
.
Звідки
. (2)
Для 10 – кратного ослаблення ця товщина дорівнює:
. (3)
Відомо біля десяти процесів взаємодії з речовиною, з яких основним є: фотоефект, комптонівське розсіювання і народження електронно-позитронних пар. Тому коефіцієнт ослаблення g- квантів можна подати у вигляді суми трьох складових
m=mф+mк+mп, (4)
де mф, mк, mп – лінійні коефіцієнти ослаблення відповідно за рахунок фотоефекту, комптонівського розсіювання і утворення електронно-позитронних пар. Для знаходження залежності коефіцієнта ослаблення від енергії g-квантів і властивостей речовини зупинимось на процесах поглинання дещо детальніше.
Фотоефект
Електрон, який знаходиться в атомі, не можна вважати вільним. Між ним і ядром (а також і іншими електронами) діють сили взаємодії. Тому при поглинанні g-кванта електроном, який знаходиться в атомі, деяка частина енергії імпульсу передається ядру атома.
Як показують розрахунки, в цьому випадку закони збереження енергії і імпульсу завжди можуть бути виконані одночасно. При цьому електрон набуває значної енергії і, як правило, залишає атом.
Енергія фотоелектронів дорівнює різниці між енергією 
–кванта і енергією зв'язку даного електрона в атомі:
Ее = Еg – Ее.з, (5)
де Еg – енергія g- кванта;
Ее.з – енергія зв'язку електрона в атомі.
Якщо електрон вилітає з внутрішньої електронної оболонки, то на неї переходить електрон з більш високої оболонки і заповнює вакансію. Різні енергії зв'язку електронів на цих двох оболонках є причиною появи рентгенівського випромінювання і електронів Оже, які мають незначну енергію. Поява рентгенівського випромінювання і електронів Оже, продовжується до тих пір, поки атом не повернеться в свій основний енергетичний стан. Фотоефект, електрони Оже і рентгенівське випромінювання викликають інтенсивну вторинну іонізацію при взаємодії з атомами поглинальної речовини. Імовірність процесу фотоефекту зменшується із збільшенням енергії g- квантів і росте в залежності від росту порядкового номера поглинальної речовини в таблиці Менделєєва:
, (6)
де Z – порядковий номер поглинальної речовини;
r – густина поглинальної речовини ;
Еg – енергія g-квантів.
Фотоефект найбільш інтенсивний у випадку внутрішніх, міцно зв'язаних електронів і є домінуючим для енергій -квантів, які не перевищують 0,7МеВ.