Вказівки до виконання роботи. Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: будова атомного ядра; масове число та заряд ядра; енергія зв’язку та дефект

Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: будова атомного ядра; масове число та заряд ядра; енергія зв’язку та дефект маси ядра; радіоактивне випромінювання та його види; закон радіоактивного розпаду; правило зміщень; методи спостереження та реєстрації радіоактивного випромінювання та частинок.

[1, т.3 §§ 15.9–15.13; 2, §§ 251, 254–259; 3, §§ 17.8–17.12; 4, т.3 §§ 14, 66–68, 70]

Радіоактивністю називається процес самодовільного (природного) перетворення одних атомних ядер в інші, який супроводжується випромінюванням різних видів радіоактивних випромінювань і елементарних частинок.

Кількість ядер dN, які розпадаються в середньому за проміжок часу від tдо t+dt:

, (7.1.1)

де N – кількість ядер, які не розпалися до моменту часу t; l – стала радіоактивного розпаду.

Розділивши змінні і інтегруючі рівняння (7.1.1), студенти можуть отримати закон радіоактивного розпаду:

, (7.1.2)

де N₀– кількість ядер, які не розпалися у початковий момент часуt=0; N – кількість ядер, які не розпалися у момент часу t.

Існує три основні види радіоактивного випромінювання: a, b, і g-випромінювання.

Важливою характеристикою радіоактивного джерела є активність, яка дорівнює кількості розпадів за одиницю часу:

. (7.1.3)

Одиниця виміру активності у системі СІ – беккерель (Бк).

При перетворенні ядра разом з іншими частинками випромінюється g-квант, тому активність можна знаходити за кількістю g-квантів, що випромінюються джерелом за одиницю часу.

Кількість атомів у радіоактивному препараті можна підрахувати за формулою:

, (7.1.4)

де m – маса радіоактивного препарату; m – молярна маса елемента; N_А – стала Авогадро.

Знаючи активність препарату і користуючись формулами (7.1.3) і (7.1.4) знаходять вираз для визначення маси радіоактивного препарату:

. (7.1.5)

У даній лабораторній роботі для визначення активності радіоактивного препарату знаходять кількість g-квантів, зареєстрованих за допомогою лічильника в одиницю часу (І, імп/с).

Враховуючи, що випромінювання поширюється в усі напрямки рівномірно, на лічильник, площа перерізу якого S, на відстані R від джерела припадає S/4pR² частини повного випромінювання (рис. 7.1.1). Крім того, лічильник реєструє тільки частину h випромінювання, яке на нього падає (h – називається "ефективністю лічильника"). Тому швидкість рахування лічильником g - квантів:

, (7.1.6)

де R – відстань від джерела до лічильника.

Співвідношення (7.1.6) є законом обернених квадратів, за яким інтенсивність випромінювання у даній точці обернено пропорційна квадрату відстані між лічильником та джерелом.

Із співвідношення (7.1.6) видно, що графіком залежності І від буде пряма лінія, тангенс кута нахилу якої до осі дорівнюватиме:

. (7.1.7)

Необхідно врахувати, що у визначену з дослідів швидкість відліку включено ще I_ф, яке обумовлене існуванням природного фону. Тому значення I у формулах (7.1.6) та (7.1.7) необхідно розраховувати як різницю значень I_Х та I_Ф, тобто

Для реєстрації випромінювання у цій роботі використовується лічильник Гейгера–Мюллера. Схему лабораторної установки зображено на (рис. 7.1.1): 1 – радіоактивне джерело на рухомій платформі; 2 – лічильник Гейгера–Мюллера; 3 – лінійка; 4 – високовольтний випрямляч; 5 – секундомір; 6 – лічильник імпульсів; 7 – шторка.

Хід роботи

Насамперед студент повинен ознайомитись із положеннями техніки безпеки, далі виконувати роботу у такій послідовності:

1. Увімкнути живлення пристрою (рис. 7.1.1) та прогріти його протягом 5...7 хвилин.

2. За допомогою регулятора напруги, що знаходиться на лічильнику імпульсів 4, встановити робочу напругу на лічильнику Гейгера–Мюллера.

3. Виміряти швидкість відліку при різних відстанях препарату до лічильника та також перевірити закон обернених квадратів за формулою (7.1.6). Для цього:

а) встановити шторку перед препаратом. Увімкнути лічильник, визначити кількість відліків за 3 хвилини та обчислити швидкість відліку І_Ф, що відповідає природному фону. Дослід повторити три рази;

б) встановити препарат на відстані R=40 см від лічильника та відкрити шторку і визначити кількість відліків за 3 хвилини. Повторити ці дії на відстанях R=30, 25, 15, 10 см;

в) дані занести до таблиці 7.1.1;

г) знайти середню швидкість відліку для кожного значення R та відняти від нього значення І_Ф ;

д) побудувати графік залежності швидкості відліку І від .

4. Обчислити активність препарату та його масу, для чого:

а) на побудованому графіку вибрати дві довільні точки і обчислити значення тангенса кута нахилу прямої:

; (7.1.8)

б) підставивши значення tga у формулу (7.1.7), обчислити активність препарату:

; (7.1.9)

в) за формулою (7.1.5) знайти масу радіоактивного препарату.

*Примітка. Значення l знайти у таблицях фізичних довідників для ₉₂U²³⁸. Для розрахунків прийняти значення “ефективності лічильника” h=0,6.

Таблиця 7.1.1

R, м		Досліди		I_ср, імп/с	I_ф, імп/с
	I₁, імп/с	I₂, імп/с	I₃, імп/с
0.40
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10

Контрольні запитання

1. Дайте визначення радіоактивності.

2. Назвіть основні види іонізуючих випромінювань та охарактеризуйте їх.

3. На прикладі ядра охарактеризуйте склад ядра будь-якого елемента.

4. Що називається ізотопами? Назвіть ізотопи водню.

5. Що називається енергією зв’язку та дефектом маси ядра?

6. Напишіть реакціюa - розпаду ізотопу .

7. Які основні методи реєстрації іонізуючих випромінювань ви знаєте?

8. Сформулюйте закон радіоактивного розпаду.

9. Який фізичний зміст має стала розпаду?

10. Що таке період напіврозпаду?

11. Що таке активність радіоактивного препарату?

12. Виведіть формулу для обчислення маси препарату.

13. Виведіть формулу для обчислення активності препарату.