Gama spindulių silpimo medžiagoje tyrimas. Laboratorinis darbas

 SPINDULIŲ SILPIMO MEDŽIAGOJE TYRIMAS Darbo tikslas. Nustatyti  spindulių tiesinį ir masinį silpimo koeficientus ir pusstorius dviem skirtingoms medžiagoms. Teorinė dalis. Radioaktyvumu vadiname savaiminį vienų atomų branduolių virsmą kitų atomų branduoliais, kurio metu skleidžiami įvairių rūšių radioaktyvieji spinduliai. Pasirinkto elemento atomai skiriasi branduolio mase, jie yra vadinami izotopais. Gamtoje randamų izotopų radioaktyvumas vadinamas natūraliuoju. Vykstant branduolinėms reakcijoms susidaro nauji radioaktyvieji izotopai, kurie paprastai žemėje nerandami. Šių izotopų radioaktyvumas vadinamas dirbtiniu. Atomo branduolys, kuriam būdingas savaiminis virsmas, vadinamas motininiu, o naujai atsiradęs branduolys – dukteriniu. Radioaktyviojo virsmo metu spinduliuojami trijų rūšių spinduliai: ,  bei  spinduliai.  spindulius sudaro helio branduolių, vadinamų  dalelėmis, srautas.  spindulius sudaro elektronų srautas (- spinduliai) arba pozitronų srautas (+ spinduliai).  dalelių greitis gali pasiekti 0.999 c, kur c – šviesos greitis vakuume.  ir  dalelės yra elektringos, todėl jas veikia elektrinis ir magnetinis laukai.  spinduliai pagal klasikinę fiziką yra labai trumpos elektromagnetinės bangos – ne ilgesnės nei 10-11m. Pagal Planko iškeltą kvantinę hipotezę elektromagnetinės bangos yra fotonų srautas. Fotono energija tiesiogiai proporcinga elektromagnetinių bangų dažniui  ir lygi: (1) Čia h= 6.62610-34 Js – tai Planko konstanta.  spinduliai yra didelės energijos fotonų , vadinamų  fotonais, srautas.  spindulius skleidžia ne motininis branduolys, o dukterinis, kuris susidarymo momentu turi daugiau energijos negu normalioje būsenoje. Dėl šios priežasties jis yra vadinamas sužadintu. Per labai trumpą laiką ( 10-13s) energijos perteklių sužadinti branduoliai išspinduliuoja  fotonų pavidalu.  fotonų energija gali turėti tik diskretines reikšmes, atitinkančias dukterinių branduolių energetinių būsenų energijų skirtumus. Sklisdami medžiaga,  fotonai gali sąveikauti tiek su medžiagos atomų elektroniniais apvalkalais, tiek ir su jų branduoliais. Kai  fotoną absorbuoja atomo elektroninis apvalkalas, stebimas fotoefektas – iš apvalkalo vidinių sluoksnių išlaisvinamas elektronas. Šis procesas vadinamas  spindulių fotoelektrine absorbcija. Kai  fotono energija būna daug didesnė už atomo, molekulėje arba kristalinėje gardelėje esančio elektrono ryšio energiją, foto sąveika tampa panaši į sąveiką su laisvuoju elektronu.  fotonas, susidūręs su elektronu, perduoda jam dalį savo energijos, todėl ir keičiasi  fotono sklidimo kryptis, mažėja jo energija ir dažnis. Šis efektas vadinamas Komptono efektu. Komptono efektas stebimas, kai 0.5 MeV  W  5 MeV. Esant W1.022MeV, prasideda anomaliai stipri  fotonų absorbcija, ypač sunkiose medžiagose, susijusi su protonų ir elektronų susidarymu. Šis efektas vadinamas porų susidarymu ir stebimas,  fotonui susidūrus su bet kuria elektringa dalele (pvz.: atomo branduoliu). Didelių energijų  fotonai gali sąveikauti su atomų branduoliu, sukeldami branduolines 1. pav. reakcijas. Šis efektas vadinamas branduoliniu fotoefektu. Principinė schema Sklindant  spinduliams medžiagose stebima jų absorbcija ir sklaida. Vyraujantis procesas, apsprendžiantis spindulių silpimą, priklauso nuo  spindulių energijos ir medžiagą sudarančių elementų atominio numerio. Siauro spindulių pluoštelio intensyvumas (energijos kiekis pernešamas per 1 sekundę pro paviršiaus ploto vienetą, statmeną spindulių sklidimo krypčiai) medžiagoje mažėja eksponentiniu dėsniu: (2) Čia I-  spindulių, praėjusių pro x storio medžiagos sluoksnį, intensyvumas. Dydis , vadinamas tiesiniu silpimo koeficientu, priklauso nuo medžiagos rūšies ir vyraujančio  spindulių silpimo mechanizmo, t.y., nuo  fotonų energijos. SI sistemoje tiesinis silpimo koeficientas matuojamas m-1.  fizikinė prasmė yra ta, kad  spindulių tiesinis silpimo koeficientas savo skaitine verte yra lygus atvirkštiniam medžiagos storiui, kurį praėjus,  spindulių intensyvumas sumažėja e = 2.718 karto. Kadangi  spindulių intensyvumo mažėjimas medžiagoje priklauso nuo medžiagos tankio , dažnai naudojamas masinis silpimo koeficientas : (3) Tiesinis silpimo koeficientas  susideda iš tikrosios absorbcijos ir sklaidos atitinkamų koeficientų: (4) Čia f – fotoelektrinės absorbcijos koeficientas, k – Komptono sklaidos koeficientas, p – porų susidarymo koeficientas, b – branduolinis fotoefekto koeficientas. Medžiagos sluoksnio reikiamas storis, norint sumažinti spindulių intensyvumą 2 kartus, vadinamas medžiagos pusstoriu (d1/2): (5) Iš (2) lygties gauname šią tiesinio silpimo koeficiento išraišką: (6) Iš šios formulės matyti, kad  apskaičiuosime, nustatę į medžiagą patekusių ir pro ją praėjusių  spindulių intensyvumų I0 ir I santykį ir išmatavę medžiagos storį x. Intensyvumų santykiui nustatyti naudojame Geigerio ir Miulerio skaitiklį. Skaitiklio darbo įtampa parenkama taip, kad išlydžio atsiradimo , vystymosi ir slopinimo dėka generuojamų įtampos impulsų skaičius per sekundę N yra tiesiogiai proporcingas jonizuojančio spinduliavimo intensyvumui I: (7) Čia r – proporcingumo koeficientas. Tegul medžiagos nesusilpninti  spinduliai, kurių intensyvumas I0, generuoja per vieną sekundę impulsų skaičių N0 = rN0, o pro medžiagą praėję  spinduliai, kurių intensyvumas I, generuoja per vieną sekundę impulsų skaičių N = rI. Iš čia : (8) Įrašę šią formulę į (6) , gauname tokią tiesinio silpimo koeficiento išraišką : (9) Aparatūra ir darbo metodas. 2. pav. principinė schema – registravimo įrenginys Intensyvumų santykiui nustatyti naudojame Geigerio ir Miulerio skaitiklį. Jį sudaro užlydytas stiklo vamzdelis - V, kurio viduje yra praretintos dujos. Jame yra du elektrodai. Vieną jų – katodą K sudaro elektrai laidus sluoksnis, kuris dengia vamzdelio vidinę sienelę. Antrą elektrodą – anodą A sudaro metalinė vielelė, ištempta išilgai vamzdelio ašies. Prijungus aukštos įtampos šaltinį B tarp elektrodų sudaromas stiprus elektrinis laukas. Šaltinio neigiamas polius prijungiamas prie katodo, o teigiamas – per didelės varžos rezistoriaus R, prie anodo (vielelės). Praeidami pro skaitiklį,  fotonai dujų tiesiogiai beveik nejonizuoja. Jie sąveikaudami su skaitiklio sienelių atomais, iš jų išmuša elektronus, kurie jonizuoja dujas smūgiu. Skaitiklyje atsiranda laisvų elektronų ir jonų, kurie, elektrinio lauko pagreitinti toliau jonizuoja smūgiu dujas. Įvyksta išlydis dujose, ir elektros grandinėje pradeda tekėti srovė. Rezistoriaus varžos dydis parenkamas taip, kad išlydžio metu jame susidariusio įtampos kritimo, sukeliančio įtampos mažėjimą tarp anodo ir katodo, užtektų išlydžiui nutraukti. Taip suformuotas įtampos impulsas perduodamas į stiprintuvą, o po to į registravimo įrenginį.  spindulius siunčia radioaktyvusis izotopas, patalpintas švino konteinerio K ilgos angos gale. Dėl didelės  spindulių absorbcijos švine jie patenka į aplinką tik pro angą. Tuo būdu  spinduliai, krintantys į Geigerio ir Miulerio skaitiklį, praktiškai būna lygiagretūs. Ekranu E galima uždengti angą ir tada  spinduliai į skaitiklį nepatenka. Ekranas E bei Geigerio ir Miulerio skaitiklis S įrengti ant skaitiklio maitinimo bloko M. Rezistoriuje R gauti įtampos impulsai stiprinami ir registruojami C02-4 tipo skaitmeniniu įrenginiu O. 1. Paruošiame aparatūrą darbui. Nuspaudžiame mygtuką “Nepertraukiamai / Vienkartiniai“ (1) bei perjungiklio “ N/T ” (2) mygtuką N ir tuo parenkame darbo rėžimą, kuriame skaitmeninis įrenginys registruos impulsų skaičių per pasirinktą laiko tarpą. Visi kiti mygtukai kol kas turi būti nenuspausti. Prijungiame aparatūrą prie elektros tinklo. Jungikliu (3) įjungiame skaitiklio maitinimo šaltinį, o mygtuku “Tinklas“ (4) – skaitmeninį įrenginį. Mygtuko “Numetimas“ (5) nuspaudimu skaitmeniniame indikatoriuje nustatomo nuliai. 2. Patikriname registravimo įrenginio tinkamumą darbui. Nuspaudžiame mygtuką “Patikrinimas” (10), mygtuką “100” (8) ir mygtuką “Paleidimas” (7). Jei skaitmeninis įrenginys suskaičiuoja 100000 impulsų, jis tinka darbui. Atlikę patikrinimą dar kartą nuspaudžiame mygtuką “Patikrinimas” (taip, kad būtų nenuspaustas). 3. Nustatome Geigerio ir Miulerio skaitiklio foną, t.y.,impulsų skaičių per sekundę n, kuriuos sukelia žemės skleidžiami radioaktyvūs spinduliai ir kosminiai spinduliai. Konteinerio priekinę angą uždengiame švino ekranu, sugeriančiu  spindulius. Fono impulsus skaičiuojame 300 sekundžių. Įrenginys pradeda registruoti impulsus, kai iš eilės nuspaudžiame mygtukus “Stop” (6), “Numetimas” (5) ir “Paleidimas” (7). Praėjus nurodytam laikui, skaičiavimo įrenginys automatiškai sustoja. Prietaiso užregistruotą impulsų skaičių padalinę iš skaičiavimo trukmės, nustatome Geigerio ir Miulerio skaitiklio foną n (imp/s). 4. Nustatome impulsų skaičių N0 per vieną sekundę, kurį sukelia medžiagos nesusilpninti ir intensyvumą I0 turintys  spinduliai. Nuo konteinerio angos pašaliname švino ekraną.  spindulių ir fono suminius impulsus skaičiuojame 300s. Užregistruotą impulsų skaičių, sąlygojamą  spindulių ir fono suminio veikimo, padalinę iš 300s, gauname impulsų skaičių per vieną sekundę N0’. Vien tiriamųjų  spindulių sukeliamų impulsų skaičius per vieną sekundę yra : N0 = N’0 - n. 5. Nustatome impulsų skaičių N1 ir N2 per vieną sekundę, kuriuos sukelia pro skirtingas medžiagas praėję ir intensyvumus I1 ir I2 turintys  spinduliai. Prieš konteinerio angą dedame vieną, o po to kitą nurodytąsias medžiagas ir trečiame punkte aprašytu būdu nustatome skaitiklio impulsų skaičių N’1 ir N’2 per vieną sekundę, kai jis apšvitinamas pro tiriamąsias medžiagas praėjusiais  spinduliais, kurių intensyvumas I1 ir I2. Randame vien pro medžiagą praėjusių  spindulių sukeltą impulsų skaičių per vieną sekundę : N1 = N’1 - n; N2 = N’2 - n. 6.Baigę eksperimentą, konteinerio angą užsklendžiame ekranu, išjungiame aparatūrą maitinimo bloko jungikliu 3 bei skaitmeninio įrenginio mygtuką “Tinklas” (4) ir atjungiame ją nuo tinklo. 7 7. Mikrometru išmatuojame tiriamų medžiagų storius x1 ir x2. 8. Naudodamiesi (8) lygtimi, apskaičiuojame  spindulių tiesinius silpimo koeficientus 1 ir 2 dviem skirtingoms medžiagoms. 9. Apskaičiuojame dviejų skirtingų medžiagų masinius silpimo koeficientus m1 ir m2 iš (2) formulės ir tų medžiagų pusstorius (d½)1 bei (d½)2 iš (4) formulės. 10. Įvertiname tiesinio silpimo, masinio silpimo koeficientų ir medžiagos pusstorio didžiausias paklaidas 11. Duomenis įrašome į lentelę. Rezultatai: n, imp.sk.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!