Взаимодействие бета-частиц с веществом.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра оптики и спектроскопии

Лаборатория микрофизики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ БЕТА-СПЕКТРА

Челябинск

Цель работы: экспериментальное определение верхней границы b спектра методом поглощения.

Приборы и оборудование: газоразрядный счетчик, подставка для поглощающего материала, набор алюминиевых и медных пластинок, вета- источник.

Введение

Многие ядра испытывают вета- распад. Бета-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд меняется на единицу, а массовое остается неизменным. Простейшим процессом b^--распада является распад свободного нейтрона на протон и электрон с периодом полураспада, равным 12 минутам:

.

В этом процессе появляется антинейтрино . Эта частица не имеет заряда, масса покоя ее близка к нулю или равна нулю. Экспериментальные исследования дают значение энергии массы покоя антинейтрино . Для сравнения, энергия массы покоя электрона составляет . Нейтрино или антинейтрино, если их энергия имеет порядок МэВ, столь слабо взаимодействует с ядрами, что могут пролетать толщу Солнца с ничтожной вероятностью быть захваченными или вызвать какую-либо реакцию. Поэтому в экспериментах с b-активными ядрами нейтрино не регистрируется.

Различают три вида бета-распада:

1. -распад, при котором один нейтрон ядра превращается в протон и испускается электрон и антинейтрино.

2. -распад, при котором один протон ядра превращается в нейтрон и испускается электрон и нейтрино.

3. Электронный захват, при котором один из электронов атомной оболочки захватывается ядром.

Все бета- процессы обусловлены слабым взаимодействием. При и -распаде ядра испускаются две частицы. Так, например, при распаде:

высвобождается энергия 1,17 МэВ. Это значение получено из сравнения масс ядер ²¹⁰Bi и ²¹⁰ Po. Экспериментальное исследование энергетического спектра испущенных b-частиц дает распределение, приведенное на рис. 1. Как видно из рис.1, электроны имеют всевозможные значения кинетической энергии от нулевой до максимальной. Следует заметить, что очень мало электронов обладают энергиями, близкими к 1,17 МэВ.

Интерпретация непрерывного характера бета - спектра в свое время вызвала большие трудности. Исходя из законов сохранения энергии и импульса, заключаем, что при распаде наряду с электроном из ядер вылетает еще одна частица, не обнаруживаемая обычными средствами, которая уносит свою долю энергии.

Итак, в конечном итоге образуется три частицы (электрон, антинейтрино и дочернее ядро). Из законов сохранения энергии и импульса следует, что энергетический спектр электронов, образующихся вследствие b-распада, имеет непрерывный характер.

Поскольку ядро гораздо тяжелее электрона, энергией отдачи ядра практически всегда можно пренебречь и считать, что вся энергия процесса выделяется в виде кинетической энергии электрона и энергии нейтрино. Следовательно, максимальная кинетическая энергия b - частиц в спектре (верхняя граница b-спектра) практически совпадает с энергией распада. Для каждого радиоактивного изотопа имеет вполне определенную величину и является его важнейшей характеристикой. Измеряя , можно определить, с каким радиоактивным веществом имеем дело, а по активности b - источника определить количество радиоактивного вещества.

Рис. 1. Распределение по кинетическим энергиям электронов,

испускаемых ядрами .

Взаимодействие бета-частиц с веществом.

Электроны, движущиеся в веществе, взаимодействуют с его атомами, в результате чего теряют свою энергию и отклоняются от первоначального направления, т.е. рассеиваются. Рассмотрим взаимодействие электрона с атомными электронами и атомными ядрами.

Взаимодействие бета-частиц с атомными электронами приводит к передаче атомному электрону некоторой энергии, что вызывает ионизацию атома или его возбуждение. Все это определяет ионизационные потери энергии. Средняя величина ионизационных потерь на единице длины пути пропорциональна атомному номеру и обратно пропорциональна энергии электронов (при МэВ).

При взаимодействии бета-частиц с ядрами происходят процессы упругого рассеяния электронов в кулоновском поле ядра и неупругого рассеяния, сопровождаемого испусканием электромагнитного излучения. Сечение упругого рассеяния (сечение Резерфорда) растет с атомным номером материала как и убывает с увеличением энергии электрона. Из-за рассеяния первоначально направленный поток электронов быстро размывается, угловое распределение становится изотропным.

Неупругое взаимодействие происходит при ускорении электрона полем ядра. Рожденное в таком процессе излучение называется тормозным. Потери энергии электрона на тормозное излучение называются радиационными. Вероятность образования тормозного излучения пропорциональна квадрату заряда ядра, поэтому радиационные потери играют большую роль в тяжелых элементах. Например, для алюминия (Z=13) ионизационные потери совпадают по значению с радиационными при энергии электронов 48 МэВ. Энергия электронов, появляющихся при бета-распаде, обычно не превышает 5 МэВ, поэтому для таких электронов будут преобладать ионизационные потери.