Лабораторная работа № 5.1
ИЗУЧЕНИЕ СЧЕТЧИКА ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ИОНИЗИРУЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫМИ СРЕДАМИ
Цель работы: Изучить процессы поглощения g - излучения веществом.
Приобрести навыки в измерении важной физической величиям - коэффициента поглощения g - излучения веществом.
Оборудование: счетчик Гейгера-Мюллера газоразрядный, пересчетный прибор, радиоактивный препарат, набор пластин из различных металлических материалов, микрометр, секундомер.
Теоретические сведения
Всякое излучение взаимодействует с веществом, в котором оно распространяется. В большинстве случаев это приводит к уменьшению интенсивности излучения по мере его прохождения через вещество, т.е. к поглощению излучения веществом. Энергия поглощенного излучения переходит в другие формы энергии, например, в энергию хаотического теплового движения частиц вещества.
Интенсивность поглощения излучения веществом подчиняется закону Бугера:
(1)
где Id - интенсивность излучения после прохождения его через слой вещества;
d - толщина слоя вещества (в направлении распространения излучения);
Io - интенсивность падавшего излучения;
m - линейный коэффициент поглощения.
Значение m зависит от вида излучения, а также от рода и состояния поглощающего вещества. В большинстве случаев m>0. Из (1) следует, что при этом происходит уменьшение интенсивности излучения по мере его прохождения через вещество.
рис.1. Зависимость интенсивности падающего γ – излучения от толщины слоя вещества
Закон Бугера (1) справедлив для любого вида излучения, в тон числе для g - излучения, которое в одних случаях можно рассматривать как поток электромагнитных волн очень малой длины (l <10-10 м), а в других - как поток особых частиц, называемых квантами излучения. Взаимодействие g -излучения с веществом сводится в основном к таким процессам, как ионизация атомов вещества, эффект Комптона, образование электронно-позитроных пap. Роль каждого из этих процессов в поглощении g - излучения различна и зависит от энергии квантов излучения, а также от рода и состояния вещества.
Методика проведения измерения
Экспериментальная установка
Установка, используемая в данной работе, позволяет определить степень поглощения g - излучения при переходе его через слои различных веществ равной толщины; вычислить коэффициент поглощения m исследуемого вещества. Установка изображена на рис. 2.
рис. 2. Схема экспериментальной установки
Она содержит радиоактивный препарат 1, испускающий g -излучение. Под препаратом помещается поглощающая пластина 2 из исследуемого вещества. Интенсивность g излучения, прошедшего через пластину, измеряется с помощью газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера 3 и пересчетного прибора 4. Из восьми клавиш, находящихся на лицевой панели пересчетного прибора, в данной работе используются только клавиши с надписями: "Сброс", "Стоп", "Пуск", "Сеть". Устройство газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера показано на рис.3.
рис. 3. Схема включения счетчика Гейгера - Мюллера
Внутри баллона 1, заполненного смесью газов, находятся два электрода 2: и 3. Полый металлический цилиндр 2 служит катодом, а металлическая нить 3, натянутая по его оси - анодом. Источник высокого напряжения 4, в цепь которого включен резистор 5, создает в пространстве между анодом и катодом сильное электрическое поле.
Квант g - излучения, проникающий в пространство между анодом и катодом, ионизирует ряд атомов газа. Положительно заряженные ионы движутся к катоду, а электроны к аноду. Разгоняясь в сильном электрическом поле между анодом и катодом, электроны приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов газа, и порождают на своем пути новые ионно-электронные пары. В свою очередь, электроны, появившиеся в результате ударной ионизации, вскоре также приобретают энергию, достаточную для новых актов ионизации газа, и т.д. В газовой смеси, заполняющей счетчики, развивается лавинный разряд, ток которого создает на резисторе 5 импульс напряжения, который, в свою очередь, вызывает срабатывание пересчетного прибора. Количество импульсов, регистрируемое в единицу времени, пропорционально интенсивности g - излучения. Поэтому (1) можно записать в виде:
(2)
где
Nd - количество импульсов, зарегистрированное за время t при наличии поглощающего вещества между препаратом и счетчиком.
N0 - количество импульсов, зарегистрированное за то же время при отсутствии поглощающего вещества. Необходимо учесть, что счетчик регистрирует не только излучение препарата, но и так называемое фоновое излучение. Оно складывается из космического излучения, пронизывающего в околоземное пространство, и из излучения радиоактивных изотопов, которые в очень небольшх количествах присутствуют в материалах стен, зданий, в воздухе, почве, организме человека и т.д. С учетом фона запишем (2) в виде:
или
(3)
где Nф - количество импульсов от фонового излучения, зарегистрированного за время t.
Методика измерений
При выполнении данной работы необходимо:
- убедиться в справедливости закона Ьугера-,
- определить значения линейного коэффициента поглощения для двух различных веществ.
Из (3) следует, что зависимость 
от d является линейной:
(4)
рис. 4. Методика обработки результатов для нахождения по угловому коэффициенту
Поэтому для проверки справедливости закона Бугера достаточно построить график зависимости от d и убедиться в его линейности в пределах погрешности измерений (рис 4)
Определение Nф следует производить при изолированном от счетчика контейнере с препаратом.
Для определения N0 следует установить контейнер с препаратом над счетчиком и удалить все предметы, находящиеся между препаратом и счетчиком.
При определении Nd следует поместить между препаратом и счетчиком слое исследуемого вещества, толщина d которого предварительно должна быть измерена микрометром.
Во всех трех случаях время для регистрации импульсов берется одинаковым, т.е. пересчетный прибор следует включать на один и тот же промежуток времени, например, 1 минуту. Время работы пересчетного прибора измеряется секундомером.
Считывание показаний пересчетного прибора производится в соответствии с принципом построения десятичной системы счисления: крайний справа декатрон доказывает единицы импульсов, второй справа - десятки импульсов и т.д.
Коэффициент линейного поглощения μ исследуемого вещества можно определить по графику зависимости от d
(5)
где α - угол, образованный графиком зависимости от d и осью d
Порядок выполнения работы:
1. Выписать сведения о приборах и принадлежностях, используемых в работе; время работы пересчетного прибора по указании. преподавателя.
2. Контейнер с радиоактивным препаратом закрыть крышкой и максимально удалить от счетчика. С разрешения преподавателя подключить установку к сети, нажать клавиши "Сеть" и "Стоп" на лицевой панели пересчетного прибора. При этом на декатронах пересчетного прибора должна появиться индикация. Клавишей "Сброс" установить индикацию на нули. Нажать клавишу "Пуск" и одновременно включить секундомер. Через указанный промежуток времени нажать клавишу "Стоп" и считать с декатронов пересчетного прибора число импульсов фона Nф. Результат занести в таблицу.
3. Установить на счетчик контейнер с препаратом, снять о неге крышку. Определить число импульсов N0.
4. Измерить микрометром толщину пластин первого исследуемого вещества. Помещая пластины между препаратом и счетчиком, определить число импульсов Nd для трех различных значений d. При этом для увеличения общей толщины поглощающего слоя d нужно складывать пластины в стопку. Результаты внести в таблицу.
5. Повторить п.4 для другого вещества. Выключить установку. Пользуясь данными, построить графики зависимости от d для исследуемых веществ.
6. По формуле (5) определить значение μ для исследуемых веществ. Определить абсолютную и относительную погрешности результатов эксперимента.
Показать справедливость закона Бугера, исходя из построенного графика.
Таблица
| Nф | N0 | d | Nd |
| μ | Δμ | 
| |
Примечание: 1 – строка в столбце “ d ” таблицы соответствует одному из исследуемых материалов, 2 я – другому.
Контрольные вопросы
а) Для допуска к работе:
1. Объяснить устройство и принцип действия счетчика Гейгера.
2. Привести и пояснить закон Бугера.
3. Что такое коэффициент поглощения и ионизирующего излучения от чего он зависит?
4. Какова методика определения коэффициента поглощения в данной работе?
Б) Для сдачи работы
1. Проанализировать полученные результаты. У какого ив исследуемых веществ коэффициент поглощения больше?
2. Что показывает величина μd;
3. Какие существуют виды ионизирующих излучений и каковы их
свойства?
4. Чем обусловлено фоновое излучение?
5. Какие существуют типы счетчиков ионизирующих частиц (кроме счетчика Гейгера)? Пояснить их устройство и принцип действия.
Литература
1. Савельев И. В. Курс общей физики. М.; Наука, Т.2. I978 T.3 1979.
2. Королев Ф. A. Курс физики. Оптика. Атомная и ядерная физика.- M. Просвещение, 1974.
3. Физический практикум/Под ред. В. И. Ивероновой, 1968.