ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ b-ЧАСТИЦ
Цель работы: ознакомиться с b-распадом, освоить методику измерения энергии элементарных частиц методом поглощения.
Объект исследования
В качестве источника b-частиц используется контрольный препарат 
(стронций и иттрий) в контейнере из алюминия активностью не более 5 мкКю. Толщина стенок контейнера из алюминиевого сплава обеспечивает отсутствие излучения на поверхности контейнера.
ВНИМАНИЕ! ЗАПРЕЩАЕТСЯ НАРУШАТЬ ЗАЩИТНУЮ ФОЛЬГУ ИСТОЧНИКА, ХРАНИТЬ ИСТОЧНИК СО СНЯТОЙ КРЫШКОЙ, ПОДНОСИТЬ ЕГО БЛИЗКО К ГЛАЗАМ.
Используемое оборудование
Рис. 1
Блок-схема измерительной установки (рис. 1) состоит из сцинтиллятора с фотоумножителем ФЭУ-1, регистрирующего устройства (частотомера) – 2, источника питания – 3.
Сцинтилляционный метод, применяемый в этой работе, является в настоящее время одним из наиболее распространенных способов регистрации ядерных излучений. Широкое применение этот метод получил в ядерной физике, геологии, биологии, медицине и при изучении свойств твердого тела, что объясняется высокой временной разрешающей способностью и эффективностью регистрации, относительной простотой аппаратуры.
При попадании частиц в вещество сцинтиллятора в нем возникают световые вспышки (сцинтилляции), которые с помощью ФЭУ преобразуются в импульсы тока, число которых определяется частотомером. В качестве сцинтиллятора в установке используется пластмасса на основе полистирола с активатором n -тер фенил и РОРОР, в котором растворен дибромбензол, причем его весовая доля и габариты сцитиллятора таковы, что показания прибора не зависят от энергии частиц в диапазоне энергии от 30 до 30 МэВ.
Бета-распад
Бета-распадом, или b-распадом, называется процесс самопроизвольного превращения ядер, при котором их массовое число A не изменяется, а заряд z увеличивается или уменьшается на единицу.
При электронном b-распаде ядро самопроизвольно испускает электрон (
) и легчайшую электрически нейтральную частицу антинейтрино (
), переходя при этом в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером (Z) на единицу большим
.
При этом один из нейтронов ядра превращается в протон.
Другим типом b-распада является процесс, в котором ядро испускает позитрон 
и другую легчайшую частицу, электрически нейтральную,
n-нейтрино. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон:
.
К явлению b-распада относится также электронный захват, часто называемый К-захватом, при котором ядро поглощает один из электронов собственной атомной оболочки (обычно из оболочки К), испуская нейтрино. При этом, как и в позитронном распаде, один из протонов превращается в нейтрон:
.
Родственными b-распаду являются процессы взаимодействия нейтрино и антинейтрино с ядрами:
, 
.
Главной особенностью b-распада является то, что, он обусловлен не ядерным и не электромагнитным, а слабым взаимодействием. Периоды полураспадов b-активных ядер в среднем имеют порядок минут и часов.
Характерной особенностью b-распада является то, что электроны и позитроны, испускаемые атомными ядрами радиоактивного вещества, имеют всевозможные значения кинетической энергии от 0 до некоторой определенной энергии 
(граничной энергии b-спектра). На рис. 2 представлена типичная кривая распределения b-частиц по энергиям.
Рис. 2
Интерпретация непрерывного характера энергетического спектра
b-частиц предложена в 1931 г. Паули. Граничная энергия, равная , делится между электроном и нейтрино. При каждом акте b-распада испускается электрон, обладающий некоторой энергией, и нейтрино с энергией, равной разности между и энергией электрона. Гипотеза о существовании нейтрино согласуется не только с законом сохранения энергии, массы, заряда, но и с законом сохранения импульса и момента импульса. Таким образом,
b-распад – это такой распад, при котором ядро испускает две частицы – электрон и нейтрино, которые в ядре не присутствуют, а рождаются в результате превращения нейтрона в протон. Здесь имеет место аналогия с излучением света: фотоны света также не содержатся в готовом виде в атомах, а образуются при переходе электронов этих атомов из одного энергетического состояния в другое.
Измерение энергии b - частиц
Знание максимальной энергии b-частиц необходимо для многих научных и практических целей. При определении максимальной энергии
b-частиц методом поглощения на пути частиц устанавливают фильтры, ослабляющие интенсивность пучка частиц. Бета-излучение с энергией 
может пройти лишь через фильтр определенной толщины. В методе поглощения такая толщина фильтра принимается за меру энергии b-частиц.
Для понимания физических основ метода поглощения, необходимо рассмотреть процесс прохождения b-частиц через вещество. Бета-частицы, проходящие через вещество, теряют энергию и отклоняются от своего первоначального направления, т. е. рассеиваются. Рассеяние в кулоновском поле ядра, сопровождаемое испусканием квантов с непрерывным спектральным распределением, является упругим, а излучение, рожденное в таком процессе, называется тормозным. Потери энергии заряженной частицы на тормозное излучение называются радиационными.
Взаимодействие b - частицы с электронами атома приводит к передаче им некоторой доли энергии, следствием чего является либо вылет электрона за пределы атома (ионизация атома), либо переход электрона на более высокий энергетический уровень (возбуждение атома). Эти процессы обладают примерно равной вероятностью и обычно объединяются под названием ионизационных потерь энергии.
Точный теоретический анализ явлений, сопровождающих прохождение электронов через толстые слои вещества, оказывается очень сложным вследствие наложения процессов многократного рассеяния. В общих чертах явление протекает следующим образом. Узкий пучок электронов падает нормально на поверхность фильтра. Первоначально быстрые электроны проходят в поглотителе некоторое расстояние приблизительно по прямой линии, теряя небольшое количество энергии и испытывая при этом лишь малые отклонения. По мере уменьшения энергии электронов их рассеяние становится более сильным: угловое распределение электронов в пучке начинает приближаться к гауссовскому, характерному для многократного рассеяния. В этой области угол рассеяния приблизительно пропорционален квадратному корню из толщины фильтра. При дальнейшем рассеянии угловое распределение становится настолько размытым, что нельзя говорить о каком-нибудь преимущественном направлении движения электронов, и их распространение можно рассматривать как диффузию.
Число электронов, прошедших через фильтр, есть монотонно убывающая функция его толщины. Для умеренных толщин уменьшение числа электронов является главным образом следствием обратной диффузии электронов, которые отклоняются на углы, превышающие 90°, в результате сложения большого числа рассеяний на малые углы. По мере того как толщина фильтра возрастает, уменьшается не только число прошедших электронов, но и их энергия. При значительном увеличении толщины фильтра уменьшение числа электронов происходит как вследствие рассеяния, так и по причине того, что некоторая часть их тормозится практически до нулевой энергии и, таким образом, выбывает из пучка. Предельная толщина фильтра, практически полностью задерживающая электроны, называется эффективным пробегом электрона 
. Этот пробег определяется по кривой поглощения – зависимости числа частиц N от толщины фильтра h.
|
|
Типичная кривая поглощения b-частиц приведена на рис. 3, из которого видно, что кривая поглощения подходит к оси асимптотически. Такой ход кривой объясняется постепенно уменьшающимся в b-спектре числом быстрых электронов и относительно слабым поглощением электронов с максимальной энергией. По такой кривой нельзя произвести непосредственно определение пробега. Целесообразно построить кривую в полулогарифмическом масштабе (рис. 4). В этом случае можно выделить прямолинейный участок кривой поглощения и произвести определение точки пересечения продолжения линейной части кривой с осью абсцисс (h max).
Обычно пробег b-частицы выражают в граммах на квадратный сантиметр площади поглотителя, исходя из соотношения
, (1)
где ρ – плотность вещества поглотителя. Для алюминия ρ(Al) = 2600 (мг/см3). Толщина h max измеряется при этом в сантиметрах.
Для определения максимальной энергии b-частиц неизвестного изотопа необходимо иметь калибровочную кривую “пробег-энергия”. Многие исследователи занимались установлением зависимости между 
и 
. Для алюминия Физер нашел, что пробег b-частиц связан с энергией Wmax соотношением
, (2)
имеющим место для энергий 
.
Максимальная энергия Wmax в этой формуле выражается в МэВ.
Все сказанное выше применимо и для позитронов. Надо заметить, что проникающая способность позитронов несколько отличается от проникающей способности электронов той же энергии из-за того, что позитроны и электроны по разному рассеиваются в поле ядра, экранированного электронами. Вызванное этим обстоятельством различие в поведении данных частиц не является существенным.
Порядок выполнения работы
1. После проверки установки приступить к снятию кривой поглощения. В качестве фильтров используются алюминиевые пластинки разной толщины. Нужная толщина достигается путем последовательного наложения пластинок друг на друга. Толщина пластин должна быть измерена микрометром. Особенно аккуратно следует делать измерения для конца кривой поглощения.
2. Данные по измерению поглощения b-частиц свести в таблицу, на основе которой построить кривые, дающие зависимость числа зарегистрированных частиц 
и 
от толщины фильтров h. Для определения максимального пробега hmax произвести экстраполяцию по графику ln N ср= f (h), как показано на рис.4. Затем по формуле (1) найти Rmax. По формуле (2) определить максимальную энергию Wmax b-частиц. Погрешность нахождения максимальной энергии b-частиц определяется погрешностью измерения пробега 
.
Таблица
| Кол-во пластин | Кол-во частиц зарегистрированных за 10 с | Ln N ср | |||
| N 1 | N 2 | N 3 | N ср | ||
| . . . |
В отчете привести таблицу, графики 
, 
и расчеты 
, 
.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается процесс радиоактивного b-распада? Опишите его.
2. Какие процессы происходят при прохождении b-частиц через различные толщины поглощающих веществ?
3. Как определяется максимальная энергия b-частиц?
4. В чем заключается сцинтилляционный метод регистрации ядерных излучений?
5. Какие меры предосторожности надо соблюдать при работе
с радиоактивными веществами?
Литература
Савельев, И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1979. – § 70, 74, 75, 77, 81. – Т. 3.