Упражнение 1. Градуировка монохроматора.
Ознакомьтесь с устройством и принципом действия монохроматора (см. описание лаб. раб. № 13).
Включите ртутную лампу и дайте ей прогреться в течение 2-3 минут. Вращая барабан монохроматора, поворачивающий его диспергирующую призму, ознакомьтесь со спектром излучения лампы. Он состоит из довольно большого числа узких линий. Цвет линий, соответствующая им длина волны и характеристика яркости представлены в прилагаемой таблице. Для построения градуировочного графика можно использовать несколько (10-12) спектральных линий, из тех, которые удается достаточно надежно идентифицировать.
Поиск выбранных спектральных линий проводится с учетом их цвета, яркости и расположения относительно других линий в спектре ртути в совокупности с разностью между длинами волн этих линий.
Определите положение линий в спектре. Для этого, вращая барабан монохроматора, совместите каждую линию с вершиной треугольника, наблюдаемого в поле зрения окуляра, и сделайте соответствующие угловые отсчеты N по шкале барабана в градусах. Данные занесите в таблицу 1:
Таблица 1
| Цвет линии | λ, нм | N, угл. град. |
Постройте график зависимости N от λ (градуировочный график монохроматора).
Упражнение 2. Изучение спектра атомарного водорода, определение постоянной Ридберга.
Расположите перед щелью монохроматора водородную трубку и попросите лаборанта или преподавателя подать на её клеммы высокое напряжение (около 50000 В) от катушки Румкорфа.
Вращая барабан монохроматора, ознакомьтесь со спектром излучения атомарного водорода. Определите, какому отчету N по шкале барабана соответствует положение каждой линии. По градуировочному графику найдите длину волны этих спектральных линий.
Результаты сведите в таблицу 2. Здесь же отразите, какому переходу 
по теории Бора соответствует каждая спектральная линия, а также значение постоянной Ридберга R, вычисленное по формуле (6). Найдите среднее значение R; оцените погрешность Δ R её измерения.
Таблица 2
| Цвет линии | N | λ, нм | n→m | R, м-1 | R ср, м-1 | Δ R, м-1 |
| Красная | 3→2 | |||||
| Зелено-голубая | 4→2 | |||||
| Сине-фиолетовая | 5→2 | |||||
| Фиолетовая | 6→2 |
Сравните полученное значение постоянной Ридберга с его табличным значением.
Контрольные вопросы
1. Какие виды спектров Вам известны? Чем они отличаются?
2. Как выглядит «планетарная» модель атома? В чем её недостатки?
3. Как объясняет происхождение линейчатых спектров теория Бора? Сформулируйте её постулаты.
4. Что означает квантование физической величины? Какие физические величины, согласно теории Бора, квантуются в состояниях атома водорода?
5. Каковы, согласно теории Бора, энергия атома водорода и радиус электронной орбиты в стационарном состоянии, характеризуемом квантовым числом n = 3?
6. Каков принцип объединения спектральных линий в серию? Приведите примеры серий, наблюдаемых в спектре излучения атомарного водорода.
7. Что произойдет с атомом водорода, находящимся в основном состоянии, при поглощении фотона с энергией Е = 13,6 эВ, а также при Е > 13,6 эВ?
8. Опишите устройство и принцип действия монохроматора УМ-2. Как с помощью монохроматора измеряется длина волны, соответствующая некоторой спектральной линии в излучении источника света?
Лабораторная работа № 15
Изучение свойств радиоактивных излучений
Цели работы:
1) изучение теоретических основ радиоактивности и основных понятий дозиметрии;
2) сравнение проникающих способностей β- и γ-излучений;
3) исследование зависимости интенсивности γ-излучения от расстояния до радиоактивного источника малых размеров;
4) сравнение качеств экранов из железа и свинца в отношении защиты от γ-излучения.
Приборы и принадлежности: установка для исследования свойств β-излучения, установка для исследования свойств γ-излучения.
Литература: [1], § 255 – 259, 261; [2], § 71; [4], § 57 – 60, 63, 68; [5], § 191 – 196, 202, 206 - 212.
В в е д е н и е
В 1896 г. французский физик Анри Беккерель случайно положил кусок урановой руды на стопку не проявленных фотографических пластинок, завернутых в черную бумагу. Проявив пластинки, он удивился, обнаружив на них черные пятна. Какое-то неизвестное излучение испускалось урановой рудой и оставляло на пластинках изображение, имеющее форму куска руды. Это излучение было названо радиоактивным.
К 1898 г. Марии и Пьеру Кюри удалось выделить 1 г радиоактивного вещества из тонны уранита. Это вещество было названо ими полонием (Ро) в честь Польши, родины М. Кюри.
В 1903 г. за работы по исследованию радиоактивности супруги Кюри получили Нобелевскую премию по физике. В 1911 г. Мария Склодовская-Кюри получила вторую Нобелевскую премию (по химии) за открытие и выделение естественного радиоактивного элемента радия. Английские физики Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди доказали, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения ядер химических элементов. Таким образом, радиоактивностью называется свойство ядер спонтанно (т.е. без каких либо внешних воздействий) распадаться с образованием новых элементов и испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.
Радиоактивное излучение невидимо, но обнаруживается рядом объективных явлений, например, действием на фотопленку, возбуждением люминесценции, ионизацией вещества, в котором излучение поглощается и т.д. Радиоактивный распад сопровождается выделением теплоты.
Резерфорд обнаружил, что излучение радиоактивных веществ разделяется магнитным полем на слабо отклоняемый пучок положительно заряженных частиц (α - частицы) и сильно отклоняемый пучок отрицательно заряженных частиц (β – частицы). Впоследствии Пауль Виллард открыл еще одну компоненту излучения – γ лучи, которые испускаются радиоактивными источниками и не отклоняются магнитным полем.
Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс. Это вытекает из того, что на него не оказывают никакого воздействия вид химического соединения, агрегатное состояние, большие давления, температура, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могут изменить состояние электронной оболочки атома. На процесс естественной радиоактивности можно воздействовать лишь путем изменения состояния ядра, например при облучении ядер нейтронами.
Альфа-лучи представляют собой поток ядер атомов гелия 
. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и соответственно имеет атомный номер, равный 2 и массовое число 4. Это было доказано прямыми опытами Резерфорда и Содди. Так, газ радон 
, испуская α- лучи, создает в закрытом сосуде атомы гелия, что обнаруживается по спектру излучения.
Начальная скорость альфа-частиц имеет порядок (1,5 - 2,0)·107 м/с.
Бета-лучи представляют собой поток электронов или позитронов. Это вытекает, в частности, из того, что они оказывают такое же действие как и катодные лучи и имеют равный с ними удельный заряд (e/m), измеряемый при их движении в электрическом и магнитном полях.
Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (β-), позитронный (β+) распады, а также электронный захват (е-- или К-захват). Первые два типа превращений состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (электронное нейтрино). Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон. Превращения происходят по схеме:
(β- - распад);
(β+ - распад).
Заметим, что позитрон является элементарной частицей, аналогичной электрону, за исключением того, что он имеет заряд положительного знака. Позитрон является устойчивой частицей, но в естественных условиях он почти не встречается.
Начальная скорость бета-частиц имеет порядок (1 – 2)·108 м/с.
В случае е--захвата происходит превращение протона в нейтрон за счет захвата из ближайшей к ядру К-оболочки атома одного электрона:
Особенностью этого типа бета-распада является вылет из ядра только одной частицы – электронного нейтрино.
Гамма-лучи являютсякоротковолновым электромагнитным излучением с длиной волны, не превышающей 10-2 нм и, следовательно, характеризуются высочайшей энергией фотонов Е > 0,1 МэВ.
Гамма-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности. Оно сопровождает процессы α- и β-распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Установлено, что γ-лучи испускаются дочерними ядрами, которые в момент своего образования оказываются возбужденными и «сбрасывают» свою энергию за время 10-13 – 10-14с.
При радиоактивном излучении происходит превращение одних элементов в другие по вполне определенному закону, называемому правилом смещения. Например, в результате радиоактивности радия появляются два газа – радон и гелий; радон распадаясь, дает полоний и гелий и т.д.:
При α - радиоактивности заряд ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах заряда протона) и массовое число - на 4 единицы. Продукт распада помещается в таблице Менделеева на две клеточки левее исходного элемента. При b--распаде массовое число не меняется, а зарядовое число увеличивается на единицу – происходит сдвиг элемента в таблице Менделеева на одну клетку вправо.
Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада
,
где N0 – количество не распавшихся ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t = 0, N – число ядер в том же объеме к моменту времени t, λ – постоянная распада.
Характеристикой устойчивости ядер относительно распада является период полураспада Т 1/2. Так называется время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества распадается наполовину. Скорость распада различных веществ весьма различна. Период полураспада может иметь величину от долей секунды до миллионов лет. Так, например, период полураспада изотопа урана 
составляет 4,5·109 лет, радия 
- 1590 лет, углерода 
- 20,4 минуты, лития 
- 0,89 секунды.
Рассмотрим далее проникающую и ионизирующую способность радиоактивного излучения. Обладающие высокой кинетической энергией α- и β-частицы или γ-фотоны радиоактивного излучения, проникая в вещество, взаимодействуют с электронами атомов, выбивают их и таким образом ионизируют атомы вещества. Ионизация есть основное действие радиоактивного излучения на вещество.
По мере проникновения частиц радиоактивного излучения в глубь вещества в результате ряда последующих соударений энергия частиц постепенно уменьшается и, наконец, когда она достигает уровня теплового движения, ионизация прекращается. При этом α-частица присоединяет два электрона (из свободных электронов, имеющихся во всяком веществе) и превращается в атом гелия. Отрицательная β-частица (электрон) остается в свободном состоянии или присоединяется к какому-либо атому или иону вещества. Гамма-фотон поглощается электроном, с которым он имел последнее соударение.
Известно, что рентгеновское и радиоактивные излучения могут причинить вред человеческому организму. Уже через год после открытия рентгеновских лучей изготовители рентгеновских трубок заметили, что рентгеновские лучи повреждают их руки. Беккерель получил радиоактивный ожог груди, потому что носил бутылочку с радием в кармане пиджака.
Вредное влияние ядерных излучений связано с ионизацией и возбуждением атомов живых клеток организма вследствие эффекта Комптона, тормозного излучения, фотоэффекта и некоторых других эффектов. Отдельные составные части живой клетки изменяются или разрушаются от этой ионизации, и продукты разложения начинают действовать как яды. Примерами разрушений в организме являются разрушение хромосом, распухание ядер клеток и самих клеток, изменения в проницаемости клеточных мембран и т.д. Наиболее чувствительные клетки – клетки костного мозга, лимфатических желез, полости рта и кишечника, половых органов, фолликул волос и кожи.
Чем больше ионизирующая способность частиц, тем меньше их проникающая способность. Так, α-частица при пробеге в воздухе производит до 40 тысяч пар ионов на пути в 1 см. Бета-частица на том же расстоянии образует 40 – 50 пар ионов, а γ-фотоны – от 10 до 250 пар ионов. В соответствии с этим защитой от α-частиц может служить тонкий слой любого вещества, например, бумажный экран. Защитой от β-излучения может служить оргстекло, или алюминиевый экран толщиной в несколько миллиметров. Для защиты от γ-излучения применяют толстые слои земли, бетона или тяжелые металлы, например, свинцовый экран толщиной в несколько сантиметров.
В заключение отметим, что радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечебных, диагностических и исследовательских целей. Например, радиоактивный кобальт 
используется для лечения злокачественных опухолей в качестве γ-излучателя. Радиоактивные изотопы фосфора 
, излучающие β-частицы, применяют для лечения болезней крови, радиоактивный йод (
) – для лечения щитовидной железы.
Основные понятия дозиметрии
Действие γ-лучей и других видов ионизирующих излучений оценивается дозой излучения Dп – отношением поглощенной энергии излучения к массе облучаемого вещества. Единицей дозы является Дж/кг - доза излучения, при которой массе в один килограмм облученного вещества передается энергия ионизирующего излучения в 1 Дж. Эта единица называется грей (Гр). Применяется также внесистемная единица 1 рад = 10-2 Гр.
Часто интенсивность радиоактивного излучения оценивается по ионизации сухого атмосферного воздуха. Соответствующая характеристика называется экспозиционной дозой излученияD. Она определяется как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных ионизирующим излучением, к массе воздуха, в котором это произошло. Единицей экспозиционной дозы служит кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей D является рентген (Р): 1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг. При экспозиционной дозе, равной 1 Р, в 1 см3 сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении возникает суммарный заряд ионов одного знака, равный 0,333·10-9 Кл (что соответствует количеству ионов около двух миллиардов).
Действие излучения на живые ткани зависит не только от общего количества поглощенного излучения, но также и от быстроты, с которой это излучение поглощается, т.е. от количества излучения, поглощаемого в единицу времени. В связи с этим вводится понятие мощности дозы Р. Мощность дозы есть величина, характеризующая дозу, получаемую объектом за единицу времени. Понятие мощности дозы относится как к поглощенной, так и к экспозиционной дозе: 
, 
.
Основными единицами мощности дозы являются: для поглощенной дозы ватт на килограмм (Вт/кг), для экспозиционной дозы ампер на килограмм (А/кг). Применяются также внесистемные единицы: рад в секунду (рад/с) и рентген в секунду (Р/с). Заметим, что приборы, предназначенные для измерения мощности экспозиционной дозы рентгеновского или γ-излучения (дозиметры), дают значение этой величины в единицах Р/с.
Экспериментально установлено, что для воды и близким к ней по свойствам мягких тканей человека поглощенная доза в радах численно равна экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани поглощенная доза в 2-5 раз больше дозы экспозиционной. Кроме того, тяжесть радиоактивного поражения зависит от вида излучения. В связи с этим в дозиметрии вводится понятие эквивалентной дозы H. Эквивалентная доза определяется как произведение поглощенной дозы Dп на коэффициент качества k ионизирующего излучения:
H = k Dп.
Для β- и γ-излучений k =1, для α-частиц и нейтронов k =20.
Единица измерения H в системе СИ – зиверт (Зв), внесистемная единица – бэр (1 бэр=0,01 Зв).
Из сказанного выше следует, что если за некоторое время облучения мягких тканей человеческого организма b- или γ-лучами экспозиционная доза в рентгенах равна D, то эквивалентная доза в зивертах
H = 0,01 D.
В дозиметрии существуют специальные нормативы, позволяющие по величине эквивалентной дозы оценить вред, приносимый организму. Они называются нормами радиационной безопасности.
Предельно допустимая доза (ПДД) – значение Н, при превышении которого велика вероятность заболевания различными формами лучевой болезни.
ПДД для населения, не работающего с излучениями, составляет:
· для всего тела – 50 мЗв/год;
· для внутренних тканей организма – 150 мЗв/год;
· для кожи – 300 мЗв/год.
Для персонала, постоянно работающего с радиоактивным излучением, установлена его предельно допустимая экспозиционная доза в 2,8 мР/ч (100 мР в неделю).
При малых размерах радиоактивного источника экспозиционная доза обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до точки наблюдения. Поэтому самый простой способ уменьшения дозы радиоактивного поражения в этом случае – удаление от источника на расстояние, при котором величина дозы не превышала бы ПДД.
Ослабление радиоактивного излучения слоем вещества подчиняется закону Бугера
Р = Р0·e-μd.
Здесь Р – мощность дозы излучения на выходе из слоя вещества толщиной d, Р0 – мощность дозы на его входе, μ – коэффициент поглощения, зависящий от рода поглощающего материала. Для практических целей поглощающую способность вещества характеризуют слоем половинного ослабления d1/2, подразумевая под этим толщину слоя, в котором поглощается половина падающего излучения.