textarchive.ru

Главная > Задача


Цель работы: ознакомиться с явлением радиоактивного распада и принципом работы счетчика Гейгера-Мюллера.

Задача: определить концентрацию изотопа калия в неизвестном препарате.

Техника безопасности: в работе используется высокое напряжение. Необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

Приборы и принадлежности: высоковольтный выпрямитель, счетчик Гейгера-Мюллера с предварительным усилителем, пересчетное устройство ПС 02-4, радиоактивные образцы, содержащие соли калия.

ВВЕДЕНИЕ

Явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем в 1896 г. Радиоактивностью называется самопроизвольное (спонтанное) превращение некоторых атомных ядер в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных в результате ядерных реакций). Атомы элемента, имеющие один и тот же атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Принципиального различия между этими двумя видами радиоактивности нет. Радиоактивное излучение бывает трех типов: α- ,β- , γ- излучение. Атомное ядро, испытывающее радиоактивное превращение, называется материнским, возникающее ядро – дочерним.

Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А > 200 и зарядом z > 82. Внутри таких ядер происходит образование α- частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов (ядро атома гелия – 2Не4).

Бетта-распад характеризуется тремя типами ядерных превращений: электронный (β-), позитронный (β+) распады и электронный захват (е- или К- захват). В первых двух превращениях ядро испускает электрон и позитрон, а в случае е- захвата ядро поглощает электрон с К- слоя атома.

Гамма-излучение является сопутствующим фактором процессов α- и β- распадов и испускается дочерним ядром при его переходе из возбужденного состояния в основное. Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны λ < 10-10 м.

Следует отметить, что в процессе радиоактивных превращений должны выполнятся законы сохранения энергии, импульса, заряда, массовых чисел.

Радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики: нельзя предсказать, какой именно атом и когда распадется, можно говорить только о вероятности распада каждого атома за определенный промежуток времени.

Поэтому число атомов dN, распадающихся за время dt, пропорционально времени и общему числу N атомов радиоактивного элемента:

, (1)

где λ – постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Из выражения (1) следует, что

,

т. е. постоянная распада – вероятность распада атомов за единицу времени.

Интегрируем уравнение (1) в пределах от t = 0 до t, имеем

, (2)

где N0 – число атомов радиоактивного элемента в начальный момент времени; N – число нераспавшихся атомов этого же элемента в момент времени t. Выражение (2) называется законом радиоактивного распада. Для характеристики быстроты распада радиоактивного элемента вводится понятие периода полураспада Т. Периодом полураспада называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое:

. (3)

Период полураспада известных радиоактивных веществ колеблется в пределах от 3 ∙ 10-7 с до 5 ∙ 1015 лет. Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за единицу времени, называется активностью этого элемента:

. (4)

Из выражений (1), (3), (4) следует, что

, (5)

т. е. активность элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада.

Описание установки и метода исследования

Радиометрический метод определения содержания калия в солях основан на β – радиоактивности. Природный химический элемент калий состоит из трех изотопов: двух стабильных 19К39, 19К41 и одного радиоактивного – 19К40 с периодом полураспада Т = 1,32 ∙ 103 лет.


Процентное содержание каждого изотопа в природном калии постоянно и равно 93,08, 6,76 и 0,0119 % для 19К39, 19К41 и 19К40 соответственно. Если взять образцы с одинаковым количеством калия, то и радиоактивного изотопа 19К40 в них будет равное количество, а, следовательно, одинаковой будет и активность препаратов.

Таким образом, по активности препарата можно судить о содержании в нем калия. График зависимости активности (единица измерения Ки) препарата от концентрации калия для различных солей представляет собой прямую линию. Пунктирной линией отмечен фон.

В данной работе могут быть использованы следующие соли калия: К2Сr2O7 (двухромовый калий), КNO3 (азотнокислый калий), КСl (хлористый калий), К2СО3 (углекислый калий), КМnO4 (марганцовокислый калий), КВr (бромистый калий), К2СrO4 (хромовокислый калий), К2SO4 (сернокислый калий).

Установка состоит из газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера с предварительным усилителем (1), пересчетного устройства импульсов ПС 02-4 (2), высоковольтного выпрямителя (3) и радиоактивного образца (4) (рис. 2).

Счетчик Гейгера-Мюллера предназначен для регистрации β- и γ- излучений. Он состоит из металлического цилиндра (катод) 1, по оси которого натянута тонкая проволока (анод) 2 (рис. 3). Оба электрода размещены внутри стеклянного баллона, наполненного инертным одноатомным газом, например аргоном, с добавками многоатомных органических веществ (этиловый спирт, метол и др.) при пониженном давлении Р ~ 104 Па.


Рис. 3. Схема счетчика Гейгера-Мюллера

Между анодом и катодом прилагается высокое напряжение порядка 300 – 1500 В через сопротивление R ~ 109 Ом. Пересчетное устройство подключается через сопротивление R и анод счетчика.

Поскольку газ в счетчике является диэлектриком, то при напряжении недостаточном для его пробоя и отсутствии радиоактивного излучения тока в цепи нет. Радиоактивная частица или γ-квант, попадая в счетчик, вызывает ионизацию газа: образование электрон-ионных пар из нейтральных атомов или молекул. При низком напряжении в счетчике может происходить обратный процесс – рекомбинация электрон-ионных пар в нейтральный атом (молекулу). Счетчик в этом случае радиоактивную частицу не регистрирует. При напряжении, превышающем некоторую величину U0, образовавшиеся электроны и ионы под действием поля устремляются к электродам. В цепи счетчика возникает кратковременный импульс тока, который предварительно усиливается и подается на пересчетное устройство. С увеличением напряжения число регистрируемых в единицу времени импульсов быстро возрастает, а затем остается приблизительно постоянным. Зависимость скорости счета (число импульсов в единицу времени) от напряжения на электродах счетчика при постоянной интенсивности облучения называется счетной характеристикой (рис. 4).

Почти горизонтальный участок счетной характеристики, соответствующий разности потенциалов от U1 и U2, называется плато. Это рабочая область счетчика. Рабочее напряжение необходимо выбирать в первой трети плато. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами в счетчике возникает самостоятельный разряд. Счетчик перестает регистрировать частицы. Для того, чтобы зафиксировать новые радиоактивные частицы, необходимо погасить возникший разряд, т. е. подготовить счетчик к работе. Время подготовки (временное разрешение) счетчиков Гейгера-Мюллера составляет

10-3 – 10-7 с. Для гашения разряда в схему счетчика включают высокое сопротивление R = 10-9 Ом или счетчики (самогасящиеся) заполняются специально подобранными смесями многоатомных газов, о чем указывалось выше.

Каждый счетчик обладает некоторой скоростью счета даже в отсутствии источников излучения. Среднее число импульсов в единицу времени, которое регистрирует счетчик в отсутствии радиоактивного элемента, называется фоном. Чаще всего фон обусловлен космическим излучением и излучением радиоактивных загрязнений окружающих предметов. Величину фона следует вычитать из скорости счета радиоактивного элемента.

Наряду со счетчиками Гейгера-Мюллера имеются и другие устройства для регистрации радиоактивного излучения: камера Вильсона, пропорциональные и сцинтилляционные счетчики.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1. Включить высоковольтный выпрямитель и установить рабочее напряжение на счетчике 420 В.

  2. Включить пересчетное устройство. Установить время экспозиции 300 с.

  3. Определить фон. Для этого убрать все радиоактивные образцы из-под счетчика и запустить пересчетное устройство для регистрации импульсов.

  1. Определить число импульсов исследуемых образцов за время экспозиции, заполнить таблицу и рассчитать активность

Номер

образца

Концентрация калия С, %

Экспозиция

t, с

Число

импульсов N

Активность

а,

1. фон

300

2.

300

3.

300

4.

300

5. «Х»

300

  1. Рассчитать концентрацию калия в исследуемых известных солях по их химическим формулам, используя таблицу Менделеева, с точностью до целых:

,

где Ак – массовое число калия; - сумма массовых чисел элементов, входящих в данное соединение. Например: К2Сr2О7

  1. Построить график зависимости активности а исследуемых образцов от концентрации С в них калия. Учесть активность фона.

  2. Определить по графику концентрацию калия в неизвестном образце «Х».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Что называется естественной и искусственной радиоактивностью?

  2. Охарактеризуйте типы радиоактивных излучений: α- , β- и γ- излучений.

  3. Выведите закон радиоактивного распада.

  4. Что такое постоянная радиоактивного распада?

  5. Что такое период полураспада? активность?

  6. Запишите правила смещения для α- и β- распадов.

  7. Объясните возникновение электронов и позитронов при β- распаде.

  8. Почему энергетический спектр при β- распаде сплошной?

  9. Во что превратится 19К40при β- распаде?

  10. Объясните устройство счетчика Гейгера-Мюллера.

  11. Что такое счетная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера?

  12. Объясните механизм возникновения и гашения ионных лавин.

  13. Какие еще применяются приборы для регистрации радиоактивных частиц?

  14. Что такое фон? Какова его природа?

  15. Чем отличается К- захват от - распадов?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк. 1998. - 542 с.

  2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. М.: Высш. шк. 1999. - 608 с.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Применение приборов радиационной и химической разведки контроля радиоактивного заражения и облучения а также средств индивидуальной защиты

    Методическая разработка
    ... ознакомиться с материалами темы, чтобы большую часть времени уделить практической работе ... явления ... распадаются ... с помощью счетчикаГейгера-Мюллера в течение ... радиоактивных, отравляющих, ядовитых веществ и бактериальных средств. Принцип ... С целью расширения ...
  2. Избранные вопросы современной физики

    Учебное пособие
    ... ? 2.5 Изучение счетчикаГейгера-Мюллера I. Цельработы: изучить процессы, происходящие в камерах счетчиков, ознакомиться с принципомработы и устройством счетчикаГейгера-Мюллера. П. Оборудование: счетчикГейгера-Мюллера, УИП, радиоактивный препарат ...
  3. Гоу гимназия № 1505

    Автореферат диссертации
    ... установки. Счетчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером. Рис.10 СчетчикГейгера-Мюллера. Цилиндрический счетчикГейгераМюллера состоит ...
  4. Данилова атомного ядра

    Учебно-методическое пособие
    ... ознакомиться ... явлениерадиоактивности, связанных с радиоактивнымраспадом, пользуются законом радиоактивногораспада: число радиоактивных ... счетчик, соединяя в себе достоинства пропорционального счетчика и счетчикаГейгера-Мюллера ... Принципработы камеры ...
  5. Конец вместо начала

    Документ
    ... пожелал сполна ознакомиться с предметом, ... радиоактивного газа, как и все необычайные явлениярадиоактивности ... Младший ра­ботал в Монреале над проблемой радиоактивногораспада, ... принципу: обломки меньше целого. ... было тогда счетчиковГейгераМюллера. И ...

Другие похожие документы..