№408(А) - Защита от γ – излучения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 408(А)

«Защита от γ – излучения»

Цель работы:

изучить основные механизмы взаимодействия γ– излучения с веществом;

исследовать ослабление потока γ –фотонов различными материалами, определить энергию γ –фотонов;

ознакомиться с основными методами защиты от фотонного излучения;

решить задачу.

Контрольные вопросы:

1. Природа -излучения.

γ – излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны менее, чем 10-10 м. Источником γ – излучения являются возбужденные атомные ядра. Они образуются в различных ядерных реакциях, в том числе при радиоактивном распаде. В качестве примера можно привести электронный β-распад Cs-137, сопровождаемый испусканием γ – излучения.

где «*» означает, что дочернее ядро образовалось в возбужденном состоянии, т.е. с избытком энергии, v - электронное антинейтрино.

 Возбужденное состояние ядра неустойчиво, и через маленький промежуток времени ядро переходит в состояние с меньшей энергией, испуская коротковолновое электромагнитное излучение - γ –излучение.

Процесс испускания γ-излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами.

2. Свойства γ - излучения.

γ – излучение имеет линейчатый спектр, причем каждый элемент дает свой строго определенный γ – спектр. Именно поэтому по спектру γ – излучения с помощью γ-спектрометров  определяется  какой именно радионуклид распадается.

γ – излучение обладает огромной проникающей способностью, для него не существует  понятия длины свободного пробега. Длина свободного пробега γ – квантов в воздухе стремится к бесконечности   (Rγ →∞).

3. Механизм испускания -излучения.

Возбужденное состояние ядра неустойчиво, и через маленький промежуток времени ядро переходит в состояние с меньшей энергией, испуская коротковолновое электромагнитное излучение - γ –излучение.

Этот процесс происходит без изменения массового и зарядового чисел (A и Z), поэтому испускание γ-излучения не рассматривают как отдельный   тип радиоактивности. Процесс испускания γ-излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами.

4. Механизмы взаимодействия -излучения с веществом: фотоэффект, эффект Комптона, образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект – процесс поглощения γ – фотона (или фотона другого вида электромагнитного излучения) атомом, при котором атомный электрон покидает пределы атома, т.е. происходит ионизация атома. 

Вырванные электроны называются фотоэлектронами. Атом превращается в положительно заряженный ион. Наиболее интенсивно фотоэффект наблюдается для фотонов, энергии которых близки к энергиям связи электронов с ядром. Все электроны в атоме расположены в различных оболочках – K, L, M, N и т.д., каждой из которых соответствует определенная энергия связи. Наибольшую энергию связи в атоме имеют электроны самой внутренней К-оболочки. Для γ –излучения вклад К-оболочки в явление фотоэффекта является преобладающим (примерно 80%).

Эффект Комптона – рассеяние γ–фотонов электронами вещества.  Проходя через вещество, γ–фотоны могут столкнуться со свободными или слабо связанными электронами, т.е. с электронами, находящимися на внешних оболочках атома, - валентными электронами. Фотон в результате упругого соударения с электроном передает последнему часть своей энергии, энергия γ–фотона уменьшается (следовательно, уменьшается частота γ–излучения). При этом γ–фотон отклоняется от своего первоначального направления распространения, т.е. происходит рассеяние γ–фотонов.

Образование электронно-позитронных пар может происходить только при участии «третьего тела-частицы». Это вытекает из законов сохранения импульса и энергии. Такой частицей может быть атомное ядро, электрон или фотон. Для образования электронно-позитронной пары в поле атомного ядра энергия γ–фотона должна быть больше 2mec2.  Для образования пары в поле электрона Еγ>4mec2  . Рождение пары в присутствии фотона требует еще больших энергий. Поэтому образование электронно-позитронной пары в поле атомного ядра является наиболее вероятным процессом.

5. Существует ли понятие свободного пробега для γ –фотонов?

6. Закона ослабления плотности потока γ –фотонов в веществе.

7. Что такое толщина слоя половинного ослабления? Выведите формулу.

8. Какая существует связь между толщиной слоя половинного ослабления и линейным коэффициентом ослабления?

9. Методы защиты от фотонного излучения.

Таблица 1.

Обработка результатов измерений

1. Постройте графики зависимости числа импульсов, зарегистрированных детектором, от толщины слоя вещества х для двух материалов на одной координатной сетке.

2. По кривым определите толщину слоя половинного ослабления. Точки соответствуют уменьшению числа импульсов в 2 раза по сравнению с отсчетами в отсутствии поглощающего вещества.

3. Рассчитайте по формуле (2) линейные коэффициенты ослабления для двух материалов.

4. По известным значениям, используя таблицы 2 и 3 в приложении, определите энергию-фотонов Е радиоактивного источника для двух материалов.

Таблица 2. Линейный коэффициент ослабления μ для свинца, меди и железа в зависимости от энергии фотонов.

Платная версия документа содержит: 

1. Результаты измерений;
2. Результаты вычислений;
3. Контрольные вопросы.