FIZ_7_T.DOC

(61 KB) Pobierz
AKADEMIA ROLNICZO - TECHNICZNA

 

UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI

W OLSZTYNIE

 

 

KATEDRA FIZYKI

 

 

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z FIZYKI

 

(CZĘŚĆ TEORETYCZNA)

 

 

 

ćwiczenie nr 7

 

temat: Przemiany jądrowe i wyznaczanie masowego współczynnika osłabienia promieniowania dla różnych ciał.

 

 

 

 

                                                                                                    SZOSTEK MARIUSZ                           

DWÓJKA 10

 

 

 

Jądra poszczególnych atomów składają się z protonów i neutronów, czyli nukleonów. Protony są cząstkami elementarnymi o ładunku dodatnim, równym co do bezwzględnej wartości ładunkowi elektronu, tj. . Masa spoczynkowa protonu  wynosi Neutrony są cząstkami elementarnymi elektrycznie obojętnymi o masie spoczynkowej równej Nukleony są cząstkami cięższymi od elektronów około 1836 razy. Jądro atomu o ładunku Ze i liczbie masowej A zawiera Z protonów i N = (A-Z) neutronów. Protony i neutrony wchodzące w skład jądra rozpatruje się często jako różne stany ładunkowe jednej i tej samej cząsteczki – nukleonu. Wobec tego liczba masowa A określa liczbę nukleonów w jądrze. Z pierwiastkiem chemicznym mamy do czynienia wtedy, gdy liczba protonów Z równa się liczbie neutronów N. W zależności od ilości protonów i neutronów w jądrze danego pierwiastka rozróżnia się następujące przypadki:

-      izotopy: Z = const, N - zmienne;

-      izotony: N = const, Z – zmienne;

-      izobary: A = const, Z i N – zmienne;

Jądra pierwiastków lekkich mają budowę kulistą, pierwiastków ciężkich – sferoidalną. Promień jądra jest wprost proporcjonalny do pierwiastka trzeciego stopnia z jego masy atomowej.

(1)

Nukleony są rozmieszczone w jądrze równomiernie i zajmują 1/40 części objętości całego jądra. Gęstość bezwzględna materii jądrowej w jądrze jest rzędu . Tak duża gęstość materii jądrowej dowodzi, że siły oddziaływania między nukleonami są bardzo duże. Badania oddziaływań cząsteczek naładowanych z jądrami pozwoliły na ustalenie pewnych charakterystycznych cech sił jądrowych, jak:

-               krótko zasięgowe oddziaływanie (efektywny promień działania sił jądrowych jest rzędu 10-15m);

-               niezależność sił jądrowych od ładunku nukleonów;

-               zależność sił jądrowych od wzajemnej orientacji spinów oddziałujących nukleonów;

-               wymienny charakter sił jądrowych;

Wszelkie przemiany jądrowe, zarówno wysoko energetyczne jak i niskoenergetyczne, podlegają następującym zasadom:

-      zachowania ładunku elektrycznego;

-      zachowania całkowitej liczby nukleonów (suma liczb masowych przed reakcją i po reakcji musi być taka sama);

-      zachowania masy – energii (dla układu izolowanego całkowita energia układu pozostaje stała);

-      zachowanie pędu i momentu pędu.

Przemiany jądrowe, w wyniku których są emitowane cząstki a, b lub towarzyszące im promieniowanie g, podlegają statycznemu prawu, zwanemu prawem rozpadu, które ma postać:

(2)

gdzie:

N0 – liczba jąder w chwili t = 0,

N – liczba jąder, które po czasie t nie uległy jeszcze rozpadowi,

l - stała rozpadu,

t – czas.

Czasy życia większości pierwiastków promieniotwórczych są bardzo długie, wprowadzono więc czas połowicznego rozpadu T. Czas połowicznego rozpadu jest to czas, po którego upływie początkowa liczba N0 jąder w wyniku rozpadu zmaleje do połowy. Zależność pomiędzy czasem połowicznego rozpadu a czasem życia jest następująca:

(3) gdzie: 

Warunek nietrwałości atomu M(Z,A) ze względu na rozpad promieniotwórczy, w wyniku którego z jądra następuje emmisja cząsteczki q, jest następujący:

(4) M(Z,A) > M(Z’,A’) + mq

Warunek ten spełniają pierwiastki o liczbie atomowej większej od 82. Z warunku tego wynika, że różnica w masie, która jest równoważna energii, powoduje taką zmianę w strukturze jądra, że powstaje w nim niezależna cząsteczka, która zostaje z niego wyemitowana.

Przemiany jądrowe zachodzące w sposób naturalny lub wywołane sztucznie charakteryzują się taką zmianą struktury jądra, w wyniku której z jądra są emitowane cząsteczki a, b-, b+.

Przemiana w wyniku której z jądra jest emitowana cząstka a, ma następujący przebieg:

(5) M(Z,A)®M(Z - 2,A - 4) + a + Qa

Energię, jaką unosi ze sobą cząstka a, oblicza się z wyrażenia:

(6) Qa = {M(Z,A) - [M(Z - 2,A – 4 ) + ma]}c2 - E*

gdzie:

E* - energia wzbudzenia jądra wtórnego

Prawdopodobieństwo zaistnienia rozpadu jądra z emisją cząstki a określa nie tylko warunek (4), ale jeszcze następujące reguły wyboru:

-      aby moment pędu cząstki a równał się różnicy początkowego i końcowego spinu jądra,

-      aby parzystość stanu układu „jądro + cząsteczka” równał się parzystości stanu początkowego

W przypadku rozpadu jąder z emisją cząstek a obowiązuje prawo Geigera-Nuttala, wg którego im krótszy jest okres połowicznego rozpadu pierwiastka, tym zasięg cząstek a jest większy.

Detekcja cząstek jonizujących opiera się na :

-      oddziaływaniu promieniowania jądrowego z materią

-      obserwacji toru cząsteczki

-      spektroskopii ciężkich cząstek naładowanych

Rozpad promieniotwórczy jąder z emisją cząstek b charakteryzuje się zdolnością do przemiany jednego nukleonu, w drugi, tzn. protonu w neutron lub odwrotnie. Zgodnie z tzw. schematem Diraca, przemiany jądra w wyniku których jest emitowana cząsteczka b+ lub b-, mają następujący przebieg:

(7) M(Z,A) ® M(Z – 1,A) + e+ + n + qb+

(8) M(Z,A) ® M(Z + 1,A) + e- + n* + qb-

lub

(9) p ® n +b+ + n + Qb+

(10) p ® n +b- + n* + Qb-

gdzie:

n - neutrino

n* - antyneutrino

qb+ i qb- - energia niesiona przez b+ i b-

Przemiana (10) zachodzi samorzutnie, natomiast (9) tylko dla nukleonów związanych z jądrem. Możliwa jest przemiana, zwana wychwytem k, polegająca na tym, że jądro w celu zachowania równowagi ładunku wychwytuje elektron z orbity k.

(11) p +e- ® n + n - q(n)

gdzie:

q(n) – energia wychwytu k.

Wartości tych energii oblicza się z wyrażeń:

(12) Qb+ = {M(Z,A) – M(Z-1,A) – 2me – mn}c2 – E*

(13) Qb- = {M(Z,A) – M(Z+-1,A) – mn}c2 – E*

(14) Q(n) = {M(Z,A) – M(Z-1,A) – mn}c2en – E*

Promieniowanie g jest promieniowaniem elektromagnetycznym o takim zakresie długości fali jak promieniowanie rentgenowskie, tj. od 1.10–10m do 2.10–8m. Nie powoduje ono zatem ani zmian ładunku, ani zmiany masy atomowej pierwiastka, który jest jego źródłem. Promieniowanie g nie stanowi niezależnego zjawiska promieniotwórczego a jedynie towarzyszy rozpadom a, lub b.Emisja promieniowania g towarzyszy rozpadowi a lub b tylko wtedy, gdy jądro nowo powstającego pierwiastka znajduje się w stanie energetycznie wyższym niż jego stan podstawowy. Atom, którego jądro wysyła kwanty g, powinien w rezultacie konwersji wewnętrznej wysyłać jednocześnie charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.

Energia jaką niesie kwant g, można określić wyrażeniem:

(15) hni,j = Ei – Ej

gdzie:

Ei – energia stanu początkowego jądra,

Ej – energia stanu końcowego jądra.

              Podczas przechodzenia przez materię równoległej wiązki promieniowania g następuje jej pochłanianie i rozpraszanie. Natężenie wiązki promieniowania po przejściu przez materię o grubości x opisuje prawo Lamberta-Bougera:

gdzie:

I0 – natężenie wiązki padającej

m – liniowy współczynnik osłabienia [cm-1]

Do detekcji promieniowania g można używać dowolnego detektora promieniowania jądrowego, z tym że do pomiarów ilościowych nadają się tylko komory jonizacyjne o specjalnej konstrukcji oraz detektory scyntylacyjne.

W pracy każdego licznika scyntylacyjnego można wyróżnić następujące etapy:

-      absorpcja promieniowania padającego na scyntylator,

-      przetworzenie energii zaabsorbowanej na energię emitowaną w postaci kwantów światła,

-      przejście emitowanych fotonów do katody fotopowielacza,

-      absorpcję fotonów przez fotokatodę i emisja fotoelektronów,

-      powielenie fotoelektronów,

-      przetworzenie impulsów z fotopowielacza na postać cyfrową, proporcjonalną do liczby padających kwantów g.

 

Zgłoś jeśli naruszono regulamin